沖擊壓縮下氧化鋁陶瓷中的破壞波研究.pdf

1、陶瓷材料以其優(yōu)良的物理力學(xué)性能而廣泛應(yīng)用在國(guó)防建設(shè)和軍事科學(xué)領(lǐng)域，脆性陶瓷材料在強(qiáng)動(dòng)載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)和破壞行為研究已成為沖擊動(dòng)力學(xué)界廣泛關(guān)注的課題，尤其是20世紀(jì)90年代初發(fā)現(xiàn)的在低于Hugoniot彈性極限的沖擊壓縮下玻璃和陶瓷等脆性材料中的破壞波現(xiàn)象，涉及到力學(xué)、材料、物理等多學(xué)科領(lǐng)域，由于受高壓加載實(shí)驗(yàn)條件和高解析波剖面測(cè)試技術(shù)等諸多因素的限制，目前對(duì)破壞波現(xiàn)象的研究主要集中在對(duì)其基本物理力學(xué)特征的實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)積累上，迄今仍缺乏一

2、個(gè)完整的理論模型能夠圓滿解釋破壞波的產(chǎn)生、傳播及其與材料相互作用的物理力學(xué)機(jī)制，并進(jìn)一步數(shù)值模擬其在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出來(lái)的基本力學(xué)響應(yīng)特性，這是破壞波研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，也是多年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)破壞波產(chǎn)生濃厚興趣的主要原因。 本文在分析國(guó)內(nèi)外有關(guān)強(qiáng)動(dòng)載荷下玻璃中破壞波現(xiàn)象和陶瓷材料非彈性變形響應(yīng)的研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)施了氧化鋁陶瓷平板正碰撞實(shí)驗(yàn)和平板傾斜碰撞實(shí)驗(yàn)，結(jié)合玻璃中的破壞波現(xiàn)象，對(duì)玻璃和陶瓷材料中破壞波產(chǎn)生和傳播的物理力學(xué)機(jī)制進(jìn)

3、行了分析，并從材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)非均勻性及其導(dǎo)致的細(xì)觀應(yīng)力分布的高度奇異性出發(fā)，建立了描述破壞波現(xiàn)象的漸進(jìn)破碎模型。論文主要工作和結(jié)論如下： (1)對(duì)玻璃材料在沖擊壓縮強(qiáng)度低于Hugoniot彈性極限時(shí)的破壞波現(xiàn)象和陶瓷材料在強(qiáng)動(dòng)載荷下獨(dú)特的非彈性變形響應(yīng)的研究成果進(jìn)行了回顧，特別考察了破壞波形成和傳播的物理機(jī)制、力學(xué)參量演化特征與數(shù)學(xué)模型描述。 (2)超聲波實(shí)驗(yàn)測(cè)量了氧化鋁陶瓷材料的基本物理力學(xué)材料參數(shù)，對(duì)材料組份進(jìn)行了能譜

4、分析，并對(duì)材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電鏡掃描觀察，結(jié)果顯示氧化鋁陶瓷具有強(qiáng)烈的細(xì)觀非均勻性結(jié)構(gòu)特征。 (3)與中國(guó)工程物理研究院沖擊波物理與爆轟物理國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，設(shè)計(jì)實(shí)施了氧化鋁陶瓷平板正碰撞實(shí)驗(yàn)和平板傾斜碰撞實(shí)驗(yàn)。利用Ф100輕氣炮和VISAR測(cè)量了氧化鋁陶瓷在一維應(yīng)變沖擊壓縮下的自由面速度歷程，并對(duì)沖擊回收試件進(jìn)行了電鏡掃描觀察，分析了氧化鋁陶瓷的非彈性變形和破壞行為及損傷材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)氧化鋁陶瓷中存在破壞波的

5、傳播，并且沖擊壓縮應(yīng)力強(qiáng)度提高時(shí)破壞波的傳播速度隨之增加。 (4)利用Ф57壓剪炮和電磁粒子速度計(jì)測(cè)量了壓剪復(fù)合沖擊加載下氧化鋁陶瓷在不同加載強(qiáng)度和傾斜角度下與質(zhì)點(diǎn)速度相關(guān)的電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化規(guī)律，考察了銅飛片撞擊陶瓷試件時(shí)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響并加以消除，并對(duì)沖擊回收試件進(jìn)行了電鏡掃描觀察，分析了剪切沖擊對(duì)氧化鋁陶瓷非彈性變形和破壞行為的影響，發(fā)現(xiàn)剪切沖擊促進(jìn)了氧化鋁陶瓷材料中微裂紋系統(tǒng)的成核與擴(kuò)展。 (5)基于沖擊壓縮下

6、氧化鋁陶瓷的非彈性變形和破壞行為的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合脆性陶瓷在細(xì)觀層次上的材料非均勻性及其導(dǎo)致的應(yīng)力分布的高度奇異性，探討了脆性陶瓷材料Hugoniot彈性極限的演化規(guī)律；認(rèn)為陶瓷材料的Hugoniot彈性極限與沖擊壓縮下材料中沿晶微裂紋向穿晶微裂紋系統(tǒng)的過(guò)渡相對(duì)應(yīng)，并建議在加載強(qiáng)度高于2倍Hugoniot彈性極限的沖擊壓縮下，采用VISAR測(cè)量試件自由面速度的直接測(cè)量方法來(lái)確定高強(qiáng)度脆性陶瓷材料的Hugoniot彈性極限。 (6)

7、基于玻璃、陶瓷等脆性材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的非均勻性分析，提出了沖擊壓縮應(yīng)力低于Hugoniot彈性極限時(shí)產(chǎn)生破壞波的細(xì)觀剪切機(jī)制、基于微裂紋成核與擴(kuò)展的破壞波傳播的細(xì)觀物理機(jī)制以及運(yùn)動(dòng)破碎界面的波動(dòng)本質(zhì)特征，并討論了破壞波弛豫現(xiàn)象的機(jī)械能轉(zhuǎn)化與耗散機(jī)理。 (7)建立了氧化鋁陶瓷在沖擊壓縮下的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系與以表征材料損傷和破壞的非彈性體積應(yīng)變?yōu)閭鞑ヌ卣鞯目刂品匠蹋治隽搜趸X陶瓷發(fā)生非彈性變形和破壞的應(yīng)力條件；聯(lián)系破壞波的傳播特征，進(jìn)一步