沖擊壓縮載荷下藍(lán)寶石的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)方法(下)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)

沖擊壓縮載荷下藍(lán)寶石的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)方法(下)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(duì)目前氧化鋁陶瓷動(dòng)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(shí)采用霍普金森壓桿技術(shù)對(duì)單晶α氧化鋁(藍(lán)寶石)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了簡(jiǎn)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(huì)有一定的塑性;進(jìn)而對(duì)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(dòng)態(tài)力學(xué)性能;藍(lán)寶石

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)材料

和氧化鋁陶瓷一樣,藍(lán)寶石也有著廣泛的應(yīng)用。藍(lán)寶石是一種氧化鋁的單晶,又稱為剛玉,具有極好的熱導(dǎo)性、電氣絕緣性、透光性、化學(xué)穩(wěn)定性,以及耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度等一系列優(yōu)良的特性,因而藍(lán)寶石被廣泛應(yīng)用于紅外裝置、導(dǎo)彈、潛艇、衛(wèi)星空間技術(shù)、探測(cè)和高功率激光等窗口材料、優(yōu)質(zhì)光學(xué)材料、耐磨性軸承和襯底材料[19]中。

3.2 試樣的制備

在Hopkinson壓桿試驗(yàn)測(cè)試的過(guò)程中,由于慣性效應(yīng)和試樣與桿端之間的摩擦等因素會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此在試驗(yàn)之前必須合理設(shè)計(jì)并選擇試樣。由于圓柱形試樣的易加工性,所以在本試驗(yàn)中采用圓柱形試樣。試樣加工時(shí)兩個(gè)端面的平行度在0.01mm以上,同時(shí)且保證試樣的端面具有足夠的光潔度,從而減小試驗(yàn)過(guò)程中試樣與壓桿之間的摩擦,使得所測(cè)得的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。在本次試驗(yàn)中試樣的長(zhǎng)度為4.72mm,直徑為4.06mm。

3.3 測(cè)試方法

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由兩部分組成。其中一部分為壓桿部分,撥動(dòng)閥門,觸發(fā)氣動(dòng)裝置,使得撞擊桿產(chǎn)生一定的速度撞擊入射桿,從而對(duì)置于入射桿和透射桿之間的試樣進(jìn)行加載;另一部分為由應(yīng)變片、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微機(jī)組,對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的信號(hào)進(jìn)行采集、放大、記錄和數(shù)據(jù)處理,從而得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度。

本次試驗(yàn)中,撞擊桿的長(zhǎng)度選擇100mm,采用0.15MPa的氣壓在室溫下對(duì)撞擊桿進(jìn)行加壓,在試驗(yàn)的開(kāi)始階段,先利用壓桿進(jìn)行空打,再通過(guò)應(yīng)變片所采集的信號(hào)判定入射桿和透射桿之間的連接情況是否滿足試驗(yàn)要求,從而確定接下來(lái)的試驗(yàn)參數(shù),同時(shí)選擇不同的沖擊速度對(duì)試樣進(jìn)行沖擊,使得在試驗(yàn)過(guò)程中能夠得到不同應(yīng)變率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果分析

試樣在高速?zèng)_擊下出現(xiàn)粉碎的情況。圖10為采集系統(tǒng)所采集到的應(yīng)力波曲線,由于試驗(yàn)所選擇的試樣很短,波在試樣中來(lái)回傳播一次所用的時(shí)間與入射脈沖相比要小得多,因此在入射波發(fā)生作用的過(guò)程中,試樣內(nèi)有足夠長(zhǎng)的時(shí)間發(fā)生多次的內(nèi)反射,且試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變能夠很快趨向均勻。從以上分析可知,在霍普金森壓桿試驗(yàn)中,試樣內(nèi)部波的傳播可以忽略,從而利用入射脈沖、反射脈沖和投射脈沖之間的關(guān)系來(lái)推導(dǎo)試樣中的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率。根據(jù)一維應(yīng)力波理論可以得出試樣中的平均應(yīng)力σs為:

圖10 應(yīng)力波曲線Fig.10 Stress wave curve

應(yīng)變率為:

由于試件中的應(yīng)力在多次的反射且最終趨向于入射應(yīng)力,因此在所得到的公式中忽略了應(yīng)力脈沖反射和投射之間的影響,與此同時(shí),應(yīng)力波在試樣中達(dá)到均勻分布所用的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于應(yīng)力脈沖所用的時(shí)間。圖11和圖12分別為經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線。

圖11 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.11 True stress-strain curve

圖12 應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.12 Stain-time curve

如圖11中藍(lán)寶石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線所示,藍(lán)寶石在受到外力沖擊時(shí)在開(kāi)始階段產(chǎn)生彈性變形,其彈性極限約為850MPa,接著會(huì)有一定的塑性變形,直至其破碎失效。在本次試驗(yàn)中采用0.15MPa的氣壓推動(dòng)撞擊桿,由圖12可見(jiàn),其應(yīng)變率為2868s-1,在應(yīng)變率為2868s-1的情況下,藍(lán)寶石的抗壓強(qiáng)度達(dá)到3030MPa,此時(shí)相對(duì)應(yīng)的失效應(yīng)變?yōu)?.16 s-1,而從圖11中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行相關(guān)計(jì)算可得到藍(lán)寶石的彈性模量約為450GPa。

5 結(jié)論

隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,硬脆材料由于其自身一系列的優(yōu)良特性而廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)、軍事國(guó)防以及民用工業(yè)等諸多領(lǐng)域。而在各大工程領(lǐng)域中,如車輛行駛過(guò)程中擋風(fēng)玻璃受到石塊等硬質(zhì)物體的撞擊、飛鳥(niǎo)與飛行器的撞擊、巖石的爆破、工業(yè)材料的高速加工以及穿甲彈的設(shè)計(jì)等一系列的問(wèn)題表明,對(duì)材料進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究并正確地選擇材料有利于提高產(chǎn)品的安全系數(shù);另一方面,切削、磨削以及拋光等加工方式仍然是硬脆材料去除加工的基本途徑,對(duì)硬脆材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究不僅可以優(yōu)化加工過(guò)程的工藝參數(shù),提高加工效率,同時(shí)也有利于獲得更好的加工表面質(zhì)量。

從本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可知:

(1)藍(lán)寶石是一種脆性材料,在高應(yīng)變率條件下,藍(lán)寶石受到高速?zèng)_擊先是產(chǎn)生一定的彈性變形,但隨后便進(jìn)入塑性變形階段,表明藍(lán)寶石有著一定的塑性,隨后便破碎失效。

(2)藍(lán)寶石的彈性極限約為850MPa,彈性模量約為450GPa。

(3)藍(lán)寶石受到?jīng)_擊壓縮載荷作用,在應(yīng)變率為2868s-1的情況下,其抗壓強(qiáng)度為3030MPa,失效應(yīng)變?yōu)?.16s-1。

[1] 鄭宇軒.韌性材料的動(dòng)態(tài)碎裂特性研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2013.

[2] 黃西成,陳裕澤,胡文軍,陳剛,謝若澤,張方舉.材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的應(yīng)用背景與相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)[A].中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)爆炸力學(xué)委員會(huì)試驗(yàn)技術(shù)專業(yè)組.Hopkinson桿試驗(yàn)技術(shù)研討會(huì)會(huì)議論文集[C].中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)爆炸力學(xué)委員會(huì)試驗(yàn)技術(shù)專業(yè)組,2007: 10.

[3] 魯世紅.高速切削鋸齒形切屑的試驗(yàn)研究與本構(gòu)建模[D].南京航空航天大學(xué),2009.

[4] 姜芳,陳濤,寧建國(guó).鋼筋混凝土在沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[J].材料工程,2009(3):45-48+53.

[5] 余淼,居本祥.磁流變彈性體剪切式動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試[J].功能材料,2011(11):1939-1942+1946.

[6] 汪艷萍,張樹(shù)勇,衛(wèi)忠玲.硫化天然橡膠動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究[J].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,(2):119-124.

[7] 秦亞萍,劉子如,孔揚(yáng)輝,陰翠梅,張沛.高聚物的低溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[J].火炸藥學(xué)報(bào),1999(2):47-50.

[8] 陳振理.硬脆材料加工技術(shù)的研究[J].天津冶金,2011(5):49-52+58.

[9] 朱志斌,郭志軍,劉英,王慧,陳秀峰.氧化鋁陶瓷的發(fā)展與應(yīng)用[J].陶瓷,2003(1):5-8.

[10] Zeming He,J.Ma,Hongzhi Wang,G.E.B.Tan,Dongwei Shu,Jian Zheng,Dynamic fracture behavior of layered alumina ceramics characterized by a split Hopkinson bar,Materials Letters,Volume 59,Issues 8-9,April 2005,901-904.

[11] 黃良釗,張安平.Al2O3陶瓷的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究[J].中國(guó)陶瓷,1999(1):13-15+21.

[12] 李平,李大紅,寧建國(guó),經(jīng)福謙.沖擊載荷下Al2O3陶瓷的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[J].高壓物理學(xué)報(bào),2002(1):22-28.

[13] 段卓平,關(guān)智勇,黃風(fēng)雷.沖擊載荷下Al2O3抗彈陶瓷的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].高壓物理學(xué)報(bào),2003(1):29-34.

[14] 李英雷,胡時(shí)勝,李英華.A95陶瓷材料的動(dòng)態(tài)壓縮測(cè)試研究[J].爆炸與沖擊,2004(3):233-239.

[15] 張曉晴,姚小虎,寧建國(guó),趙隆茂,楊桂通.Al2O3陶瓷材料應(yīng)變率相關(guān)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系研究[J].爆炸與沖擊,2004(3):226-232.

[16] 石志勇,湯文輝.Al2O3陶瓷的損傷型本構(gòu)關(guān)系研究[J].強(qiáng)度與環(huán)境,2007(3):53-57.

[17] 徐松林,張侃,鄭文,劉永貴,鄧向允.高孔隙率Al2O3微孔陶瓷沖擊性能試驗(yàn)研究[J].試驗(yàn)力學(xué),2008(6):525-532.

[18] 王璀軼,王揚(yáng)衛(wèi),于曉東,王全勝,康曉鵬.Al2O3陶瓷分離式霍普金森壓桿恒應(yīng)變率動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)研究[J].兵工學(xué)報(bào),2009 (10):1349-1352.

[19] 鄧佩珍.藍(lán)寶石晶體及其應(yīng)用[A].中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、浙江省人民政府.面向21世紀(jì)的科技進(jìn)步與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展(下冊(cè)) [C].中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、浙江省人民政府:1999:1.

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)04-0021-04

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