CN102507346A - 材料动态拉伸断裂实验方法 - Google Patents

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朱建士
贺红亮
李平
宋振飞
于继东
柏劲松
袁帅
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Abstract

一种材料动态拉伸断裂实验方法，是利用飞片(1)撞击靶板(2)使靶板(2)产生层裂或损伤的方式，其特征在于：靶板(2)为紧贴在一起的同质材料双层靶，即第一层靶板(10)和第二层靶板(11)，当飞片(1)撞击第一层靶板(10)后，向飞片(1)和第一层靶板(10)中各自产生一个冲击波(3)，当冲击波到达飞片(1)的自由面和第二层靶板(11)的自由面时，都会被反射形成稀疏波(4)，两束稀疏波(4)相向而行，在第二层靶板(11)或第一层靶板(10)中相遇，产生足够强的拉伸应力，经过一定的孕育时间，应力拉伸区域(5)将会发生层裂或损伤，形成一个层裂面或最大损伤面(8)。

Description

材料动态拉伸断裂实验方法
一、技术领域
本发明属于冲击动力学领域，具体涉及一种材料动态拉伸断裂实验方法，通过该方法能获取强动载下材料微损伤随时间演化的物理图像和数据信息。 
二、背景技术
层裂(Spallation)是一种典型的动态拉伸断裂破坏形式。其中，一维应变条件下的层裂(以下简称层裂)，是一种最简单、最重要的拉伸断裂现象。由于是一维应变问题，理论分析较为简单，而且实验上也较易实现；同时，它包含了材料在强动载荷作用下破坏过程的丰富内容。因此，人们在对材料动态破坏的认识过程中，始终把平面层裂问题作为主要内容加以研究。 
目前学术界公认：层裂是由于在拉伸应力作用下材料内部的微损伤成核、长大以及贯通，最后导致材料发生灾变式断裂的一种损伤演化过程。目前层裂实验中最主要的诊断技术有：采用激光速度干涉仪(VISAR)对层裂样品的自由面粒子速度(历史或界面速度)剖面进行连续测量；对样品进行软回收，并借助光学显微镜、扫描电镜、透射电镜等仪器对样品断口的断裂特征和损伤程度进行细微观观测和表征。自由面粒子速度剖面的VISAR技术尽管为实时的精确测量，但同时也为间接测量，只在宏观尺度上部分反映了材料内部的损伤演化过程。实验后软回收样品的金相分析不需要复杂的测试设备，只要设计好可靠的回收装置，避开因回收而引入的二次损伤，就可以直接获得宏观层裂形貌、层裂片厚度及 损伤程度等信息，但其缺点是只能得到层裂的终态面貌，不能得到与时间相关的损伤演化过程信息。 
层裂实验的基本原理是：利用飞片撞击靶板(飞片厚度通常小于靶板厚度，一般情况下两者厚度比为1/2)，向飞片和靶板中各自产生一个冲击波，当冲击波到达飞片后界面(自由面)或者靶板的自由面时，都会被反射形成中心稀疏波。两束稀疏波相向而行，在靶板中相遇，该区域产生拉伸应力，如果拉伸应力脉冲足够强，经过一定的孕育时间，层裂将会发生，形成一个新的层裂面或者最大损伤面。 
材料的损伤演化路径将随应力幅度、加载应变率及拉伸持续时间等因素的变化而变化。在当前的测试技术水平前提下，上述层裂实验原理很难实现既保证其它因素(应力幅度、冲击硬化效应和加载应变率等)不变，而又能考察微损伤随时间演化的物理图像。例如，通过控制飞片速度产生不同幅值的应力加载脉冲，但同时也改变了加载应变率、冲击硬化效应等；通过改变飞片的厚度产生不同的拉伸持续时间，但同时也改变了压缩持续时间、加载应变率和冲击硬化效应等因素。 
三、发明内容
本发明的目的是克服现有层裂实验技术中的很难诊断到在其他因素都相同条件下，材料内部微损伤随时间演化的数据信息的缺点，提出一种新的层裂实验技术方案，从而有效“冻结”层裂实验中的微损伤随时间演化的物理图象和信息数据。 
本发明的基本思路是：将层裂实验中的靶板设计成同质材料的双层靶，即第一层靶板和第二层靶板，两者之间产生一个不能承受任何拉伸应力的界面，同时由于是同质材料，受到冲击压缩时的响应过程与完整靶板一样。当飞片撞击第一层靶板后，向飞片和第一层靶板中各自产生 一个冲击波，当冲击波到达飞片或者靶板的自由面时，都会被反射形成中心稀疏波。两束稀疏波相遇后相互作用，但第一层靶板和第二层靶板的界面处因不能承受拉伸应力而分离，左行稀疏波在界面处反射形成二次压缩波，并向右传播，第二层靶板中受到拉伸应力的持续时间将被缩短，但同时材料受到拉伸时的应变率不变。实验中可以控制飞片厚度、双层靶样品总厚度及碰撞速度不变，调整双层靶样品的厚度比(或分层界面的位置)就可以保证有效控制拉伸应力持续时间，进而控制损伤演化的进程。最终通过对回收双层靶样品的微损伤分析，获取损伤“冻结”的物理图象和信息数据。 
本发明解决其技术问题所采用的具体技术方案是：一种材料动态拉伸断裂实验方法，是利用飞片撞击靶板使靶板产生层裂的方式，其特征在于：靶板为紧贴在一起的同质材料双层靶，即第一层靶板和第二层靶板，当飞片撞击第一层靶板后，向飞片和第一层靶板中各自产生一个冲击波，当冲击波到达飞片的自由面和第二层靶板的自由面时，都会被反射形成稀疏波，两束稀疏波相向而行，在第二层靶板或第一层靶板中相遇，产生足够强的拉伸应力，经过一定的孕育时间，应力拉伸区域将会发生层裂或损伤，形成一个层裂面或者最大损伤面。所谓紧贴是指理论上只能受压不能受拉。 
进一步的方案是：第一层靶板的厚度小于第二层靶板厚度。这时，两束稀疏波会在第二层靶板中相遇。反之，两束稀疏波则会在第一层靶板中相遇。 
更进一步的方案是：在同一平面上装配有多个不同的双层靶，用一个大飞片对几个双层靶同时撞击。即在一次层裂实验中在靶架上装配几个不同的双层靶样品，用一个大飞片对几个样品同时撞击，同时进行自 由面速度剖面测量和样品软回收。这样既可保证其他因素完全一样(仅仅是拉伸弛豫时间不同)，又可以在一次实验中获取多个实验数据。 
本发明的有益效果是：首先保证了现有的层裂诊断实验装置仍然可以使用(即完全可以利用现有的实验装置)；其次，在层裂实验中方便地控制冲击压缩脉冲完全一样，保证冲击硬化效应一样，而且材料受到拉伸时的应变率一样，仅仅是拉伸持续时间不同；再次，结构简单，实施方便等等。 
四、附图说明
图1为现有层裂实验原理示意图。 
图2为本发明的双层靶样品分层技术层裂实验原理示意图。 
图3为层裂实验装置示意图。 
图中：1、飞片，2、靶板，3、冲击波，4、稀疏波，5、拉伸区域，6、拉伸持续时间，7、二次压缩波，8、层裂面或最大损伤面，9、界面，10、第一层靶板，11、第二层靶板，12、弹丸，13、靶套，14、动量陷阱环，15、探针，16、垫圈，17、模盒，18、压板，19、DPS探头，20、螺栓，21、配板。t为时间，x为物质坐标，v为飞片速度。 
五、具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细地描述。 
如图1所示，层裂是由两稀疏(膨胀)波相互作用(碰撞)产生拉伸应力而形成的。层裂的基本原理是：飞片1撞击靶板2(飞片厚度小于靶板厚度，一般情况下两者厚度比为1/2)，向飞片1和靶板2中各自产生一个冲击波3，当冲击波到达飞片1自由面和靶板2的自由面时，都会被反射形成稀疏波4。两束稀疏波4相向而行，在靶板2中相遇，该区域产生拉伸应力，如果拉伸应力脉冲足够强，经过一定的拉伸持续时间6，层裂或损 伤将会发生，形成一个层裂面或最大损伤面8。一般情况下，飞片1和靶板2厚度都为几个毫米，因此，上述演化过程的时间尺度为微秒或压微秒量级。 
结合图1和图2，一种材料动态拉伸断裂实验方法，是利用飞片1撞击靶板2使靶板2产生层裂的方式，其特征在于：靶板2为紧贴在一起的同质材料双层靶，即第一层靶板10和第二层靶板11，第一层靶板10的厚度小于第二层靶板11厚度，当飞片1撞击第一层靶板10后，向飞片1和第一层靶板10中各自产生一个冲击波3，当冲击波3到达飞片1的自由面和第二层靶板11的自由面时，都会被反射形成稀疏波4，两束稀疏波4相向而行，在第二层靶板11中相遇，产生足够强的拉伸应力，经过一定的拉伸持续时间6，应力拉伸区域5将会发生层裂或损伤，形成一个层裂面或最大损伤面8。 
必要时，可以在同一平面上装配有多个不同的双层靶，用一个大飞片1对几个双层靶同时撞击。 
图3为层裂实验装置示意图。在图3中，完全采用了现有的实验装置。具体为：飞片1和弹丸12用环氧树脂粘结，放入高压气体炮中，在高压气体驱动下达到一稳定飞行速度，撞击双层靶样品装置。其中弹丸12和飞片1中心区域留一定空间，且壁上留一小孔，对气体炮抽真空后，飞片1撞击第一层靶板10时飞片后界面(自由面)为真空状态。 
图3中靶套13为45#钢，通过有机玻璃螺栓20和靶架连接，用于固定样品装置。配板21用于固定样品，材料为45#钢，通过螺栓20和靶套13连接，配板21与模盒17之间及第一层靶板10和第二层靶板11样品通过粘结剂粘结(在本实验中，粘结力完全可以忽略)。改变第一层靶板10厚度可控制拉伸持续时间6，动量陷阱环14用于防止冲击加载下边侧稀疏波进入 第二层靶板11，保证第二层靶板11满足一维应变条件，其中第一层靶板10、动量陷阱环14和第二层靶板11为同一种材料，通过粘结剂粘结。探针15插入配板21上的小孔，用于被飞片1撞击后触发自由面测速系统。垫圈16为回收双层靶样品的软物质，可以是真空橡皮，粘结于压板18上。模盒17阻止动量陷进环14和第一层靶板10进入回收桶和第二层靶样品11发生二次撞击。DPS探头19粘结固定于压板18，用于实时对双层靶样品自由面速度测量，压板18和模盒17通过螺纹连接。 

Claims (3)

1.一种材料动态拉伸断裂实验方法，是利用飞片(1)撞击靶板(2)使靶板(2)产生层裂或损伤的方式，其特征在于：靶板(2)为紧贴在一起的同质材料双层靶，即第一层靶板(10)和第二层靶板(11)，当飞片(1)撞击第一层靶板(10)后，向飞片(1)和第一层靶板(10)中各自产生一个冲击波(3)，当冲击波到达飞片(1)的自由面和第二层靶板(11)的自由面时，都会被反射形成稀疏波(4)，两束稀疏波(4)相向而行，在第二层靶板(11)或第一层靶板(10)中相遇，产生足够强的拉伸应力，经过一定的孕育时间，应力拉伸区域(5)将会发生层裂或损伤，形成一个层裂面或最大损伤面(8)。
2.根据权利要求1所述的材料动态拉伸断裂实验方法，其特征在于：第一层靶板(10)的厚度小于第二层靶板(11)厚度，层裂面或最大损伤面(8)位于第二层靶板(11)中。
3.根据权利要求1或2所述的材料动态拉伸断裂实验方法，其特征在于：在同一平面上装配有多个不同的双层靶，用一个大飞片(1)对几个双层靶同时撞击。
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