劉清風(fēng),劉同祥,姜峰

(華僑大學(xué)脆性材料加工技術(shù)教育部工程研究中心,廈門361021)

沖擊壓縮載荷下藍(lán)寶石的動態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)方法(上)①

劉清風(fēng),劉同祥,姜峰

(華僑大學(xué)脆性材料加工技術(shù)教育部工程研究中心,廈門361021)

文章對目前氧化鋁陶瓷動態(tài)力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了相關(guān)的介紹,同時采用霍普金森壓桿技術(shù)對單晶α氧化鋁(藍(lán)寶石)的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了簡單的試驗(yàn),得到其應(yīng)力-應(yīng)變曲線,藍(lán)寶石是一種硬脆材料,受到?jīng)_擊壓縮載荷的作用,會有一定的塑性;進(jìn)而對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理,得到藍(lán)寶石的彈性模量以及高應(yīng)變率下藍(lán)寶石的抗壓強(qiáng)度和失效應(yīng)變。

霍普金森壓桿;動態(tài)力學(xué)性能;藍(lán)寶石

1 引言

在各大工程領(lǐng)域中,大部分的工程材料在工作的過程中受到動載荷的影響,一般來說,材料在強(qiáng)動載荷作用下其主要特征主要有應(yīng)變率效應(yīng)和慣性力效應(yīng)[1],目前,在諸多的工程領(lǐng)域中,如飛鳥撞擊飛行器、石塊或者其它的硬質(zhì)物體與汽車擋風(fēng)玻璃的撞擊、巖石的爆破、工業(yè)中的高速加工、航天器與空間碎片之間的撞擊以及軍事中穿甲彈和防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計等一系列的問題表明,對各種材料的正確選用有利于在一定程度上提高產(chǎn)品的安全系數(shù)[2],可見對材料的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行相關(guān)的研究有著重大的意義;另一方面,在材料的加工過程中,包括切削、磨削、拋光等加工工藝,預(yù)先對待加工工件的材料動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行相關(guān)的了解不僅可以優(yōu)化加工過程中的工藝參數(shù),提高加工效率,還有助于獲得更好的加工表面質(zhì)量。如,在金屬切削過程中的應(yīng)力,一般與應(yīng)變率、等效應(yīng)變以及溫度等因素有著一定的關(guān)系,而通過Hopkinson壓桿試驗(yàn)對材料的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究,可建立其本構(gòu)模型,從而對材料在高應(yīng)變率、高溫以及大應(yīng)變下的流動應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測,使得切削變形的力學(xué)行為模型得到更加真實(shí)的反映,達(dá)到提高高速切削的數(shù)值模擬精度[3]。由此可見,對材料在動載荷作用下的動態(tài)力學(xué)性能的研究有著十分重要的意義。

對材料的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行測試的方法比較多,如姜芳[4]等人采用壓縮試驗(yàn),通過一級輕炮加載,并用傳感器直接測量到壓力與時間的信號曲線,經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理得到鋼筋混凝土的動態(tài)力學(xué)性能;于淼[5]等人設(shè)計了一種磁流變彈性體動態(tài)力學(xué)性能測試系統(tǒng),并利用其測出磁流變彈性體運(yùn)動過程中的剪切力與加速度信號,從而得到磁流變彈性體在剪切模式下的動態(tài)力學(xué)性能參數(shù);汪艷萍[6]等人利用美國TE公司所研發(fā)的DMA-Q800動態(tài)力學(xué)分析儀對硫化天然橡膠進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)、蠕變試驗(yàn)以及應(yīng)力松弛測試,從而得到了硫化天然橡膠的動態(tài)力學(xué)性能;秦亞平[7]等人采用動態(tài)機(jī)械分析儀所獲得的一系列數(shù)據(jù)并應(yīng)用動態(tài)力學(xué)性能的時溫疊加原理求得高聚物的相關(guān)脆性參數(shù),此外還有各種不同的試驗(yàn)方法可以對材料的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行研究,其中,最常用的就是分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)方法。

分離式霍普金森壓桿(簡稱SHPB)又稱為Kolsky桿或Davies桿,運(yùn)用其進(jìn)行測試已經(jīng)成為目前在材料科學(xué)領(lǐng)域中測量材料在高應(yīng)變率下的力學(xué)性能的最主要的試驗(yàn)手段。此方法的基本原理是:通過質(zhì)量塊、子彈或炸藥爆炸產(chǎn)生加速脈沖,對置于兩桿之間的短試樣進(jìn)行加載,同時,在兩桿端部一定距離處的應(yīng)變片將記錄作用于桿端的載荷隨時間的變化過程。

圖1所示即為Hopkinson壓桿試驗(yàn)系統(tǒng),其中該系統(tǒng)中的撞擊桿、入射桿和透射桿均是由高強(qiáng)度合金鋼加工而成,同時,撞擊桿、入射桿、透射桿的兩個端面以及試件之間的接觸面具有極高的粗糙度與平面度的要求,壓桿則通過支座固定在底座上且對各桿之間具有極高的同軸度要求。兩根壓桿與試件之間接觸面加工得很平整以保證試樣與壓桿端面之間能夠充分接觸,使得應(yīng)力波在傳播過程中無散射發(fā)生。另一方面,撞擊桿、入射桿和透射桿必須具有相同的直徑,但撞擊桿的長度須小于入射桿和透射桿的長度。該系統(tǒng)采用氣動充氣裝置,使撞擊桿產(chǎn)生一定的速度撞擊入射桿。入射桿在受到撞擊后應(yīng)力脈沖在其中進(jìn)行傳播,然而當(dāng)應(yīng)力波傳播到入射桿與試樣的接觸面時,由于波阻抗不匹配被分成兩部分,其中一部分被反射回來在入射桿中形成反射波,另一部分則通過試樣投射到透射桿中,形成透射波,反射波和透射波的完整波形則分別被粘貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片所記錄,至于反射波和透射波的形狀和幅值則由試樣材料的自身性質(zhì)決定。

圖1 Hopkinson壓桿測試系統(tǒng)Fig.1 Hopkinson pressure bar test system

2 綜述

相對于金屬材料而言,硬脆材料的硬度、脆性、耐磨性、耐腐蝕性以及抗氧化性相對較強(qiáng),同時其加工難度也比較大[8]。隨著硬脆材料的應(yīng)用日趨廣泛,如氧化鋁陶瓷由于有機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣電阻大、硬度高、耐磨、耐腐蝕及耐高溫等一系列優(yōu)良性能,使其在紡織、陶瓷、石油、化工、建筑及電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[9],因而對硬脆材料的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行相關(guān)研究有著重大的意義。然而對于硬脆材料的動態(tài)力學(xué)性能研究的試驗(yàn)難度比較大,而且這方面的研究相對較少。以下是對氧化鋁陶瓷的一些相關(guān)研究。

新加坡南洋理工大學(xué)的Zeming He,J.Ma[10]等人采用分離式霍普金森壓桿對氧化鋁陶瓷的致密層和多孔層的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。試驗(yàn)中添加聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以在氧化鋁陶瓷的多孔層產(chǎn)生氣孔,結(jié)果表明,對固定空隙材料,其屈服應(yīng)力隨著撞擊速度的增加而增加;同時,在相同的應(yīng)變率下,在分層體系中隨著孔隙率的增加其屈服階段延長,且屈服應(yīng)力隨著下降。另一方面,其制備的氧化鋁陶瓷試樣所表現(xiàn)出來的動態(tài)斷裂行為與鋁合金泡沫類似,而致密的氧化鋁陶瓷的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與靜態(tài)的相似。圖2、圖3為氧化鋁陶瓷的SHPB試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 添加60%PMMA試樣在不同沖擊速度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[10]Fig.2 Stress-strain curves at different impact velocities for the sample with 60 vol%PMMA added

圖3 添加不同體積比的PMMA在應(yīng)變率為3500s-1時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[10]Fig.3 Stress-strain curves at strain rate of 3500s-1for the sample with different volume ratio of PMMA added

黃良釗、張安平[11]采用分離式霍普金森壓桿技術(shù)對三種不同成分的氧化鋁陶瓷——99瓷(99%Al2O3+1%Mg Al2O4),97瓷(99瓷+3%滑石),95瓷(99瓷+5%滑石)的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明氧化鋁陶瓷的抗壓強(qiáng)度隨沖擊速度的增大有著顯著性的提高,同時,陶瓷隨著氧化鋁含量的增加其抗壓強(qiáng)度也有著明顯的提高;另一方面,Al2O3陶瓷的動態(tài)性能與抗彈能力的相關(guān)性強(qiáng)于靜態(tài)性能與抗彈能力的相關(guān)性。圖4為99瓷在不同打擊速度(20m/s、30m/s、35m/s)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖4 典型波形圖[11]Fig.4 Typical oscillogram

李平[12]等人對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的Al2O3陶瓷進(jìn)行了平面飛片碰撞試驗(yàn),結(jié)果表明,Al2O3陶瓷在沖擊應(yīng)力為11.0GPa范圍內(nèi)的塑性區(qū)壓縮特性彌散行為較為明顯,而在遠(yuǎn)低于Al2O3陶瓷材料的Hugoniot彈性極限時則出現(xiàn)明顯的破壞波效應(yīng)。圖5為雨貢紐聲速隨沖擊力變化曲線。

圖5 雨貢紐聲速隨沖擊壓力變化(與靜壓比較)[12]Fig.5 Hugoniot sound velocity changes with shock compression stress(compared with static pressure)

段卓平[13]等人采用一級輕氣炮進(jìn)行了同質(zhì)抗彈陶瓷材料飛片與靶板的撞擊試驗(yàn),在一維撞擊試驗(yàn)中,通過改變沖擊載荷的大小,得到了氧化鋁陶瓷的動態(tài)縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力、動態(tài)剪切應(yīng)力和Hugoniot彈性極限和剪切強(qiáng)度值,為氧化鋁陶瓷的動態(tài)本構(gòu)關(guān)系、抗彈性能以及破壞機(jī)理提供了理論依據(jù)。

李英雷[14]等人采用改進(jìn)的SHPB技術(shù)對A95陶瓷材料進(jìn)行了相關(guān)研究,通過試驗(yàn)得到了A95陶瓷在高應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及破壞強(qiáng)度,如圖6所示,且其應(yīng)力-應(yīng)變存在明顯的線性關(guān)系,斜率值與A95陶瓷的楊氏模量相等。

圖6 A95陶瓷的高應(yīng)變率壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞強(qiáng)度[14]Fig.6 The high strain-rate compression stress-strain curve and breaking strength of A95 cereamic

張曉晴[15]等人采用改進(jìn)的SHPB試驗(yàn)方法對氧化鋁陶瓷的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,氧化鋁陶瓷為彈脆性材料,其動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變之間并不存在線性關(guān)系,另一方面,Al2O3陶瓷材料的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在較高的應(yīng)變率范圍內(nèi)是與應(yīng)變率相關(guān)的,而隨著應(yīng)變率的增大,其初始彈性模量、破壞應(yīng)力以及破壞應(yīng)變值也隨之增大。圖7為試驗(yàn)所測得的原始波形,圖8為不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖7 原始波形[15]Fig.7 The original oscillogram

石志勇[16]等人采用SHPB技術(shù)對氧化鋁陶瓷進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn),結(jié)果表明,氧化鋁陶瓷是應(yīng)變率敏感材料。

徐松林[17]等人利用SHPB技術(shù)對高孔隙率Al2O3微孔陶瓷的沖擊性能進(jìn)行了相關(guān)的研究,結(jié)果表明,該材料的強(qiáng)度和模量在加載率較低的情況下有著明顯的應(yīng)變率敏感效應(yīng),但其應(yīng)變率效應(yīng)會隨著加載速率的增加而表現(xiàn)出相反的規(guī)律,而在加載率更高的情況下表現(xiàn)得不敏感。

圖8 不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線[15]Fig.8 Stress-strain curves under different strain rates (a)True stress-strain curve (b)Stain rate-time curve

王璀軼[18]等人采用入射波整形技術(shù)對Al2O3陶瓷進(jìn)行了分離式霍普金森壓桿動態(tài)壓縮試驗(yàn)。結(jié)果表明,將應(yīng)變片直接貼在試樣上面,同時結(jié)合入射波整形技術(shù),測量出來的高強(qiáng)度脆性材料在高應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也能達(dá)到很準(zhǔn)確的效果;對于氧化鋁陶瓷而言,其動態(tài)力學(xué)行為在應(yīng)變率較低時不具有應(yīng)變率效應(yīng),而其彈性模量在不同的應(yīng)變率下均較穩(wěn)定,約為360GPa,與靜態(tài)模量相近;另一方面,其斷裂強(qiáng)度在低應(yīng)變率下也趨于穩(wěn)定,約為3300MPa。圖9所示即為Al2O3陶瓷不同應(yīng)變率時SHPB試驗(yàn)結(jié)果。

圖9 Al2O3陶瓷不同應(yīng)變率SHPB試驗(yàn)結(jié)果[18]Fig.9 SHPB test result of Curves of Al2O3ceramics under different strain rates

(下期續(xù)完)

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The Test Method for Dynamic Mechanical Performance of Sapphire under the Shock Compression Loading

LIU Qing-feng,LIU Tong-xiang,JIANG Feng
(Engineering Research Center of Brittle Materials Process Technology,Huaqiao University,Xiamen 361021,China)

This article gives introduction to the current status of the research of the dynamic mechanical performance of alumina ceramics.Meanwhile,a simple test to the dynamic mechanical performance of monocrystalαaluminium oxide(sapphire)has been conducted by the Hopkison pressure bar technique and the stress-strain curve has been obtained. Sapphire is a kind of brittle material which shows a certain plasticity under the shock compression loading.The elastic modulus of the sapphire and the compressive strength and failure strains of it under the high strain rate have been also obtained by data processing.

Hopkinson Pressure Bar;dynamic mechanical performance;sapphire

TQ164

A

1673-1433(2014)03-0014-05

2014-06-25

劉清風(fēng)(1990-),男,碩士研究生,主要從事硬脆性材料去除機(jī)理的研究。

姜峰(1981-),男,副教授,主要從事硬脆性材料去除機(jī)理的研究,E-mail:jiangfeng@hqu.edu.cn