收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

氧化铝陶瓷冲击压缩损伤及残余强度实验研究

孙占峰  
【摘要】:由于具有良好的物理和力学性能,陶瓷材料成为一种常用的轻质装甲防护材料。作为典型的脆性材料,陶瓷对变形具有高度敏感性,在强动载荷下具有完全不同于延性金属材料的损伤、破坏行为和物理、力学响应特性。高硬度和脆性的特点往往使陶瓷在撞击过程中因材料严重损伤而断裂或粉碎,而损伤和破坏区的状态直接影响其防护(抗侵彻)性能。深入研究陶瓷材料在冲击压缩下的动态行为和损伤破坏特性具有重要的学术意义和应用价值。 本论文以AD95陶瓷为研究对象,采用实验研究和理论分析相结合的方法,系统地研究了氧化铝陶瓷在不同冲击加载应力区间和加载应力状态的压缩损伤特性和残余强度,分析和讨论了其与加载条件和材料特性的关系,探索并建立了冲击压缩损伤状态和程度的表征方法。研究结果表明,AD95多晶氧化铝陶瓷:(a)存在小于HEL的压缩损伤阈值应力,当冲击加载应力小于阂值应力时,不发生压缩损伤,材料的层裂强度随加载应力的增加逐渐增大;(b)当加载应力大于阈值应力但小于HEL时,发生一定程度的压缩损伤,材料残余的层裂强度快速降低,在加载应力达到HEL时,完全丧失层裂强度;(c)当加载应力大于HEL时,材料发生相对于压应力的等效损伤,导致雨贡纽状态的高压声速和有效剪切模量逐渐降低;(d)当加载应力大于约40GPa时,材料发生严重的等效损伤,处于类流体状态,但是可能由于压应力作用下破碎颗粒之间的摩擦效应,材料仍然具有一定的表观强度,表现为高压声速虽然降低但不退化为体波声速,有效剪切模量也降低但不降到零。 具体开展的研究内容和得出的主要结论如下: (一)低压区的冲击压缩损伤研究 开展了低压冲击压缩损伤之破坏波实验,方法是:采用一级轻气炮加速足够厚的无氧铜飞片,撞击AD95陶瓷样品,采用VISAR技术测量样品在一维应变冲击压缩下的自由面粒子速度剖面,然后通过速度剖面的特征分析并结合断裂和损伤力学理论分析,对是否存在破坏波的现象、规律和机理进行了深入研究。 (1)AD95陶瓷材料在小于和略大于HEL的一维应变冲击压缩下,自由面速度剖面中都未出现类似于玻璃和岩石中的表征破坏波现象的二次加载信号,即未发现滞后于冲击波阵面传播的声阻抗明显降低的严重损伤和破碎界面。 (2)样品自由面速度剖面特征分析表明,理论计算得到的特征点时间差规律性地小于实验值,而且即使加载应力小于HEL速度上升前沿也具有一定弥散特征,表明在所讨论的冲击加载应力范围内(即使在HEL以下)AD95陶瓷材料存在一定程度的轻微压缩损伤。 (3)断裂力学理论分析表明,微裂纹扩展相关的压缩损伤过程,除了与加载应力和加载作用时间等外在因素相关以外,还与材料的断裂韧性和细观组织结构等内在因素直接相关。首先,断裂韧性相对较低,冲击波加载下易于形成大量微裂纹扩展和贯通,使材料发生“粉碎性”的严重破坏,是产生破坏波现象的前提条件。其次,体内微裂纹的构形和分布,可能是影响材料是否存在破坏波现象以及破坏波形式的重要因素。 (二)低压区的残余强度——层裂研究 开展了低压区层裂强度及其变化的实验研究,方法是:采用一级轻气炮加速较薄的飞片,撞击相对较厚的AD95陶瓷样品,采用DISAR技术测量样品自由面或样品/窗口界面的粒子速度剖面,然后根据速度剖面的特征并结合波系分析,确定样品在冲击压缩后残余的层裂强度及其变化,研究冲击压缩损伤特性及程度随加载应力的变化关系。 (1)AD95陶瓷在冲击压缩后残余的层裂强度随冲击加载应力的变化关系为: (2)确定了AD95陶瓷发生冲击压缩损伤的加载应力阈值约为3.7GPa,小于材料的HEL(约5.5GPa),表明AD95陶瓷在小于HEL的冲击波加载下发生了一定程度的轻微压缩损伤,证明了多晶氧化铝陶瓷材料的HEL不是发生压缩损伤的临界点。 (3)发生冲击压缩损伤之后,损伤程度随加载应力的增大逐渐增加,加载应力达到HEL时,AD95陶瓷完全丧失层裂强度,表明材料发生了相对于拉应力而言的“严重”压缩损伤。由于拉应力对损伤过于敏感,总体来讲,此时的损伤程度并非真的十分严重,只是已经不能通过层裂强度的变化来表征了。另外,加载应力大于阈值应力之后,层裂强度的分散性增大,从另一个侧面体现样品内的确发生了一定程度的压缩损伤。 (4)断裂力学理论分析表明:冲击加载应力小于3.5GPa时,应力强度因子总体上小于材料的断裂韧性,样品内的微裂纹基本不扩展,即样品不发生压缩损伤;加载应力在3.5-3.8GPa时,开始出现应力强度因子与断裂韧性的分散范围重叠,表明样品内的部分微裂纹发生扩展,开始出现压缩损伤,这与通过层裂强度变化给出的约3.7GPa的压缩损伤阈值应力结果完全相符;随着加载应力进一步增大,压缩损伤程度不断增加,加载应力达到HEL及其以上时,应力强度因子总体上大于断裂韧性,表明样品内的大量微裂纹将扩展,材料达到比较严重的压缩损伤状态,这也与层裂强度变化表征的压缩损伤特性完全吻合。 (5)层裂强度变化表征的冲击压缩损伤特性和断裂力学理论分析结果,从损伤程度和传播时序两方面都很好地支持和解释了AD95陶瓷材料观测不到破坏波现象的观点。 (三)高压区的冲击压缩损伤研究 采用正向撞击法和逆向撞击法两种实验方法,在二级轻气炮上开展了AD95陶瓷材料经过冲击压缩后的高压声速和卸载路径测量实验。采用“加窗”的激光干涉测速技术(DISAR),测量了陶瓷样品和LiF窗口之间的界面在加载和卸载整个过程中的粒子速度剖面,进而计算得到了陶瓷样品在雨贡纽状态和卸载过程中的高压声速,并得到了卸载路径。通过对卸载特征和机理的分析,以及经过冲击压缩后样品的高压声速随加载应力的变化关系分析,对AD95陶瓷在相对较高强度冲击加载下的压缩损伤状态和程度进行了表征。 (1)AD95陶瓷具有与延性金属材料明显不同的卸载特征:首先,卸载过程是一个连续的缓变过程,不存在明显的弹性卸载和塑性卸载的拐点:其次,与延性金属材料不同加载应力下的塑性卸载段几乎汇聚到一起不同,AD95陶瓷的非弹性卸载段相互存在一定间距;而且,沿着卸载路径的应力-工程应变关系明显偏离雨贡纽线。这些独特的卸载过程特征,体现了AD95陶瓷与延性金属完全不同的卸载机制,我们推测其卸载过程是压应力作用下破碎颗粒对卸载应力波的响应,蕴含着加载过程中的压缩损伤信息。 (2)提出了等效损伤概念,认为高压声速的降低由等效损伤程度造成。根据氧化铝陶瓷高压声速随冲击加载应力的变化关系得出结论:当加载应力较低时(小于HEL),实测的雨贡纽状态高压声速基本沿着无损伤材料的理论纵波声速线,表明材料未发生等效损伤或等效损伤程度较轻;当加载应力大于HEL后,雨贡纽状态高压声速逐渐低于理论纵波声速,表明发生了等效损伤;随着加载应力提高,雨贡纽状态高压声速相对于理论纵波声速不断降低,具有逐渐靠近理论体波声速的趋势,表明等效损伤程度不断增加;当加载应力达到30-40GPa之后,雨贡纽状态高压声速不再趋于理论体波声速,而是近乎平行并高于理论体波声速线,表明材料的剪切模量和横波声速并不降低到零,未发生总体冲击熔化,材料仍然具有一定表观强度,这种材料严重损伤后仍然具有的表观强度,可能是由压应力作用下破碎颗粒之间的摩擦效应造成的。 (3)基于高压声速相对降低率定义了等效损伤度D=(C1-CIH)/(C1-Cb),建立了AD95陶瓷的等效损伤度随冲击加载应力的变化关系,具有明显的“S”形变化的特征:冲击加载应力小于HEL时,D≈0,表明对压应力而言相当于未发生等效损伤;加载应力大于HEL之后,D值逐渐增大,逐渐开始发生等效损伤;之后,随着加载应力的提高D快速增长,表明此阶段损伤发展较快;当加载应力达到30-40GPa以上时,D的增长速度明显放缓,基本稳定在0.67附近,表明材料已经发生了严重的等效损伤,但是未发生整体冲击熔化,仍然具有一定强度。 (4)AD95陶瓷高压声速实验的断裂力学理论分析表明:加载应力在HEL附近,应力强度因子总体上略大于断裂韧性,表明样品将发生一定程度的微裂纹扩展;加载应力进一步增加,应力强度因子不断增大,其相对于断裂韧性的差值不断增大,材料内部参与成核和扩展的微裂纹数也会不断增加,导致材料的损伤和破坏程度不断加重。 (5)根据本论文的研究结果并结合Chen和Bourne等人[11,’2,’9]的研究结论,对多晶氧化铝陶瓷等脆性材料的HEL物理内涵有了更深入的认识:HEL不是弹性和塑性形变的转变点,也不是发生冲击压缩损伤的临界点,而是发生能够对压缩应力状态下的应力波传播产生响应和影响的冲击压缩损伤的临界点,即HEL是对压应力而言发生等效压缩损伤的阈值应力;从细观机制上看,HEL是损伤机理或类型(比如从以少量沿晶断裂为主变成以大量穿晶断裂为主)以及损伤程度发生量变到质变的转变点。 (四)高压区的残余强度——有效剪切模量研究 雨贡纽状态的有效剪切模量,是该状态下材料强度的一种体现,蕴含着冲击波加载下的压缩损伤信息。基于AD95陶瓷高压声速研究结果,对雨贡纽状态的有效剪切模量进行了分析讨论,结果表明: (1)与无损伤情况下的理论有效剪切模量相比,实测的有效剪切模量在加载应力大于HEL之后具有明显的下降过程,体现了材料开始发生等效损伤以及损伤程度不断增加的过程。 (2)有效剪切模量虽然降低但并不降低到零,材料仍然具有一定表观强度。 (3)当加载应力大于约40GPa之后,有效剪切模量随加载应力的增加逐渐增大,明显低于理论有效剪切模量,但变化趋势近乎平行,表明此时材料发生了严重的等效损伤,处于类流体状态。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 文潮;关锦清;周刚;刘晓新;李迅;;16MnR+0Cr18Ni9Ti不锈钢复合板冲击压缩力学特性实验研究[J];兵工学报;2009年S2期
2 陈登平;贺红亮;黎明发;经福谦;;冲击压缩下非均质脆性固体的弛豫破坏研究[J];物理学报;2007年01期
3 谷卓伟,金孝刚,张清福,孙悦;材料预加热冲击压缩实验技术及高温下不锈钢的动态响应[J];高压物理学报;1998年03期
4 陈登平;黎明发;贺红亮;经福谦;;冲击压缩下脆性材料中的破坏波研究进展[J];武汉理工大学学报(信息与管理工程版);2008年03期
5 王金贵,李欣竹,王为,傅秋卫,王翔;三种钨合金的冲击压缩性[J];高压物理学报;1998年04期
6 刘占芳,姚国文,詹先义;高速冲击条件下玻璃中破坏波的损伤累积模拟[J];应用数学和力学;2001年09期
7 施尚春,董石,孟川民,焦荣珍,孙悦,杨向东;液氮冲击压缩特性及其分子离解相变研究[J];爆炸与冲击;2002年04期
8 袁长迎,孙悦,吴国栋,李萍;苯冲击压缩特性的理论计算[J];原子与分子物理学报;2004年03期
9 姜明,程新路,唐钰,杨向东,闫安英;稠密Ar等离子体不透明度的计算[J];原子与分子物理学报;2005年03期
10 张庆明,黄风雷,韩黎明;冲击压缩3DC/SiC复合材料的破坏波传播[J];科学通报;1999年17期
11 刘雨生;姚怀;张福平;贺红亮;唐敬友;;立方氮化硅的冲击波合成实验研究[J];无机材料学报;2007年01期
12 孟川民,孙悦,杨向东,焦荣珍,施尚春,董石,经福谦;高温高密度氩物态方程研究[J];原子与分子物理学报;2002年01期
13 汤文辉,张若棋,经福谦,胡金彪;冲击压缩下金属/窗口界面热弛豫过程的热阻模型研究[J];高压物理学报;1993年04期
14 孟川民,施尚春,董石,孙悦,焦荣珍,杨向东;液氮冲击压缩特性的理论计算[J];高压物理学报;2002年03期
15 唐敬友,谷岩,胡海波,彭其先,王贵朝,董庆东;冲击压缩下甲烷的状态参数实验研究[J];流体力学实验与测量;2001年04期
16 李德华,杨缤维,程新路,杨向东;液H_2O冲击压缩特性的理论计算[J];四川大学学报(自然科学版);2005年01期
17 汤文辉,张若棋,胡金彪,经福谦;金属冲击温度测量中金属/窗口界面表观光谱辐亮度的再研究[J];高压物理学报;1995年04期
18 赵剑衡,孙承纬,赵峰,文尚刚,刘仓理,段祝平;冲击压缩下玻璃样品后自由表面速度的过冲现象[J];爆炸与冲击;2002年01期
19 李泽仁;165GPa冲击压缩下钨靶漫反射率的色散效应研究[J];爆炸与冲击;2002年03期
20 余冠儒;利用α-钚的冲击压缩实验数据确定其物态方程(英文)[J];信阳师范学院学报(自然科学版);1991年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陈登平;贺红亮;黎明发;经福谦;;冲击压缩下非均质脆性固体的弛豫破坏[A];中国工程物理研究院科技年报(2008年版)[C];2009年
2 刘占芳;姚国文;;极端冲击条件下玻璃中的破坏波[A];“力学2000”学术大会论文集[C];2000年
3 刘占芳;冯晓伟;;平面冲击压缩下氧化铝陶瓷的二次压缩现象[A];数学·力学·物理学·高新技术交叉研究进展——2010(13)卷[C];2010年
4 赖建中;孙伟;;活性粉末混凝土的冲击压缩和层裂性能研究[A];第十二届全国纤维混凝土学术会议论文集[C];2008年
5 文潮;关锦清;周刚;刘晓新;李迅;;不锈钢复合板(16MnR+0Cr18Ni9Ti)冲击压缩力学特性实验研究[A];第九届全国冲击动力学学术会议论文集(下册)[C];2009年
6 李大红;;钽钨合金在10GPa冲击加载下的层裂和损伤[A];中国工程物理研究院科技年报(1998)[C];1998年
7 丰平;张庆明;张连生;张勇;;Zr基块体非晶合金的层裂破坏[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
8 张磊;陈德兴;余泽清;;骨料尺寸对混凝土层裂的影响[A];第一届全国工程安全与防护学术会议论文集[C];2008年
9 李牧;赵祥杰;张红平;袁红;赵剑衡;孙承纬;;激光驱动无冲击压缩实验研究[A];第九届全国冲击动力学学术会议论文集(上册)[C];2009年
10 谭华;俞宇颖;;LY12铝在一维应变加载和卸载下的本构关系[A];第八届全国冲击动力学学术讨论会会议论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 孙占峰;氧化铝陶瓷冲击压缩损伤及残余强度实验研究[D];中国工程物理研究院;2012年
2 李永宏;冲击加载过程中石英诱导水的晶化效应研究[D];西南交通大学;2011年
3 姚国文;冲击压缩下氧化铝陶瓷中的破坏波研究[D];重庆大学;2003年
4 唐录成;平面冲击加载下A95陶瓷动态力学性能研究[D];重庆大学;2009年
5 毕延;冲击压缩至兆巴压力下铁的电导率及其地球物理意义[D];中国工程物理研究院北京研究生部;2002年
6 唐敬友;冲击压缩下甲烷、氩气的高温辐射特性与反应流体动力学研究[D];中国工程物理研究院北京研究生部;2002年
7 孙悦;几种介质中的原子、分子相互作用及物理特性[D];四川大学;2002年
8 张磊;混凝土层裂强度的研究[D];中国科学技术大学;2006年
9 黄西成;内爆与外爆加载下壳体的力学状态及破坏模式分析[D];中国工程物理研究院;2010年
10 胡昌明;预制缺陷的H-K9L玻璃的动态断裂研究[D];中国工程物理研究院;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李建鹏;平面冲击压缩下氧化铝陶瓷的动态力学行为[D];重庆大学;2008年
2 陈登平;冲击波压缩下岩石介质中的破坏波研究[D];武汉理工大学;2006年
3 陈玉雷;冲击压缩产生稠密氩等离子体的状态方程和光谱特性研究[D];中国工程物理研究院;2012年
4 杨佳;K9玻璃动态损伤过程中的电阻率测量实验研究[D];中国工程物理研究院;2011年
5 郝高宇;无氧铜/蓝宝石界面冲击辐射特性及温度测量研究[D];西南交通大学;2007年
6 张莉;下地幔温压条件下(Mg,Fe)SiO_3钙钛矿的相稳定性及热状态方程[D];西南交通大学;2004年
7 郑君;冲击压缩氙的物态方程和瞬时光谱的研究[D];中国工程物理研究院;2009年
8 胡建波;经退火处理的LY12铝在强动载荷下的剪切模量和屈服强度[D];中国工程物理研究院;2005年
9 王晓峰;205A铝合金动态断裂性能实验研究[D];国防科学技术大学;2008年
10 陈修芳;下地幔温压下(Mg,Fe)SiO_3钙钛矿的相稳定性及其与铁的化学反应[D];西南交通大学;2005年
中国重要报纸全文数据库 前1条
1 谭冰;惠尔浦加入美泰竞购战背后[N];民营经济报;2005年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978