氧化鋁陶瓷沖擊壓縮損傷及殘余強度實驗研究.pdf

1、由于具有良好的物理和力學性能，陶瓷材料成為一種常用的輕質(zhì)裝甲防護材料。作為典型的脆性材料，陶瓷對變形具有高度敏感性，在強動載荷下具有完全不同于延性金屬材料的損傷、破壞行為和物理、力學響應特性。高硬度和脆性的特點往往使陶瓷在撞擊過程中因材料嚴重損傷而斷裂或粉碎，而損傷和破壞區(qū)的狀態(tài)直接影響其防護（抗侵徹）性能。深入研究陶瓷材料在沖擊壓縮下的動態(tài)行為和損傷破壞特性具有重要的學術意義和應用價值。
　　本論文以AD95陶瓷為研究對象，采用

2、實驗研究和理論分析相結合的方法，系統(tǒng)地研究了氧化鋁陶瓷在不同沖擊加載應力區(qū)間和加載應力狀態(tài)的壓縮損傷特性和殘余強度，分析和討論了其與加載條件和材料特性的關系，探索并建立了沖擊壓縮損傷狀態(tài)和程度的表征方法。研究結果表明，AD95多晶氧化鋁陶瓷:(a)存在小于HEL的壓縮損傷閾值應力，當沖擊加載應力小于閾值應力時，不發(fā)生壓縮損傷，材料的層裂強度隨加載應力的增加逐漸增大;(b)當加載應力大于閾值應力但小于HEL時，發(fā)生一定程度的壓縮損傷，材料

3、殘余的層裂強度快速降低，在加載應力達到HEL時，完全喪失層裂強度;(c)當加載應力大于HEL時，材料發(fā)生相對于壓應力的等效損傷，導致雨貢紐狀態(tài)的高壓聲速和有效剪切模量逐漸降低;(d)當加載應力大于約40 GPa時，材料發(fā)生嚴重的等效損傷，處于類流體狀態(tài)，但是可能由于壓應力作用下破碎顆粒之間的摩擦效應，材料仍然具有一定的表觀強度，表現(xiàn)為高壓聲速雖然降低但不退化為體波聲速，有效剪切模量也降低但不降到零。
　　具體開展的研究內(nèi)容和得出的

4、主要結論如下:
　　（一）低壓區(qū)的沖擊壓縮損傷研究
　　開展了低壓沖擊壓縮損傷之破壞波實驗，方法是:采用一級輕氣炮加速足夠厚的無氧銅飛片，撞擊AD95陶瓷樣品，采用VISAR技術測量樣品在一維應變沖擊壓縮下的自由面粒子速度剖面，然后通過速度剖面的特征分析并結合斷裂和損傷力學理論分析，對是否存在破壞波的現(xiàn)象、規(guī)律和機理進行了深入研究。
　　(1)AD95陶瓷材料在小于和略大于HEL的一維應變沖擊壓縮下，自由面速度剖面中都

5、未出現(xiàn)類似于玻璃和巖石中的表征破壞波現(xiàn)象的二次加載信號，即未發(fā)現(xiàn)滯后于沖擊波陣面?zhèn)鞑サ穆曌杩姑黠@降低的嚴重損傷和破碎界面。
　　(2)樣品自由面速度剖面特征分析表明，理論計算得到的特征點時間差規(guī)律性地小于實驗值，而且即使加載應力小于HEL速度上升前沿也具有一定彌散特征，表明在所討論的沖擊加載應力范圍內(nèi)（即使在HEL以下）AD95陶瓷材料存在一定程度的輕微壓縮損傷。
　　(3)斷裂力學理論分析表明，微裂紋擴展相關的壓縮損傷過程

6、，除了與加載應力和加載作用時間等外在因素相關以外，還與材料的斷裂韌性和細觀組織結構等內(nèi)在因素直接相關。首先，斷裂韌性相對較低，沖擊波加載下易于形成大量微裂紋擴展和貫通，使材料發(fā)生“粉碎性”的嚴重破壞，是產(chǎn)生破壞波現(xiàn)象的前提條件。其次，體內(nèi)微裂紋的構形和分布，可能是影響材料是否存在破壞波現(xiàn)象以及破壞波形式的重要因素。
　?。ǘ┑蛪簠^(qū)的殘余強度——層裂研究
　　開展了低壓區(qū)層裂強度及其變化的實驗研究，方法是:采用一級輕氣炮加速

7、較薄的飛片，撞擊相對較厚的AD95陶瓷樣品，采用DISAR技術測量樣品自由面或樣品/窗口界面的粒子速度剖面，然后根據(jù)速度剖面的特征并結合波系分析，確定樣品在沖擊壓縮后殘余的層裂強度及其變化，研究沖擊壓縮損傷特性及程度隨加載應力的變化關系。
　　(1) AD95陶瓷在沖擊壓縮后殘余的層裂強度隨沖擊加載應力的變化關系為:σspall={0.05σ+0.29(0 GPa≤σ≤3.7 GPa)——未發(fā)生壓縮損傷-0.27σ+1.47(3.

8、7 GPa＜σ≤5.5 GPa)——發(fā)生輕微壓縮損傷0(σ＞5.5 GPa=HEL)——發(fā)生一定程度壓縮損傷
　　(2)確定了AD95陶瓷發(fā)生沖擊壓縮損傷的加載應力閾值約為3.7 GPa，小于材料的HEL(約5.5 GPa)，表明AD95陶瓷在小于HEL的沖擊波加載下發(fā)生了一定程度的輕微壓縮損傷，證明了多晶氧化鋁陶瓷材料的HEL不是發(fā)生壓縮損傷的臨界點。
　　(3)發(fā)生沖擊壓縮損傷之后，損傷程度隨加載應力的增大逐漸增加，加載

9、應力達到HEL時，AD95陶瓷完全喪失層裂強度，表明材料發(fā)生了相對于拉應力而言的“嚴重”壓縮損傷。由于拉應力對損傷過于敏感，總體來講，此時的損傷程度并非真的十分嚴重，只是已經(jīng)不能通過層裂強度的變化來表征了。另外，加載應力大于閾值應力之后，層裂強度的分散性增大，從另一個側面體現(xiàn)樣品內(nèi)的確發(fā)生了一定程度的壓縮損傷。
　　(4)斷裂力學理論分析表明:沖擊加載應力小于3.5 GPa時，應力強度因子總體上小于材料的斷裂韌性，樣品內(nèi)的微裂紋基

10、本不擴展，即樣品不發(fā)生壓縮損傷;加載應力在3.5～3.8 GPa時，開始出現(xiàn)應力強度因子與斷裂韌性的分散范圍重疊，表明樣品內(nèi)的部分微裂紋發(fā)生擴展，開始出現(xiàn)壓縮損傷，這與通過層裂強度變化給出的約3.7 GPa的壓縮損傷閾值應力結果完全相符;隨著加載應力進一步增大，壓縮損傷程度不斷增加，加載應力達到HEL及其以上時，應力強度因子總體上大于斷裂韌性，表明樣品內(nèi)的大量微裂紋將擴展，材料達到比較嚴重的壓縮損傷狀態(tài)，這也與層裂強度變化表征的壓縮損傷

11、特性完全吻合。
　　(5)層裂強度變化表征的沖擊壓縮損傷特性和斷裂力學理論分析結果，從損傷程度和傳播時序兩方面都很好地支持和解釋了AD95陶瓷材料觀測不到破壞波現(xiàn)象的觀點。
　?。ㄈ└邏簠^(qū)的沖擊壓縮損傷研究
　　采用正向撞擊法和逆向撞擊法兩種實驗方法，在二級輕氣炮上開展了AD95陶瓷材料經(jīng)過沖擊壓縮后的高壓聲速和卸載路徑測量實驗。采用“加窗”的激光干涉測速技術(DISAR)，測量了陶瓷樣品和LiF窗口之間的界面在加載

12、和卸載整個過程中的粒子速度剖面，進而計算得到了陶瓷樣品在雨貢紐狀態(tài)和卸載過程中的高壓聲速，并得到了卸載路徑。通過對卸載特征和機理的分析，以及經(jīng)過沖擊壓縮后樣品的高壓聲速隨加載應力的變化關系分析，對AD95陶瓷在相對較高強度沖擊加載下的壓縮損傷狀態(tài)和程度進行了表征。
　　(1)AD95陶瓷具有與延性金屬材料明顯不同的卸載特征:首先，卸載過程是一個連續(xù)的緩變過程，不存在明顯的彈性卸載和塑性卸載的拐點;其次，與延性金屬材料不同加載應力下

13、的塑性卸載段幾乎匯聚到一起不同，AD95陶瓷的非彈性卸載段相互存在一定間距;而且，沿著卸載路徑的應力-工程應變關系明顯偏離雨貢紐線。這些獨特的卸載過程特征，體現(xiàn)了AD95陶瓷與延性金屬完全不同的卸載機制，我們推測其卸載過程是壓應力作用下破碎顆粒對卸載應力波的響應，蘊含著加載過程中的壓縮損傷信息。
　　(2)提出了等效損傷概念，認為高壓聲速的降低由等效損傷程度造成。根據(jù)氧化鋁陶瓷高壓聲速隨沖擊加載應力的變化關系得出結論:當加載應力較

14、低時（小于HEL），實測的雨貢紐狀態(tài)高壓聲速基本沿著無損傷材料的理論縱波聲速線，表明材料未發(fā)生等效損傷或等效損傷程度較輕;當加載應力大于HEL后，雨貢紐狀態(tài)高壓聲速逐漸低于理論縱波聲速，表明發(fā)生了等效損傷;隨著加載應力提高，雨貢紐狀態(tài)高壓聲速相對于理論縱波聲速不斷降低，具有逐漸靠近理論體波聲速的趨勢，表明等效損傷程度不斷增加;當加載應力達到30～40 GPa之后，雨貢紐狀態(tài)高壓聲速不再趨于理論體波聲速，而是近乎平行并高于理論體波聲速線，

15、表明材料的剪切模量和橫波聲速并不降低到零，未發(fā)生總體沖擊熔化，材料仍然具有一定表觀強度，這種材料嚴重損傷后仍然具有的表觀強度，可能是由壓應力作用下破碎顆粒之間的摩擦效應造成的。
　　(3)基于高壓聲速相對降低率定義了等效損傷度D=(Cl-ClH)/(Cl-Cb)，建立了AD95陶瓷的等效損傷度隨沖擊加載應力的變化關系，具有明顯的“S”形變化的特征:沖擊加載應力小于HEL時，D≈0，表明對壓應力而言相當于未發(fā)生等效損傷;加載應力大于

16、HEL之后，D值逐漸增大，逐漸開始發(fā)生等效損傷;之后，隨著加載應力的提高D快速增長，表明此階段損傷發(fā)展較快;當加載應力達到30～40 GPa以上時，D的增長速度明顯放緩，基本穩(wěn)定在0.67附近，表明材料已經(jīng)發(fā)生了嚴重的等效損傷，但是未發(fā)生整體沖擊熔化，仍然具有一定強度。
　　(4)AD95陶瓷高壓聲速實驗的斷裂力學理論分析表明:加載應力在HEL附近，應力強度因子總體上略大于斷裂韌性，表明樣品將發(fā)生一定程度的微裂紋擴展;加載應力進一

17、步增加，應力強度因子不斷增大，其相對于斷裂韌性的差值不斷增大，材料內(nèi)部參與成核和擴展的微裂紋數(shù)也會不斷增加，導致材料的損傷和破壞程度不斷加重。
　　(5)根據(jù)本論文的研究結果并結合Chen和Bourne等人[11，12，19]的研究結論，對多晶氧化鋁陶瓷等脆性材料的HEL物理內(nèi)涵有了更深入的認識:HEL不是彈性和塑性形變的轉變點，也不是發(fā)生沖擊壓縮損傷的臨界點，而是發(fā)生能夠?qū)嚎s應力狀態(tài)下的應力波傳播產(chǎn)生響應和影響的沖擊壓縮損傷的