研究动态断裂与碎裂温度依赖性的方法

摘要

断裂与碎裂是动态加载条件下的晚期现象，通常使用炸药进行研究。我们介绍一种利用气体炮驱动材料膨胀的技术，该技术能够独特地控制加载速率和样品温度。

摘要

物体的动态断裂是一种通常在简化条件下研究的晚期现象，其中样品在均匀的应力和应变率下发生变形。这种条件可通过均匀加载圆柱体内表面来实现。由于轴对称性，当圆柱体膨胀时，其壁面会受到沿圆周方向均匀分布的环向拉伸应力。尽管存在多种产生此类膨胀的技术，如炸药驱动、电磁驱动以及现有的气体炮技术，但这些方法均受限于样品圆柱体必须处于室温条件。本文介绍一种新型的气体炮方法，可在150 K至800 K温度范围内对圆柱体样品进行具有高度一致性与可重复性的加载实验。这些配备高精度诊断的实验用于研究温度对导致失效的断裂机制的影响，以及其对碎片分布统计特性的相应影响。实验构型采用一个置于目标圆柱体内部的钢制尖头体（ogive），其尖端位于圆柱体约一半深度处。使用单级轻气炮将聚碳酸酯弹丸以1,000 m/sec^-1的速度射入圆柱体内部。弹丸撞击后绕刚性尖头体流动，从而从内部驱动样品圆柱体膨胀。采用非变形的尖头体插入件，使我们能够在圆柱体后部内部安装温度控制装置。利用液氮（LN₂）进行冷却，通过电阻式大电流负载实现加热。多通道上变频光子多普勒测速仪（PDV）用于追踪圆柱体沿周向的膨胀速度，从而实现与计算机模拟结果的直接对比；同时采用高速成像技术测量样品至断裂时的应变。回收的圆柱体碎片还经过光学显微镜和电子显微镜分析，以确定其失效机制。

引言

材料的动态失效是其整体力学行为的重要方面，在汽车、航空航天和军事等多个行业中具有重要意义。虽然低应变率下的失效通常通过传统的拉伸试验进行研究——即对细长试样从两端施加拉力——但在高应变率条件下，为在整个试验过程中维持准力学平衡，试样的几何形状和构型必须非常小。一旦出现单条裂纹，周围材料将发生应力松弛，从而有效抑制相邻失效区域的进一步发展。这限制了单次实验中可同时观察到的断裂数量，也阻碍了有关失效统计特性的关键信息的获取。

膨胀圆柱体试验是一种成熟的技术，用于表征材料在高速加载条件下发生失效和碎裂的方式。在该试验中，由待研究材料制成的圆柱体沿其内周均匀加载，从而在壁内激发应力波，导致圆柱体膨胀。随后，径向应力波逐渐消散，周向均匀的拉伸环向应力成为主导。由于圆柱体各处的应力和应变率相同，断裂与碎裂行为完全由材料本身的性能决定。该试验克服了前述问题，因为通常较大的试样周长在均匀应力下有利于多个失效起始点的产生¹。

开发该实验技术的主要目的是研究温度在膨胀圆柱体断裂和破碎行为中的作用。通过控制样品温度，可以探究材料的动态抗拉强度、断裂机制以及破碎行为如何受到影响。例如，在金属中，温度升高可能导致断裂模式从脆性断裂转变为延性断裂，从而在最终失效前能够承受更多的塑性功。某些材料（如 Ti-6Al-4V）还可能表现出绝热剪切局域化²。当样品发生变形时，塑性功会产生热量。如果由于温度升高导致的....

方案

1. 靶材制备与组装

1. 从实心坯料上将目标圆柱体加工至所需尺寸。
2. 通过去除加工痕迹来制备圆柱体表面。均匀的漫反射表面更有利于PDV反射。使用轻微湿润的砂纸打磨已获得良好效果， >1,200 目
3. 表征目标组分， 即，测量以下指标：
   圆柱体长度、直径及壁厚（多位置）
   投射物长度、直径
   Ogive 长度、直径
   上述所有物质的质量
4. 组装圆筒安装环和PDV臂。
5. 将PDV探头安装到运动学支架上，并固定到PDV臂上。
6. 将卵形头插入目标圆筒中，使卵形头的后端与圆筒的后端齐平（此操作应在车间平板上进行）。三颗M3螺丝用于固定卵形头的位置，同时允许圆筒在膨胀过程中“剥离”。
7. 将目标圆筒安装到固定硬件中，使圆筒的入口与安装环的前缘齐平。使用6个M4紧定螺钉将圆筒固定到位。
8. 安装加热/冷却装置，并沿圆柱体外壁长度方向粘贴热电偶。
9. 用光纤清洁布清洁PDV探头光纤末端的FC/APC（斜面物理接触）连接器，并使用光纤检测仪进行检查。此步骤对于减少背向反射至关重要。
10. 使用可见光（660 nm）3R类激光器，粗略调整探头，使其垂直于圆柱体表面即反射光会重新落回探针上。
11. 使用环形器组装一个基本的反射率电路。将1级1550 nm激光器连接至输入端口1，....

结果

数据的质量首先取决于实验时序。如果从触发到撞击的延迟设置正确，则在靶材圆柱体开始变形时，闪光灯将能提供足够的光照，从而使高速相机获得清晰的图像。在这种情况下，分幅相机所获取的图像将具有清晰的轮廓边缘，可用于追踪整个圆柱体的变形过程。可使用 ImageJ 等软件对每一帧图像提取线轮廓数据，生成如图2所示的图像。理想情况下，PDV 能够追踪约 100 µsec 的膨胀速度，这取决于圆柱体表面光洁度以及探头的对准情况。对于某一特定实验，可通过图像中 PDV 提供的四个已知数据点相互验证 PDV 与线轮廓数据。结合这两种数据，可精确提取圆柱体长度方向任意位置处的半径或径向应变。图3绘制了沿圆柱体长度方向两个位置处的径向膨胀速度，并比较了在 150 K 和 800 K 下的实验结果。可以看出，冷却后的圆柱体在达到峰值速度后减速较小，表明其更早发生了断裂，导致圆柱体强度下降。随后将径向速度对时间进行积分，以获得探头观测点处的径向位移。图4展示了冷却圆柱体的一个示例。高速视频图像应足够清晰，以识别裂纹萌生与扩展过程，如图5

讨论

该方法能够在较宽的温度范围内（从低温到约 1,000 K）对材料进行高速拉伸加载下的研究，此特性为本设计所独有。然而，这也为实验装置与操作带来了一些挑战。首先，为了优化温度控制，需选用合适的材料加工制成圆头形嵌件。本文采用 4340 钢，尽管任何耐高温且高硬度的钢材均可满足要求。同样，由于整个膨胀驱动力现均由聚合物弹丸提供，因此该弹丸必须采用非脆性塑料制成，例如本研究中所使用的机用级聚碳酸酯。

插入件与圆柱体之间必须具有紧密的机械配合，以确保良好的热接触。如果靶圆柱体的热膨胀系数与插入件相差较大时，需格外小心。例如，若圆柱体材质较脆且热膨胀系数较低（如陶瓷），插入件的膨胀可能会损坏甚至使圆柱体开裂。出于同样原因，用于将热电偶粘接在圆柱体上的环氧树脂必须能够耐受预期的温度，以及圆柱体在加热和冷却过程中的形变。最后，必须对靶材与安装系统进行有效的热隔离，否则热量渗透将导致温度控制困难，并可能开始对PDV探头和靶材的对准产生不利影响。

该技术的局限性取决于可用的弹丸发射装置。可实现的径向应变率与弹丸速度和圆柱体直径有关。较小的圆柱体.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1,550 nm 连续激光器	NKT Photonics	Koheras Adjustik	x 2
1,550 nm 功率放大器	NKT Photonics	Koheras Boostik HPA
延迟发生器	Quantum Composers	9500+ 数字延迟脉冲发生器	8 输出版本
Stanford Research Systems	DG535 数字延迟发生器
16 通道数字化仪	Agilent Technologies	U1056B 机箱 + 4 × U1063A 数字化仪
高带宽示波器	Teledyne LeCroy	WaveMaster 816Zi-A	膨胀速度，第三代 PDV
Tektronix	DPO71604C	弹丸速度，第一代 PDV
高速成像系统	Vision Research	Phantom v16.10
Invisible Vision	IVV UHSi-24
Zeiss 光学器件	Planar T* 1,4/85	85 mm 定焦镜头
Nikon	AF-S Nikkor 70-200 mm f/2.8 ED VR II	70-200 mm 长焦镜头
闪光灯	Bowens	Gemini Pro 1500 W	x 2
PDV 探头	Laser 2000	LPF-04-1550-9/125-S-21.5-100-4.5AS-60-3A-3-3	x 4（定制订单）
PDV 系统	由冲击物理研究所自主研制	定制构建	3rd 代（上变频）8 通道便携式 PDV 系统
控制软件	National Instruments	LabVIEW 2013
加热控制硬件	National Instruments	NI-DAQ 6009 USB
加热电源	BK Precision	BK1900
热电偶数据记录仪	Pico Technology	TC-08
100 mm 单级轻气炮	Physics Applications, Inc. (PAI)	定制构建	可实现至少 1,000 m/s 的速度，弹丸质量约 2 kg
图像分析软件	美国国立卫生研究院	ImageJ	开源，免费
图像分析软件	Mathworks	MATLAB r2014a	含图像处理工具箱
材料切片锯	Struers	Accutom-50
电子显微镜	Zeiss	Auriga
电子背散射衍射系统	Bruker	e-Flash 1000
EBSD 软件	Bruker	eSprit