專利名稱：材料動態拉伸斷裂實驗方法
技術領域：
本發明屬于沖擊動力學領域，具體涉及一種材料動態拉伸斷裂實驗方法，通過該方法能獲取強動載下材料微損傷隨時間演化的物理圖像和數據信息。
背景技術：
層裂(Spallation)是一種典型的動態拉伸斷裂破壞形式。其中，一維應變條件下的層裂(以下簡稱層裂)，是一種最簡單、最重要的拉伸斷裂現象。由于是一維應變問題，理論分析較為簡單，而且實驗上也較易實現；同時，它包含了材料在強動載荷作用下破壞過程的豐富內容。因此，人們在對材料動態破壞的認識過程中，始終把平面層裂問題作為主要內容加以研究。目前學術界公認層裂是由于在拉伸應力作用下材料內部的微損傷成核、長大以及貫通，最后導致材料發生災變式斷裂的一種損傷演化過程。目前層裂實驗中最主要的診斷技術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)剖面進行連續測量；對樣品進行軟回收，并借助光學顯微鏡、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行細微觀觀測和表征。自由面粒子速度剖面的 VISAR技術盡管為實時的精確測量，但同時也為間接測量，只在宏觀尺度上部分反映了材料內部的損傷演化過程。實驗后軟回收樣品的金相分析不需要復雜的測試設備，只要設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，但其缺點是只能得到層裂的終態面貌，不能得到與時間相關的損傷演化過程信息。層裂實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生一個沖擊波，當沖擊波到達飛片后界面(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，該區域產生拉伸應力，如果拉伸應力脈沖足夠強，經過一定的孕育時間，層裂將會發生，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力幅度、加載應變率及拉伸持續時間等因素的變化而變化。在當前的測試技術水平前提下，上述層裂實驗原理很難實現既保證其它因素(應力幅度、沖擊硬化效應和加載應變率等)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生不同幅值的應力加載脈沖，但同時也改變了加載應變率、沖擊硬化效應等；通過改變飛片的厚度產生不同的拉伸持續時間，但同時也改變了壓縮持續時間、 加載應變率和沖擊硬化效應等因素。
發明內容
本發明的目的是克服現有層裂實驗技術中的很難診斷到在其他因素都相同條件下，材料內部微損傷隨時間演化的數據信息的缺點，提出一種新的層裂實驗技術方案，從而有效“凍結”層裂實驗中的微損傷隨時間演化的物理圖象和信息數據。
本發明的基本思路是將層裂實驗中的靶板設計成同質材料的雙層靶，即第一層靶板和第二層靶板，兩者之間產生一個不能承受任何拉伸應力的界面，同時由于是同質材料，受到沖擊壓縮時的響應過程與完整靶板一樣。當飛片撞擊第一層靶板后，向飛片和第一層靶板中各自產生一個沖擊波，當沖擊波到達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力的持續時間將被縮短，但同時材料受到拉伸時的應變率不變。實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力持續時間，進而控制損傷演化的進程。最終通過對回收雙層靶樣品的微損傷分析，獲取損傷“凍結”的物理圖象和信息數據。本發明解決其技術問題所采用的具體技術方案是一種材料動態拉伸斷裂實驗方法，是利用飛片撞擊靶板使靶板產生層裂的方式，其特征在于靶板為緊貼在一起的同質材料雙層靶，即第一層靶板和第二層靶板，當飛片撞擊第一層靶板后，向飛片和第一層靶板中各自產生一個沖擊波，當沖擊波到達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，產生足夠強的拉伸應力，經過一定的孕育時間，應力拉伸區域將會發生層裂或損傷，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)，又可以在一次實驗中獲取多個實驗數據。本發明的有益效果是首先保證了現有的層裂診斷實驗裝置仍然可以使用(即完全可以利用現有的實驗裝置)；其次，在層裂實驗中方便地控制沖擊壓縮脈沖完全一樣，保證沖擊硬化效應一樣，而且材料受到拉伸時的應變率一樣，僅僅是拉伸持續時間不同；再次，結構簡單，實施方便等等。
四
圖1為現有層裂實驗原理示意圖。圖2為本發明的雙層靶樣品分層技術層裂實驗原理示意圖。圖3為層裂實驗裝置示意圖。圖中1、飛片，2、靶板，3、沖擊波，4、稀疏波，5、拉伸區域，6、拉伸持續時間，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，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為物質坐標，ν為飛片速度。
五具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行詳細地描述。
如圖1所示，層裂是由兩稀疏(膨脹)波相互作用(碰撞)產生拉伸應力而形成的。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中各自產生一個沖擊波3，當沖擊波到達飛片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，該區域產生拉伸應力，如果拉伸應力脈沖足夠強，經過一定的拉伸持續時間6，層裂或損傷將會發生，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。
結合圖1和圖2，一種材料動態拉伸斷裂實驗方法，是利用飛片1撞擊靶板2使靶板2產生層裂的方式，其特征在于靶板2為緊貼在一起的同質材料雙層靶，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中各自產生一個沖擊波3，當沖擊波3到達飛片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，產生足夠強的拉伸應力，經過一定的拉伸持續時間6，應力拉伸區域 5將會發生層裂或損傷，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為層裂實驗裝置示意圖。在圖3中，完全采用了現有的實驗裝置。具體為飛片1和彈丸12用環氧樹脂粘結，放入高壓氣體炮中，在高壓氣體驅動下達到一穩定飛行速度，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。
圖3中靶套13為45#鋼，通過有機玻璃螺栓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樣品通過粘結劑粘結(在本實驗中，粘結力完全可以忽略)。改變第一層靶板10厚度可控制拉伸持續時間6，動量陷阱環14用于防止沖擊加載下邊側稀疏波進入第二層靶板11，保證第二層靶板11滿足一維應變條件，其中第一層靶板 10、動量陷阱環14和第二層靶板11為同一種材料，通過粘結劑粘結。探針15插入配板21 上的小孔，用于被飛片1撞擊后觸發自由面測速系統。墊圈16為回收雙層靶樣品的軟物質， 可以是真空橡皮，粘結于壓板18上。模盒17阻止動量陷進環14和第一層靶板10進入回收桶和第二層靶樣品11發生二次撞擊。DPS探頭19粘結固定于壓板18，用于實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。
權利要求
1.一種材料動態拉伸斷裂實驗方法，是利用飛片⑴撞擊靶板(2)使靶板(2)產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材料雙層靶，即第一層靶板 (10)和第二層靶板(11)，當飛片(1)撞擊第一層靶板(10)后，向飛片(1)和第一層靶板 (10)中各自產生一個沖擊波(3)，當沖擊波到達飛片(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，產生足夠強的拉伸應力，經過一定的孕育時間，應力拉伸區域(5)將會發生層裂或損傷，形成一個層裂面或最大損傷面(8)。
2.根據權利要求1所述的材料動態拉伸斷裂實驗方法，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.根據權利要求1或2所述的材料動態拉伸斷裂實驗方法，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
一種材料動態拉伸斷裂實驗方法，是利用飛片(1)撞擊靶板(2)使靶板(2)產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材料雙層靶，即第一層靶板(10)和第二層靶板(11)，當飛片(1)撞擊第一層靶板(10)后，向飛片(1)和第一層靶板(10)中各自產生一個沖擊波(3)，當沖擊波到達飛片(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，產生足夠強的拉伸應力，經過一定的孕育時間，應力拉伸區域(5)將會發生層裂或損傷，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 優先權日2011年9月28日
發明者于繼東, 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