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预制缺陷的H-K9L玻璃的动态断裂研究

胡昌明  
【摘要】:在军事和民用需求背景的驱动下,材料动态断裂现象至今仍是材料学家、力学家、地质学家等关注的重点基础课题之一,其核心问题是如何用数学语言来描述动载下材料内部损伤成核及动态演化过程。无论是基于宏观物理实验结果而建立的唯像或半经验的断裂模型,还是基于微细观结构的动态演化过程而建立的损伤演化规律,在一定程度上均缺乏普适性。在复杂应力环境下,这些模型均难以准确预测材料断裂问题。其主要原因是材料动态断裂涉及到多学科、多因素相互交叉与耦合,需要结合高时-空分辨的多尺度的实验观察结果及与微-细观损伤演化过程密切相关的物理建模。 本论文利用激光内刻在H-K9L玻璃内部预制一定初始损伤,结合高时空分辨的DPS测试技术,探讨了动载下H-K9L玻璃内部初始损伤的演化及其对材料动态断裂特性的影响。主要的工作和结果如下: (1)对国内外材料动态断裂的研究成果进行了全面的分析,包括动态断裂准则、损伤成核及演化过程的描述方法、影响动态断裂的内外因素及相应的实验研究方法。大量的文献表明:材料内部的微-细观损伤成核及实时演化过程成为该领域研究的焦点和难点,与之相关的微细观尺度的实验观测和理论建模成为该领域的近20年来的热门话题。为此,本论文利用预制损伤的透明H-K9L玻璃,结合多普勒探针测试技术,探讨冲击加载下预制损伤的动态演化过程及预制损伤对材料断裂特性的影响规律,为建立与材料微细观结构的实时演化过程相关的断裂模型提供一些参考数据。 (2)在单点DPS测试技术的基础上,发展了具有高时-空分辨能力的具有16通道的阵列DPS测试技术,其时间和空间分辨率分别为50 ps、127μm。将该技术应用于平板撞击实验中,开展了内部预制初始微细观缺陷H-K9L玻璃的冲击压缩破坏的实验研究,获得了因材料内部细观预制损伤影响的粒子速度剖面。速度剖面上的细微差异主要表现在:当速度到达最大值后的100 ns时间段内,速度趋于稳定的时间和缺陷引起的1 m/s的速度跳跃,初步分析认为这是缺陷冲击压缩波的传播造成的细微影响。同时,在冲击压缩情况下,基于实验测量结果,推断预制损伤区存在一个压缩破坏阈值应力,该应力低于完整材料的冲击压缩弹性极限(8 GPa)。通过这些实验探索,指出了高时-空分辨的阵列DPS测试技术存在的局限性和不成熟性,由于考虑高时-空分辨率,牺牲了系统的有效记录时间,该技术还需要更进一步的发展和推动。 (3)利用激光内刻技术,在H-K9L玻璃样品内部设计位置预制φ10 mm×0.2-0.4 mm的初始缺陷,对缺陷的细微观表征表明,各激光烧蚀点造成的损伤基本相互贯通。在平板撞击的层裂实验中,结合多点的DPS测试技术,获得H-K9L玻璃样品内部预制损伤的动态演化过程在自由面速度剖面上的表现,获得了H-K9L玻璃样品不同后表面测试位置所对应的层裂强度,结果表明预制损伤区的层裂强度低于完整材料的层裂强度4.2 GPa。通过分析认为:在冲击波作用下,样品内部预制损伤造成动态应力集中,改变了缺陷附近的应力分布,从而改变探测位置的位移场和速度场,表现在自由面速度的变化。同时,分析了不同冲击压力下样品内部预制缺陷的尺寸大小对损伤成核半径的影响,表现在缺陷周围与基体材料发生断裂的时间存在一定差值,约为0.31μs,差值的大小与缺陷尺寸及其影响半径密切相关。另外,结合数值模拟初步分析,得出材料内部的预制缺陷的动态演化过程对自由面速度的影响,如缺陷处的层裂孕育时间平台、裂纹的扩展等,为将来建立与微细观缺陷的实时演化过程相关的物理模型提供参考数据。通过初步数值模拟,加深了对实验现象的理解,认为进一步的数值建模需要考虑样品内部拉伸区缺陷分布、拉伸脉冲随时间的函数、缺陷之间的间距、缺陷动态扩展的速度等诸多因素。 (4)在弹性极限以内,利用H-K9L玻璃的冲击透明特性,结合DPS探针对碰撞界面粒子速度剖面的测量结果,对H-K9L玻璃的动态折射率修正关系进行了初步研究。结果表明:在8 GPa的冲击压力以内,H-K9L玻璃的动态折射率与密度的关系呈现良好的线性,可作为低压下透明窗口的替代材料。


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