动态加载下脆性材料非均匀变形演化研究

发布时间：2020-06-21 23:44

【摘要】：现实世界中的材料通常具有不均匀的内部结构。从结构的非均匀性出发,材料在外部载荷作用下的变形也是不均匀的,会出现应力/应变集中现象,而材料的损伤和破坏往往由这些集中区域开始。材料变形的非均匀性问题已被广泛研究,但大都将重心放在非均匀程度的表征和非均匀变形对材料宏观性能的影响之上。相对而言,材料变形非均匀性形成的细微观机理以及动态变形过程中非均匀性的演化形式研究尚显匮乏。本文希望通过实验和理论上的探索,将材料非均匀变形的起始与演化过程完整地展现出来。本文的主要研究对象是脆性固体与颗粒材料。固体材料的结构非均匀性体现在其内部含有长度、方向不一的或张开或闭合的微裂纹;颗粒材料的结构非均匀性体现在其由尺寸、形状各异的颗粒和孔洞堆积而成。本文首先通过在传统的动静态加载装置,即分离式霍普金森压杆和MTS材料试验机上添加带有对称双斜面的垫块,对花岗岩材料进行了不同变形速率、不同加载路径的压剪复合加载。利用高速摄影和数字图像相关方法,获取了花岗岩表面的横向拉伸和最大剪切应变场。基于二维应变场,引入应变演化速率和损伤成核率两个函数,建立材料表观变形与内部裂纹生长状况的联系,推导了应变场的统计演化方程,以从细观尺度揭示非均匀变形演化机理。花岗岩材料具有明显的应变率效应,通过演化方程计算发现,高应变率会造成局部应变演化速率的加快和损伤成核率的升高。因此随着加载速率的提高,花岗岩中应力/应变集中区域变形速率更快,更多的微裂纹会被激活,造成应变场具有高度的非均匀性,局部应变值呈现双峰Weibull分布特征,其中第一峰代表材料基体部分的准弹性变形,第二峰代表材料损伤部分准弹性变形与裂纹成核扩展诱发变形的叠加。高应变率下大量的裂纹成核需要外界载荷提供更多的能量,花岗岩的破坏强度也更高。同时,花岗岩材料具有剪切敏感性,当应力路径中存在剪切分量时,应变场演化过程中的局部应变演化速率和损伤成核率略有提升,导致应变非均匀局部化和裂纹成核扩展过程更容易发生,相应地材料压缩破坏强度也有所下降。为研究材料内部结构的非均匀变形,在使用小型MTS材料试验机和小型霍普金森压杆对碳化硼粉末分别进行准静态和动态压缩加载的同时,利用原位X射线成像技术拍摄粉末中颗粒的运动过程,并利用数字图像相关方法计算粉末内部应变场。准静态压缩下,粉末的压实是整体性的,颗粒堆积较疏松时,压实过程以颗粒平动为主,表现为正应变,应变场基本均匀;颗粒堆积较密实时,压实过程以颗粒旋转滑移填充孔隙为主,表现为剪应变,应变场呈现一定的非均匀性。动态压缩下,粉末中存在压实阵面以60-70 m/s的速度沿加载方向传播。阵面前方为未压实区域,变形小且均匀。阵面后方的压实区域,具有高度非均匀的应变场。来源于随变形速率提升而发生的压、剪转化过程,压实区域的变形由颗粒的旋转和滑移主导,且这种旋转也具有成核、发展和愈合的特征。提出了等效剪切激活机制来描述动态压实的成核。建立弛豫-扩散模型模拟动态压实阵面以有限速度传播的过程,当粉末堆积达到一定密实程度时,模拟效果较好。变形非均匀性和颗粒旋转滑移程度的提升都能促进动态压实的发展。相比于X射线成像,X射线衍射方法在材料细微观尺度变形测量中具有更高的分辨能力。结合X射线成像与衍射技术,使用小型霍普金森压杆对两种孔隙度的碳化硼固体进行了动态单轴压缩实验。高孔隙度固体颗粒之间粘着力较小,冲击压缩下经历短暂的变形非均匀性线性升高过程后,迅速发生粉碎性破坏,且破坏强度较低。低孔隙度固体的颗粒粘着力较大,虽有大量拉伸和剪切裂纹成核,但无法连接成为裂纹网络,经历持续时间较长的变形非均匀性线性升高,以及衍射峰的强度降低和劈裂过程后,发生由主裂纹贯穿造成的解离性破坏。通过弛豫-扩散模型计算,得出低孔隙度固体中破碎阵面的传播速度约为2000 m/s,材料破碎程度整体上升的同时,局部具有轻微的不均匀分布。本文所研究的脆性固体和颗粒材料实际上都是由颗粒堆积而成的,区别只在颗粒间粘着力的大小。基于颗粒微力学机制,可以得到颗粒材料的非线性弹性本构关系。分别在静水压和一维应变状态下利用该本构进行计算,可以得到压剪耦合作用下的材料实际体积压缩模量和剪切模量,与颗粒相对堆积密度、颗粒自身体积压缩模量和剪切模量有关,同时受体应变和偏应变的大小控制。非线性弹性本构关系具有明显的应变率效应,当材料的变形非均匀性和剪切变形程度升高时,整体应力随应变的增长速率加快。另外,颗粒材料中的纵波和横波波速也会受到压剪耦合效应影响,剪切分量的增大会造成纵波波速降低以及横波波速升高,但当剪切分量过大时,横波波速会出现一定程度的降低。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：

脆性固体,颗粒材料,非均匀变形,金属材料

Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ，邋（ａ）邋ｍｅｔａｌｓ，邋（ｂ）邋ｂｒｉｔｔｌｅ邋ｓｏｌｉｄ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ，邋（ｃ）逡逑ｇｒａｎｕｌａｒ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ．逡逑如图１．２所示，起源于内部结构的非均匀性，各类材料在经受外部载荷时，逡逑即使整体变形是规则的（如单纯的拉伸或压缩），其中不同局部的变形也会具有非逡逑均匀性。下面将以脆性固体材料和脆性颗粒材料为例，具体说明非均匀结构与不逡逑均匀变形的关联。逡逑脆性固体材料内部的非均匀结构存在大量的张开或闭合微裂纹，会随着外部逡逑载荷发生变化，部分微裂纹经过成核、扩展和聚合为宏观裂纹的过程，造成脆性逡逑材料整体破坏％？］。脆性材料在单向压缩载荷作用下，归功于微裂纹的随机取向逡逑和矿物、骨料颗粒等的异质性，就可能存在局部的拉伸和剪切应力集中［１＿２］。而脆逡逑性材料的力学性能对拉伸和剪切更为敏感＾３２１，这种敏感性体现在外部的拉伸逡逑和剪切载荷相对于压缩载荷能够诱发更多的微裂纹被激活

霍普金森压杆,原位,成像,相机

Ｆｉｇ邋１．３邋Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｂａｒ邋ｄｅｖｉｃｅ邋ｉｎ邋ｃｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎ邋ｗｉｔｈ邋ｔｈｅ邋ｉｎ－ｓｉｔｕ邋ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ邋Ｘ￣ｒａｙ邋ｉｍａｇｉｎｇ逡逑ａｎｄ邋ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ．逡逑图１．３展示了霍普金森压杆（ＳＨＰＢ）装置结合同时原位Ｘ射线成像和衍射系逡逑统的设计图。单色或包含多种波长的Ｘ射线穿过非均匀材料后，绝大部分继续逡逑沿直线传播，另有一小部分由于衍射作用偏折一定角度传播，利用闪烁体将Ｘ射逡逑线转化为可见光，并被成像或衍射相机记录［４Ｇ］。在高速冲击实验中，相机的触发逡逑时间延迟需要精确到毫秒甚至微秒，以确保拍摄所需的材料变形阶段。目前相机逡逑的拍摄速率能达到１＃量级，分辨率能达到数百ｄｐｉ，可以记录到足量的材料动逡逑态变形信息［５７，６５］。逡逑１．２．２数字图像相关方法逡逑传统的变形测试方法，如应变片、引伸计等，只能获取材料宏观尺度的整体逡逑变形。对于非均匀的变形场

【参考文献】