專利名稱：材料動態(tài)拉伸斷裂實(shí)驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于沖擊動力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種材料動態(tài)拉伸斷裂實(shí)驗方法，通過該方法能獲取強(qiáng)動載下材料微損傷隨時間演化的物理圖像和數(shù)據(jù)信息。
背景技術(shù)：
層裂(Spallation)是一種典型的動態(tài)拉伸斷裂破壞形式。其中，一維應(yīng)變條件下的層裂(以下簡稱層裂)，是一種最簡單、最重要的拉伸斷裂現(xiàn)象。由于是一維應(yīng)變問題，理論分析較為簡單，而且實(shí)驗上也較易實(shí)現(xiàn)；同時，它包含了材料在強(qiáng)動載荷作用下破壞過程的豐富內(nèi)容。因此，人們在對材料動態(tài)破壞的認(rèn)識過程中，始終把平面層裂問題作為主要內(nèi)容加以研究。目前學(xué)術(shù)界公認(rèn)層裂是由于在拉伸應(yīng)力作用下材料內(nèi)部的微損傷成核、長大以及貫通，最后導(dǎo)致材料發(fā)生災(zāi)變式斷裂的一種損傷演化過程。目前層裂實(shí)驗中最主要的診斷技術(shù)有采用激光速度干涉儀(VISAR)對層裂樣品的自由面粒子速度(歷史或界面速度)剖面進(jìn)行連續(xù)測量；對樣品進(jìn)行軟回收，并借助光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡等儀器對樣品斷口的斷裂特征和損傷程度進(jìn)行細(xì)微觀觀測和表征。自由面粒子速度剖面的 VISAR技術(shù)盡管為實(shí)時的精確測量，但同時也為間接測量，只在宏觀尺度上部分反映了材料內(nèi)部的損傷演化過程。實(shí)驗后軟回收樣品的金相分析不需要復(fù)雜的測試設(shè)備，只要設(shè)計好可靠的回收裝置，避開因回收而引入的二次損傷，就可以直接獲得宏觀層裂形貌、層裂片厚度及損傷程度等信息，但其缺點(diǎn)是只能得到層裂的終態(tài)面貌，不能得到與時間相關(guān)的損傷演化過程信息。層裂實(shí)驗的基本原理是利用飛片撞擊靶板(飛片厚度通常小于靶板厚度，一般情況下兩者厚度比為1/ ，向飛片和靶板中各自產(chǎn)生一個沖擊波，當(dāng)沖擊波到達(dá)飛片后界面(自由面)或者靶板的自由面時，都會被反射形成中心稀疏波。兩束稀疏波相向而行，在靶板中相遇，該區(qū)域產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，如果拉伸應(yīng)力脈沖足夠強(qiáng)，經(jīng)過一定的孕育時間，層裂將會發(fā)生，形成一個新的層裂面或者最大損傷面。材料的損傷演化路徑將隨應(yīng)力幅度、加載應(yīng)變率及拉伸持續(xù)時間等因素的變化而變化。在當(dāng)前的測試技術(shù)水平前提下，上述層裂實(shí)驗原理很難實(shí)現(xiàn)既保證其它因素(應(yīng)力幅度、沖擊硬化效應(yīng)和加載應(yīng)變率等)不變，而又能考察微損傷隨時間演化的物理圖像。例如，通過控制飛片速度產(chǎn)生不同幅值的應(yīng)力加載脈沖，但同時也改變了加載應(yīng)變率、沖擊硬化效應(yīng)等；通過改變飛片的厚度產(chǎn)生不同的拉伸持續(xù)時間，但同時也改變了壓縮持續(xù)時間、 加載應(yīng)變率和沖擊硬化效應(yīng)等因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有層裂實(shí)驗技術(shù)中的很難診斷到在其他因素都相同條件下，材料內(nèi)部微損傷隨時間演化的數(shù)據(jù)信息的缺點(diǎn)，提出一種新的層裂實(shí)驗技術(shù)方案，從而有效“凍結(jié)”層裂實(shí)驗中的微損傷隨時間演化的物理圖象和信息數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的基本思路是將層裂實(shí)驗中的靶板設(shè)計成同質(zhì)材料的雙層靶，即第一層靶板和第二層靶板，兩者之間產(chǎn)生一個不能承受任何拉伸應(yīng)力的界面，同時由于是同質(zhì)材料，受到?jīng)_擊壓縮時的響應(yīng)過程與完整靶板一樣。當(dāng)飛片撞擊第一層靶板后，向飛片和第一層靶板中各自產(chǎn)生一個沖擊波，當(dāng)沖擊波到達(dá)飛片或者靶板的自由面時，都會被反射形成中心稀疏波。兩束稀疏波相遇后相互作用，但第一層靶板和第二層靶板的界面處因不能承受拉伸應(yīng)力而分離，左行稀疏波在界面處反射形成二次壓縮波，并向右傳播，第二層靶板中受到拉伸應(yīng)力的持續(xù)時間將被縮短，但同時材料受到拉伸時的應(yīng)變率不變。實(shí)驗中可以控制飛片厚度、雙層靶樣品總厚度及碰撞速度不變，調(diào)整雙層靶樣品的厚度比(或分層界面的位置)就可以保證有效控制拉伸應(yīng)力持續(xù)時間，進(jìn)而控制損傷演化的進(jìn)程。最終通過對回收雙層靶樣品的微損傷分析，獲取損傷“凍結(jié)”的物理圖象和信息數(shù)據(jù)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的具體技術(shù)方案是一種材料動態(tài)拉伸斷裂實(shí)驗方法，是利用飛片撞擊靶板使靶板產(chǎn)生層裂的方式，其特征在于靶板為緊貼在一起的同質(zhì)材料雙層靶，即第一層靶板和第二層靶板，當(dāng)飛片撞擊第一層靶板后，向飛片和第一層靶板中各自產(chǎn)生一個沖擊波，當(dāng)沖擊波到達(dá)飛片的自由面和第二層靶板的自由面時，都會被反射形成稀疏波，兩束稀疏波相向而行，在第二層靶板或第一層靶板中相遇，產(chǎn)生足夠強(qiáng)的拉伸應(yīng)力，經(jīng)過一定的孕育時間，應(yīng)力拉伸區(qū)域?qū)l(fā)生層裂或損傷，形成一個層裂面或者最大損傷面。所謂緊貼是指理論上只能受壓不能受拉。進(jìn)一步的方案是第一層靶板的厚度小于第二層靶板厚度。這時，兩束稀疏波會在第二層靶板中相遇。反之，兩束稀疏波則會在第一層靶板中相遇。更進(jìn)一步的方案是在同一平面上裝配有多個不同的雙層靶，用一個大飛片對幾個雙層靶同時撞擊。即在一次層裂實(shí)驗中在靶架上裝配幾個不同的雙層靶樣品，用一個大飛片對幾個樣品同時撞擊，同時進(jìn)行自由面速度剖面測量和樣品軟回收。這樣既可保證其他因素完全一樣(僅僅是拉伸弛豫時間不同)，又可以在一次實(shí)驗中獲取多個實(shí)驗數(shù)據(jù)。本發(fā)明的有益效果是首先保證了現(xiàn)有的層裂診斷實(shí)驗裝置仍然可以使用(即完全可以利用現(xiàn)有的實(shí)驗裝置)；其次，在層裂實(shí)驗中方便地控制沖擊壓縮脈沖完全一樣，保證沖擊硬化效應(yīng)一樣，而且材料受到拉伸時的應(yīng)變率一樣，僅僅是拉伸持續(xù)時間不同；再次，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)施方便等等。
四

圖1為現(xiàn)有層裂實(shí)驗原理示意圖。圖2為本發(fā)明的雙層靶樣品分層技術(shù)層裂實(shí)驗原理示意圖。圖3為層裂實(shí)驗裝置示意圖。圖中1、飛片，2、靶板，3、沖擊波，4、稀疏波，5、拉伸區(qū)域，6、拉伸持續(xù)時間，7、二次壓縮波，8、層裂面或最大損傷面，9、界面，10、第一層靶板，11、第二層靶板，12、彈丸，13、靶套，14、動量陷阱環(huán)，15、探針，16、墊圈，17、模盒，18、壓板，19、DPS探頭，20、螺栓，21、配板。 t為時間，χ為物質(zhì)坐標(biāo)，ν為飛片速度。
五具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地描述。
如圖1所示，層裂是由兩稀疏(膨脹)波相互作用(碰撞)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力而形成的。層裂的基本原理是飛片1撞擊靶板2 (飛片厚度小于靶板厚度，一般情況下兩者厚度比為1/2)，向飛片1和靶板2中各自產(chǎn)生一個沖擊波3，當(dāng)沖擊波到達(dá)飛片1自由面和靶板 2的自由面時，都會被反射形成稀疏波4。兩束稀疏波4相向而行，在靶板2中相遇，該區(qū)域產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，如果拉伸應(yīng)力脈沖足夠強(qiáng)，經(jīng)過一定的拉伸持續(xù)時間6，層裂或損傷將會發(fā)生，形成一個層裂面或最大損傷面8。一般情況下，飛片1和靶板2厚度都為幾個毫米，因此，上述演化過程的時間尺度為微秒或壓微秒量級。
結(jié)合圖1和圖2，一種材料動態(tài)拉伸斷裂實(shí)驗方法，是利用飛片1撞擊靶板2使靶板2產(chǎn)生層裂的方式，其特征在于靶板2為緊貼在一起的同質(zhì)材料雙層靶，即第一層靶板 10和第二層靶板11，第一層靶板10的厚度小于第二層靶板11厚度，當(dāng)飛片1撞擊第一層靶板10后，向飛片1和第一層靶板10中各自產(chǎn)生一個沖擊波3，當(dāng)沖擊波3到達(dá)飛片1的自由面和第二層靶板11的自由面時，都會被反射形成稀疏波4，兩束稀疏波4相向而行，在第二層靶板11中相遇，產(chǎn)生足夠強(qiáng)的拉伸應(yīng)力，經(jīng)過一定的拉伸持續(xù)時間6，應(yīng)力拉伸區(qū)域 5將會發(fā)生層裂或損傷，形成一個層裂面或最大損傷面8。
必要時，可以在同一平面上裝配有多個不同的雙層靶，用一個大飛片1對幾個雙層靶同時撞擊。
圖3為層裂實(shí)驗裝置示意圖。在圖3中，完全采用了現(xiàn)有的實(shí)驗裝置。具體為飛片1和彈丸12用環(huán)氧樹脂粘結(jié)，放入高壓氣體炮中，在高壓氣體驅(qū)動下達(dá)到一穩(wěn)定飛行速度，撞擊雙層靶樣品裝置。其中彈丸12和飛片1中心區(qū)域留一定空間，且壁上留一小孔，對氣體炮抽真空后，飛片1撞擊第一層靶板10時飛片后界面(自由面)為真空狀態(tài)。
圖3中靶套13為45#鋼，通過有機(jī)玻璃螺栓20和靶架連接，用于固定樣品裝置。 配板21用于固定樣品，材料為45#鋼，通過螺栓20和靶套13連接，配板21與模盒17之間及第一層靶板10和第二層靶板11樣品通過粘結(jié)劑粘結(jié)(在本實(shí)驗中，粘結(jié)力完全可以忽略)。改變第一層靶板10厚度可控制拉伸持續(xù)時間6，動量陷阱環(huán)14用于防止沖擊加載下邊側(cè)稀疏波進(jìn)入第二層靶板11，保證第二層靶板11滿足一維應(yīng)變條件，其中第一層靶板 10、動量陷阱環(huán)14和第二層靶板11為同一種材料，通過粘結(jié)劑粘結(jié)。探針15插入配板21 上的小孔，用于被飛片1撞擊后觸發(fā)自由面測速系統(tǒng)。墊圈16為回收雙層靶樣品的軟物質(zhì)， 可以是真空橡皮，粘結(jié)于壓板18上。模盒17阻止動量陷進(jìn)環(huán)14和第一層靶板10進(jìn)入回收桶和第二層靶樣品11發(fā)生二次撞擊。DPS探頭19粘結(jié)固定于壓板18，用于實(shí)時對雙層靶樣品自由面速度測量，壓板18和模盒17通過螺紋連接。
權(quán)利要求
1.一種材料動態(tài)拉伸斷裂實(shí)驗方法，是利用飛片⑴撞擊靶板(2)使靶板(2)產(chǎn)生層裂或損傷的方式，其特征在于靶板( 為緊貼在一起的同質(zhì)材料雙層靶，即第一層靶板 (10)和第二層靶板(11)，當(dāng)飛片(1)撞擊第一層靶板(10)后，向飛片(1)和第一層靶板 (10)中各自產(chǎn)生一個沖擊波(3)，當(dāng)沖擊波到達(dá)飛片(1)的自由面和第二層靶板(11)的自由面時，都會被反射形成稀疏波G)，兩束稀疏波(4)相向而行，在第二層靶板(11)或第一層靶板(10)中相遇，產(chǎn)生足夠強(qiáng)的拉伸應(yīng)力，經(jīng)過一定的孕育時間，應(yīng)力拉伸區(qū)域(5)將會發(fā)生層裂或損傷，形成一個層裂面或最大損傷面(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料動態(tài)拉伸斷裂實(shí)驗方法，其特征在于第一層靶板(10) 的厚度小于第二層靶板(11)厚度，層裂面或最大損傷面(8)位于第二層靶板(11)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的材料動態(tài)拉伸斷裂實(shí)驗方法，其特征在于在同一平面上裝配有多個不同的雙層靶，用一個大飛片(1)對幾個雙層靶同時撞擊。
全文摘要
一種材料動態(tài)拉伸斷裂實(shí)驗方法，是利用飛片(1)撞擊靶板(2)使靶板(2)產(chǎn)生層裂或損傷的方式，其特征在于靶板(2)為緊貼在一起的同質(zhì)材料雙層靶，即第一層靶板(10)和第二層靶板(11)，當(dāng)飛片(1)撞擊第一層靶板(10)后，向飛片(1)和第一層靶板(10)中各自產(chǎn)生一個沖擊波(3)，當(dāng)沖擊波到達(dá)飛片(1)的自由面和第二層靶板(11)的自由面時，都會被反射形成稀疏波(4)，兩束稀疏波(4)相向而行，在第二層靶板(11)或第一層靶板(10)中相遇，產(chǎn)生足夠強(qiáng)的拉伸應(yīng)力，經(jīng)過一定的孕育時間，應(yīng)力拉伸區(qū)域(5)將會發(fā)生層裂或損傷，形成一個層裂面或最大損傷面(8)。
文檔編號G01N3/30GK102507346SQ20111029097
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者于繼東, 宋振飛, 朱建士, 李平, 柏勁松, 袁帥, 裴曉陽, 賀紅亮 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所