平板沖擊加載下陶瓷材料的破壞力學(xué)行為研究.pdf

1、與延性材料相比，陶瓷材料因其高強(qiáng)度、高硬度、抗高溫以及低密度等優(yōu)良的物理力學(xué)性能已成為一種常用的輕質(zhì)裝甲防護(hù)材料，廣泛地應(yīng)用于國(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)載下的力學(xué)響應(yīng)和破壞行為與其抗沖擊性能密切相關(guān)，一直是沖擊動(dòng)力學(xué)界的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。目前，對(duì)陶瓷材料沖擊壓縮破壞行為的研究多集中在實(shí)驗(yàn)工作和唯象認(rèn)識(shí)，尚缺乏統(tǒng)一的理論模型對(duì)其破壞機(jī)理和演化過(guò)程的物理本質(zhì)進(jìn)行描述。因此，深入研究陶瓷材料的沖擊壓縮破壞行為可為陶瓷防護(hù)裝甲設(shè)

2、計(jì)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　論文在充分調(diào)研陶瓷材料在強(qiáng)動(dòng)載作用下力學(xué)響應(yīng)和破壞行為分析等諸多關(guān)鍵問(wèn)題研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，以A95氧化鋁陶瓷為主要研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段系統(tǒng)地研究了陶瓷等脆性材料在沖擊壓縮下的波動(dòng)過(guò)程以及破壞力學(xué)行為，對(duì)陶瓷材料的沖擊壓縮破壞機(jī)理以及演化形式進(jìn)行了詳細(xì)的論述和分析。本論文的主要的研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下：
　　1.對(duì)陶瓷類脆性材料在沖擊加載下的

3、破壞形式、動(dòng)態(tài)損傷模型以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測(cè)試手段等研究成果進(jìn)行了回顧。著重考察了玻璃、陶瓷中以破壞波形式為代表的沖擊壓縮破壞現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀，對(duì)破壞波的物理力學(xué)特性以及形成和傳播的物理機(jī)制等進(jìn)行了綜述。
　　2.設(shè)計(jì)完成了氧化鋁陶瓷雙點(diǎn)樣品平板沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，利用VISAR測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量了不同厚度的氧化鋁陶瓷試件的自由面速度歷程，并對(duì)沖擊回收試件進(jìn)行了金相分析。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)氧化鋁陶瓷的非彈性響應(yīng)及破壞特性進(jìn)行了分析，得出在本實(shí)驗(yàn)沖擊壓力下

4、試件發(fā)生了強(qiáng)烈的破碎現(xiàn)象，其破壞模式主要由微裂紋的成核、擴(kuò)展過(guò)程主導(dǎo)，并未發(fā)生明顯的塑性變形。
　　3.在回顧Hugoniot彈性極限初始定義的基礎(chǔ)上，聯(lián)系陶瓷材料的破壞特性，采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則建立了陶瓷材料的Hugoniot彈性極限與剪切強(qiáng)度的關(guān)系表達(dá)式；結(jié)合已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果探討了沖擊強(qiáng)度、應(yīng)變率以及材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)Hugoniot彈性極限演化規(guī)律的影響。
　　4.研究了無(wú)限彈性介質(zhì)中含偏斜波動(dòng)模式的應(yīng)力波理

5、論，對(duì)體積波、偏斜波和旋轉(zhuǎn)波的波動(dòng)方程性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)行為特性以及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了分析。將該應(yīng)力波理論應(yīng)用到平板沖擊壓縮狀態(tài)，得到該狀態(tài)下材料內(nèi)存在體積波和偏斜波兩種波動(dòng)模式，利用間斷面理論研究了體積波和偏斜波的傳播過(guò)程及界面效應(yīng)。
　　5.基于修正的應(yīng)力波理論，并聯(lián)系陶瓷材料細(xì)觀非均勻性結(jié)構(gòu)特征，給出破壞波形成的物理機(jī)制：1）材料內(nèi)部要具有一定的細(xì)觀非均勻性，即包含原生的微裂紋、微孔隙等缺陷；2）沖擊壓縮加載下，材料內(nèi)須產(chǎn)生足夠

6、的偏斜變形能或剪切變形能，即偏斜波的強(qiáng)度要超過(guò)材料的破壞閾值。結(jié)合破壞陣面?zhèn)鞑サ募?xì)觀物理機(jī)制，探討了破壞波傳播過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化機(jī)理，指出破壞波過(guò)后材料中的偏斜變形能逐漸轉(zhuǎn)化為體積變形能。
　　6.根據(jù)跨越破壞陣面控制材料力學(xué)行為的偏微分方程類型轉(zhuǎn)變分析以及聯(lián)系破壞波的傳播特征，認(rèn)為破壞波的傳播過(guò)程應(yīng)為一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程，而非傳統(tǒng)的波動(dòng)過(guò)程。建立了以表征材料損傷及破壞的微裂紋濃度為傳播特征的擴(kuò)散控制方程及相應(yīng)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，進(jìn)一步數(shù)值模擬