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软化速率大于变形引起的加工硬化速率，则可能形成一种不稳定性，使得大量塑性变形集中在极窄的区域（即绝热剪切带）。由于 Ti-6Al-4V 的热导率较低，这种响应更易发生，并可能限制其在轻质装甲等应用中的有效性。

这种新的测试方法必须满足两个主要标准。首先，该方法必须产生约10⁴ sec^-1量级的径向应变率，这通常出现在弹道和冲击事件中，以便与之前采用更传统加载方式的研究进行比较。其次，驱动机制必须不受样品温度的影响，以确保实验之间的一致性。早期的圆筒膨胀机制使用炸药装药，可以直接将炸药简单地填充到样品圆筒^3-5中，或通过中间驱动器实现。在后一种情况下，会使用缓冲装置⁶，其中样品套在一根钢制圆筒上，而钢筒内部含有炸药装药。明显的局限性在于，由于样品圆筒内含有驱动材料（即炸药），加热圆筒的同时也会加热炸药。虽然这可能不会直接引发炸药起爆，但许多类型的炸药含有聚合物粘结剂，受热后会从样品圆筒中熔出。同样，某些炸药在冷却时会变得极为敏感。这意味着炸药驱动不适用于温度相关研究。另一种方法利用洛伦兹力实现膨胀——将样品置于驱动线圈上^7,8。向该驱动线圈注入高电流（通常为粗规格铜线），在样品中感应出反向电流。这些相反方向的电流产生相互作用的磁场，其磁压力推动样品从内表面向外扩张。然而，加热材料仍会不利地影响位于样品内部的铜制驱动线圈。自20世纪70年代末以来，气体炮已被用于圆筒膨胀实验⁹。在这些实验中，圆筒内插入物材料为聚合物，其驱动力来源于弹丸与插入物在撞击时的变形。该插入物通常为橡胶或塑料¹⁰，其强度和延展性会受到温度的严重影响。加热会使插入物过于柔软，而冷却则使其表现出脆性行为，导致过早失效。

与以往的圆柱体膨胀技术不同，本文所述方法是首个能够在宽温范围（100–1,000 K）内提供可重复加载驱动的技术。我们的技术独特之处在于，用于驱动膨胀的材料（在本例中为弹丸）在撞击前始终与圆柱体分离。因此，该驱动材料不受样品圆柱体初始温度的影响，从而实现了可重复的加载。

实验构型由一个安装在靶筒内部的钢制弧形头体组成，其尖端位于筒体长度约一半的位置。随后使用单级轻气炮将带有凹面的聚碳酸酯弹丸以高达1000 m/sec^-1的速度射入筒体。靶筒的轴线被精确对准气炮炮管的轴线，以实现可重复且均匀的载荷。弹丸撞击弧形钢制头体后，聚碳酸酯材料在其周围流动，这一过程从内壁驱动筒体发生膨胀。弧形插入体的几何形状以及弹丸的凹面经过流体动力学代码计算机模拟的仔细优化，以产生所需的筒体膨胀效果。采用4340合金钢制作弧形头体，可在不同温度条件下进行实验，因为在感兴趣的温度范围内，其强度远高于聚碳酸酯弹丸，从而确保驱动机制的一致性。在加热和冷却实验后回收的弧形头体仅表现出因撞击引起的微小变形。

通过将温控硬件安装到卵形插件后部的机械加工凹槽中，实现对样品圆柱体的加热和冷却。为了将样品冷却至低温环境（约100 K），在卵形件的凹槽上用铝制盖板进行密封，并使液氮流经该空腔。由于目标圆柱体与卵形件具有较大的接触面积，样品通过热传导被冷却。为了将目标圆柱体加热至接近1,000 K的温度，在卵形件的凹槽中放置了一个由陶瓷和镍铬合金制成的电阻加热器。高电流电源可提供高达1 kW的功率，用于加热卵形件和圆柱体。在单级气体炮装置中，圆柱体和卵形件通过MACOR陶瓷垫片与目标安装座实现热隔离。实验过程中，腔体还保持适度的真空状态（<0.5 Torr），以辅助实现温度调控。

为了诊断圆柱体的碎裂过程，实验设计采用了多通道频率转换型粒子多普勒测速仪（PDV），用于测量沿圆柱体不同位置的膨胀速度。PDV是一种相对较新的基于光纤的干涉测量技术¹¹，可在高度动态事件中实现对表面速度的测量。在PDV测量过程中，利用光纤探头采集从运动表面反射的多普勒频移光，并将其与未发生频移的参考光进行干涉，产生一个与运动表面速度成正比的拍频信号。本质上，PDV系统是一种快速的迈克耳孙干涉仪，借助近红外波段（1,550 nm）通信技术的进步，能够记录GHz范围内的拍频信号。本研究中所使用的焦距为100 mm的PDV探头配备专用安装系统，确保其与圆柱体温度隔离，并便于快速对准。采用焦距为100 mm探头的另一个优势在于，其可提供足够的光学通路，从而允许同步进行高速摄影，以测量整个圆柱体的膨胀轮廓。四个探头A-D沿圆柱体的布置位置如图1所示。实验中使用了两台高速相机：一台Phantom V16.10高速视频相机，工作帧率为250,000 fps；另一台为IVV UHSi 12/24帧式相机，可捕获24幅图像。IVV相机采用背光照明方式，使圆柱体呈现轮廓剪影，从而精确追踪其径向扩展的边缘。Phantom相机则采用前向照明，用于记录失效起始及碎裂过程的图像。通过将高速摄影结果与测速数据相结合，可进一步推导出整个样品上的应变及应变率分布。此外，高速成像还可精确测定失效应变以及表面裂纹的分布模式。

以下方案部分介绍的实验技术可通过控制膨胀圆柱实验中样品的温度，从而激活或抑制不同的断裂机制。该技术将有助于更全面地理解温度在动态加载条件下的作用。

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，PDV探头连接至输入端口2，功率计连接至输入端口3。依次调整PDV探头的方向，使返回的光功率最大化。

2. 气体炮准备

1. 使用枪管堵头和深度千分尺将靶环对准枪管末端，以最小化冲击倾斜。
2. 安装碎片抑制系统和门体防护装置。
3. 将靶标对准塞插入枪管中。
4. 安装靶组件，并与对准塞对齐。
5. 在枪管末端安装触发触点对，并连接至计时硬件和诊断系统。测量从触发接触点到弹丸头部在弧形面上撞击点之间的距离。
6. 安装用于高速摄影的转向镜。
7. 调整镜面，通过靶舱端口获得圆柱体的正交视图，并固定镜面位置。
8. 在靶舱外部对准高速相机和闪光灯。沿枪管轴线观察，将高速相机和一个闪光灯置于相对于圆柱体的3点钟方向，将IVV相机置于9点钟方向，另一个闪光灯置于12点钟方向。在此配置下，高速相机将实现前向照明以追踪裂纹，而IVV将提供轮廓图像用于边缘检测。
9. 将加热/冷却设备连接至靶体及真空馈通接口。
10. 警告：佩戴适当的护目镜并采取其他安全措施后，开启IV类激光器、示波器和PDV系统。
11. 检查发送至PDV探头的功率水平。使用PDV系统时，通常每个探头输入约5 mW，参考通道每路为1 mW。
12. 使用功率计检查PDV探头的对准情况。对准满意后，使用红外卡确定PDV探头在圆柱体表面的观测位置。
13. 开启参考激光器，检查各探头输出的拍频信号质量。调节激光器波长，设定所需的零速度拍频频率（通常设为约5 GHz）。
14. 在确认靶标对准、触发位置、相机与镜面校准、PDV探头对准与位置以及防护框架均无误后，关闭靶舱。
15. 移除对准塞，安装弹丸。
16. 设置相机和照明参数（帧率、曝光时间、时序），并进行测试成像。两台相机的典型帧率约为250,000帧/秒，曝光时间约为0.5 µsec。首帧图像通常设定在撞击瞬间触发。

3. 点火准备

1. 安装适用于所需发射压力的后膛隔膜。
2. 关闭枪机并开始抽空靶室。目标真空度应达到约 50 mTorr。
3. 完成所有诊断设备的最终设置（示波器延迟、触发、相机设置） 等等。将PDV示波器设置为每格50 µsec，每点25 psec，预触发20%，以获得500 µsec的观测窗口。触发示波器和相机，使零时刻与撞击时刻一致。
4. 最终触发测试；检查时间是否准确。
5. 打开激光器；启动相机。
6. 关闭房间，确保激光器和高压互锁装置处于正确位置。
7. 根据需要使用 LabVIEW 软件开始加热或冷却。
8. 将枪充气至所需的发射压力。
9. 加压后，最终检查所有诊断系统是否已启动。
10. 隔离加热或冷却装置。
11. 倒计时“3、2、1，点火。”
12. 排出目标罐和捕获罐中的气体。
13. 保存所有示波器和相机数据。

4. 射击后

1. 关闭激光器，并等待喷枪内部压力完全与大气压平衡。
2. 打开靶材罐，收集所有金属碎片，并分拣出 Ti-6Al-4V。

5. 数据分析

1. 对PDV示波器数据进行短时傅里叶变换（STFT）分析，按照Ao和Dolan¹²的方法处理得到速度历史曲线。
2. 使用设备表中提到的软件处理高速成像数据。高速摄像图像可提供失效时刻及应变信息，并可用于分析裂纹的形成与扩展过程。IVV获得的轮廓图像能清晰显示边缘，便于考察圆柱体的完整变形轮廓。
3. 测量并称量回收的碎片。挑选具有显著特征（如止裂裂纹）的碎片，并制备用于显微观察。
   1. 对碎片进行切片、镶嵌和抛光处理，随后在电子显微镜下进行分析。利用电子背散射衍射技术获取织构和微观结构信息，同时结合二次电子成像对断口表面进行探测，以确定失效模式。

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