Al2O3 陶瓷動(dòng)靜態(tài)壓縮下碎片形貌與破壞機(jī)理分析*

談 瑞，李海洋，黃俊宇

（西南交通大學(xué)教育部先進(jìn)材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 630031）

陶瓷材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，相比傳統(tǒng)金屬材料，其具有密度低、硬度高、抗壓強(qiáng)度高、熔點(diǎn)高、抗磨損、耐腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)良性能[1]，是一種很有發(fā)展前景的工程材料。其中，Al2O3陶瓷由于燒結(jié)性能好、制品尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域得到重點(diǎn)關(guān)注[2]，其以相對(duì)低廉的成本提供了良好的防御能力，被廣泛用于裝甲車輛、飛行器等重要部位的防護(hù)[3]。這些裝備在服役過程中不可避免地會(huì)經(jīng)受沖擊載荷，因此Al2O3陶瓷的沖擊響應(yīng)對(duì)武器裝備的安全性評(píng)估有重要意義[4-6]。

目前關(guān)于陶瓷材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究已有廣泛報(bào)道，主要集中在陶瓷的宏觀力學(xué)性能（如應(yīng)變率效應(yīng)）。Jiao 等[7]、Kimberley 等[8]和Szlufarska 等[9]針對(duì)多種陶瓷的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能開展了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)陶瓷材料的應(yīng)變率敏感性與金屬材料有顯著不同。他們通過理論分析提出了陶瓷材料的指數(shù)型強(qiáng)度-應(yīng)變率模型，發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好。然而，業(yè)內(nèi)廣泛使用的陶瓷本構(gòu)如JH 模型仍然是采用對(duì)數(shù)線性關(guān)系[10]，這對(duì)較低應(yīng)變率（如＜1 000 s-1）的動(dòng)載情形是合理的。例如楊震琦等[11]采用JH-2 模型對(duì)Al2O3陶瓷在分離式霍普金森壓桿（SHPB）加載下（應(yīng)變率310～380 s-1）的動(dòng)態(tài)損傷演化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)模擬中試樣破壞模式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；李英雷等[12]利用改進(jìn)的SHPB 裝置測(cè)量了A95 陶瓷在動(dòng)態(tài)壓縮下的有效應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞強(qiáng)度，通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)卸載誘發(fā)的局部橫向拉伸會(huì)導(dǎo)致陶瓷試樣發(fā)生劈開破壞，從而大幅降低其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度；張曉晴等[13]發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率在560～650 s-1范圍內(nèi)，Al2O3陶瓷的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是率敏感的。總體而言，雖然陶瓷的應(yīng)變率效應(yīng)已有明確結(jié)論，但其背后的微觀機(jī)理尤其是高應(yīng)變率下應(yīng)變率敏感性增強(qiáng)的原因還不清楚，動(dòng)靜態(tài)加載下破壞模式的差異性及其如何影響陶瓷的宏觀力學(xué)性能還有待研究。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[14]，戰(zhàn)爭(zhēng)中75%的人員創(chuàng)傷來源于爆炸碎片造成的二次傷害；反之，提升武器性能也需關(guān)注碎片形貌與微結(jié)構(gòu)和應(yīng)變率之間的關(guān)系。因此，研究沖擊加載下陶瓷破壞產(chǎn)生的碎片尺寸和形貌具有重要意義。靳曉慶[15]、周風(fēng)華等[16-17]利用激光粒度分析和圖像法研究了Al2O3陶瓷動(dòng)靜態(tài)壓縮破壞后碎片的尺寸分布，并基于最快卸載理論發(fā)展了預(yù)測(cè)碎片尺寸的理論模型。Shan 等[18]利用相似的方法研究了K9 玻璃珠動(dòng)靜態(tài)破碎后的碎片尺寸。但上述研究主要關(guān)注了碎片尺寸分布，而忽略了碎片形狀分析（如球形度、長(zhǎng)徑比等）。Huang 等[19]利用SEM 獲取了單晶硅動(dòng)態(tài)破碎后的碎片尺寸分布，同時(shí)對(duì)碎片的二維投影形狀（長(zhǎng)寬比）進(jìn)行了初步討論，發(fā)現(xiàn)碎片形狀與破壞模式密切相關(guān)，但SEM 二維表征顯然無法對(duì)碎片的三維特征進(jìn)行精確描述[20]。Jiang 等[21]利用實(shí)驗(yàn)室CT 對(duì)雙玻璃珠鏈在沖擊作用下產(chǎn)生的碎片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；但限于CT 分辨率（17.66 μm），50 μm 以下的碎片尺寸很難精確測(cè)量，而且他們也沒有開展碎片形貌的量化分析。

本文中基于材料試驗(yàn)機(jī)（MTS）和SHPB 裝置以及原位光學(xué)成像系統(tǒng)擬對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)（0.001～0.01 s-1）和動(dòng)態(tài)（600～1 500 s-1）加載下Al2O3陶瓷的宏觀力學(xué)性能和破壞規(guī)律進(jìn)行研究，同時(shí)利用在美國(guó)第三代同步輻射光源APS 2BM 線站搭建的高精度CT（分辨率0.87 μm）系統(tǒng)[22]，對(duì)動(dòng)靜態(tài)壓縮破壞后的陶瓷碎片進(jìn)行三維表征，并借助一些圖形學(xué)參數(shù)對(duì)碎片形貌進(jìn)行量化分析[23]，以討論強(qiáng)度、破壞模式與碎片形貌之間的內(nèi)在聯(lián)系。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及試樣

實(shí)驗(yàn)材料是由上海大恒光學(xué)精密機(jī)械有限公司利用流延成型方法制備的Al2O3陶瓷，通過分析天平測(cè)量其密度為3.74 g/cm3，其中Al2O3所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%。成型后的陶瓷板（厚1 mm）先經(jīng)過細(xì)磨、拋光等一系列處理，再利用金剛石切割機(jī)加工成實(shí)驗(yàn)試樣。試樣尺寸為3 mm×3 mm×1 mm，主要基于以下三方面考慮：首先平板試樣有利于成像觀測(cè)；其次短試樣有利于應(yīng)力快速均勻并實(shí)現(xiàn)較高應(yīng)變率加載；再次由于高分辨CT 視場(chǎng)有限（2.2 mm×1.9 mm），小試樣碎片數(shù)量適中更利于統(tǒng)計(jì)分析。試樣的初始SEM 圖像（見圖1(b)）顯示，試樣邊緣較為平整、無粗大切割缺陷。

圖1 分離式霍普金森壓桿及原位光學(xué)成像系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the SHPB device implemented with an in-situ optical imaging system

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

利用SHPB 開展了600、800、1 000、1 500 s-1等4 種應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，SHPB 與原位光學(xué)成像系統(tǒng)示意圖如圖1(a)所示。其中子彈、入射桿和透射桿均由直徑6 mm 的彈簧鋼制成，長(zhǎng)度分別為150、500、500 mm。為保護(hù)壓桿端面及保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，在入射桿和透射桿之間加裝與桿等徑的金剛石墊塊（6 mm×4 mm）。高剛度墊塊能夠有效防止試樣應(yīng)力集中，提高測(cè)試可靠性[12]。實(shí)驗(yàn)時(shí)在墊塊與試樣的接觸面涂抹凡士林，以減小端面摩擦。由于陶瓷的失效應(yīng)變僅在2%以內(nèi)，需確保試樣在破壞之前處于應(yīng)力均勻狀態(tài)[24]，本文中選取直徑5 mm、厚度0.5～1.5 mm（隨應(yīng)變率升高而變厚）的橡膠片作為整形器來增加入射波上升沿。為避免多次壓縮改變?cè)嚇右淮纹扑楹蟮乃槠蚊?，在入射桿前端加裝了單次加載裝置[25]。通過入射桿上的應(yīng)變片記錄入射波εi和反射波εr，透射桿上的應(yīng)變片記錄透射波εt，1 000 s-1應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)中獲得的典型波形如圖2(a)所示。三波法對(duì)波結(jié)果如圖2(b)所示，其中分別為試樣入射端和透射端應(yīng)力，圖中顯示試樣在破壞之前的較長(zhǎng)一段變形階段都處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。此外，透射波卸載發(fā)生在入射波卸載之前，說明試樣在一次壓縮過程中就發(fā)生了破壞，且實(shí)驗(yàn)中試樣的破壞是由壓縮（而非卸載拉伸）破壞主導(dǎo)的。利用透射波和反射波信號(hào)依據(jù)雙波法分別計(jì)算名義應(yīng)力σ、名義應(yīng)變和名義應(yīng)變率，應(yīng)變率歷史表明試樣基本處于恒應(yīng)變率加載狀態(tài)。試樣的名義應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2(b)內(nèi)的內(nèi)插圖所示，本文中選取應(yīng)力峰值作為試樣抗壓強(qiáng)度。

圖2 SHPB 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理Fig. 2 Data processing in SHPB experiments

準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)在UTM5105 萬能試驗(yàn)機(jī)上開展，實(shí)驗(yàn)中金剛石墊塊尺寸為13 mm×14 mm，實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理不再贅述。此外，利用原位光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)動(dòng)靜態(tài)加載下的試樣變形破壞過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)中利用鹵素?zé)糇鳛楣庠?，高速相機(jī)（Photron Fastcam SA-Z）拍攝幀頻設(shè)為210 kHz，曝光時(shí)間設(shè)為1 μs。由于準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)間較長(zhǎng)而相機(jī)存儲(chǔ)空間有限，且本文中只關(guān)心試樣的破壞過程，因此準(zhǔn)靜態(tài)成像實(shí)驗(yàn)利用試樣破壞后的應(yīng)力卸載信號(hào)觸發(fā)相機(jī)。設(shè)置相機(jī)的觸發(fā)模式為終止點(diǎn)觸發(fā)，相機(jī)被觸發(fā)后可保存觸發(fā)時(shí)刻拍攝的圖像以及由此往前回溯的103 485 張照片，通過該方法能夠觀測(cè)到完整的試樣破壞過程。動(dòng)態(tài)成像實(shí)驗(yàn)中相機(jī)采用起始點(diǎn)觸發(fā)模式，加載產(chǎn)生的入射波信號(hào)由示波器捕獲后輸出TTL 電平信號(hào)觸發(fā)相機(jī)開始拍攝，實(shí)驗(yàn)時(shí)序可通過計(jì)算波從入射應(yīng)變片傳播至試樣的時(shí)間來獲得。

實(shí)驗(yàn)中利用PMMA 材質(zhì)的回收盒來對(duì)試樣碎片進(jìn)行回收?；厥账槠娜S表征采用同步輻射CT，實(shí)驗(yàn)選用的X 射線光子能量為24.9 keV，入射X 射線穿透試樣后再通過厚度為20 μm 的LuAG 閃爍體轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽庠贑CD 上成像。試樣距閃爍體60 mm，探測(cè)CCD 陣列像素為2 560×2 000，像素尺寸為0.87 μm。一次掃描在180°范圍內(nèi)均勻采集1 500 幀投影圖，單幀曝光時(shí)間為100 ms，然后通過三維重建程序TomoPy[26]將投影圖重建為三維圖像。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 強(qiáng)度分布與應(yīng)變率效應(yīng)

陶瓷作為一種典型的脆性材料，表面及內(nèi)部存在不同尺寸的微裂紋、微孔洞、雜質(zhì)等固有缺陷，導(dǎo)致陶瓷斷裂強(qiáng)度具有一定分散性。研究表明，Weibul 分析能很好地描述陶瓷等脆性材料斷裂強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律[27]。雙參數(shù)Weibull 分布模型[28]表示如下：

式中：Pf為試樣在外加應(yīng)力σf下發(fā)生破壞的概率，σ0為Weibull 特征應(yīng)力；m 為Weibull 模量，用來表征斷裂強(qiáng)度的分散程度[29]，m 越大說明強(qiáng)度分散性越小。

利用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)30 個(gè)Al2O3陶瓷試樣進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)（0.001 s-1）壓縮，將實(shí)驗(yàn)得到的破壞強(qiáng)度（即峰值應(yīng)力）由小到大排列。試樣的破壞概率Pf與實(shí)驗(yàn)試樣總數(shù)n 的關(guān)系可近似為Pf=i/(n+1)，其中i 為將試樣破壞強(qiáng)度升序排列后各個(gè)強(qiáng)度的排列位次。對(duì)公式（1）兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，。利用最小二乘法對(duì)與lnσf數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，如圖3(a)中小圖所示。擬合直線斜率即為Weibull 模量m=8.0，與前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[15]；通過直線截距可求得Weibull 特征應(yīng)力σ0=3.3 GPa。強(qiáng)度數(shù)據(jù)和Weibull 模型（曲線）的對(duì)比如圖3(a)所示，圖中顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和Weibull 模型預(yù)測(cè)吻合很好。

圖3(b)展示了Al2O3陶瓷抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率演化的關(guān)系，圖中每組應(yīng)變率的數(shù)據(jù)點(diǎn)為至少5 發(fā)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。方塊表示本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的均值，誤差棒表示標(biāo)準(zhǔn)差；圓點(diǎn)表示前人實(shí)驗(yàn)結(jié)果；虛線為理論模型。圖中顯示Al2O3陶瓷的抗壓強(qiáng)度在較低應(yīng)變率范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)變率不太敏感，當(dāng)超過一個(gè)臨界應(yīng)變率（如500 s-1）后應(yīng)變率敏感性急劇增加，這與前人結(jié)果（圖中圓點(diǎn)）一致[8]。圖3(b)還給出了Ramesh 小組提出的應(yīng)變率-強(qiáng)度理論模型的預(yù)測(cè)結(jié)果：

圖3 Al2O3 陶瓷的壓縮破壞強(qiáng)度Fig. 3 Compressive fracture strength of Al2O3 ceramics

2.2 原位光學(xué)成像

圖4、圖5 分別展示了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載下的典型原位光學(xué)成像結(jié)果，由于試樣內(nèi)部缺陷具有隨機(jī)性，同一應(yīng)變率下試樣的破壞形式也略有不同，但動(dòng)靜態(tài)加載下試樣破壞模式的差異性是一致的，因此圖4 和圖5 的結(jié)果也不失一般性。準(zhǔn)靜態(tài)加載（0.001 s-1）下Al2O3的應(yīng)力時(shí)程曲線和峰值應(yīng)力附近的光學(xué)成像照片分別如圖4(a)、(b)所示，加載方向從上往下。圖4(b)中6 幅照片與圖4(a)中小圖中1～6 個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)。照片1 顯示試樣損傷最先發(fā)生在左上角，試樣表面出現(xiàn)條狀碎片剝落（如圖中虛線框所示），但試樣仍能承載。當(dāng)應(yīng)力增加至峰值（時(shí)刻2 和3），試樣邊緣剝落破壞加劇。試樣在時(shí)刻4 萌生出沿加載方向的劈裂裂紋（如圖中箭頭所示），此時(shí)宏觀應(yīng)力開始卸載，劈裂破壞主要來源于壓縮載荷在試樣表面缺陷處誘導(dǎo)的局部拉應(yīng)力集中。繼續(xù)壓縮時(shí)（時(shí)刻5），試樣內(nèi)部產(chǎn)生了新的劈裂裂紋（如圖中豎直箭頭所示），且在該劈裂裂紋右側(cè)產(chǎn)生了兩條次生裂紋（如圖中斜向箭頭所示），這源于劈裂裂紋兩側(cè)材料相互摩擦誘導(dǎo)的剪切破壞[19]。而照片6 顯示試樣中已有的劈裂裂紋持續(xù)張開，斜向裂紋向試樣右側(cè)擴(kuò)展，試樣破壞程度加劇，內(nèi)部應(yīng)力加速卸載，試樣逐漸失去承載能力。

圖4 Al2O3 陶瓷在應(yīng)變率為0.001 s-1 的準(zhǔn)靜態(tài) 壓縮下的原位光學(xué)成像結(jié)果Fig. 4 In-situ optical imaging of the Al2O3 ceramics under quasi-static compression at 0.001 s-1

圖5 Al2O3 陶瓷在應(yīng)變率為1 000 s -1 的動(dòng)態(tài)壓縮下的原位光學(xué)成像結(jié)果Fig. 5 In-situ optical imaging of the Al2O3 ceramics under dynamic compression at 1 000 s -1

圖5 展示了1 000 s-1應(yīng)變率下陶瓷試樣的應(yīng)力時(shí)程曲線（圖5(a)）和變形破壞過程的照片（圖4(b)）。加載方向從右至左。在應(yīng)力較低時(shí)（時(shí)刻1～2），試樣保持完好。當(dāng)應(yīng)力增至約3 GPa 時(shí)（時(shí)刻3），照片3顯示試樣邊角（如圖中虛線框所示）出現(xiàn)輕微的碎片剝落。當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增至峰值時(shí)（時(shí)刻4），照片4 顯示試樣中出現(xiàn)三條沿加載方向的劈裂裂紋。而且在劈裂裂紋貫穿試樣前，其尖端已經(jīng)出現(xiàn)分叉，產(chǎn)生了橫向次生裂紋。隨后宏觀應(yīng)力開始快速卸載，照片5 中顯示多條裂紋成核擴(kuò)展后發(fā)生相互作用，逐漸將整個(gè)試樣切割成小的碎片，導(dǎo)致試樣呈現(xiàn)災(zāi)難性破壞。此時(shí)應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值的原因可能是電干擾導(dǎo)致此處波形測(cè)量有誤。在時(shí)刻6，樣品中應(yīng)力已經(jīng)完全卸載，碎片由于殘余動(dòng)能而四散分開。與準(zhǔn)靜態(tài)加載相比，動(dòng)態(tài)加載下試樣內(nèi)產(chǎn)生的裂紋密度更高，由于裂紋分叉導(dǎo)致的相互作用更強(qiáng)，在傳播過程中產(chǎn)生更多的次生裂紋并發(fā)生聯(lián)合，使得動(dòng)態(tài)破壞后碎片尺寸更小。

2.3 碎片回收分析

2.3.1 CT 表征

本文中對(duì)6 組應(yīng)變率（0.001、0.01、600、800、1 000、1 500 s-1）加載后的試樣碎片進(jìn)行了CT 表征。圖6(a)、(b)、(c)分別展示了3 組代表性數(shù)據(jù)，即0.001、600、1 500 s-1壓縮后Al2O3陶瓷碎片的三維圖像。Theodorou 等[31]提出用回轉(zhuǎn)張量G（gyration tensor）量化三維空間中不規(guī)則物體的形狀：

伸長(zhǎng)指數(shù)Ie（elongation index）定義為R2/R1，Ie越小碎片形狀越接近針狀。扁平指數(shù)If（flatness index）定義為R3/R2，If越小形狀越接近平板。凸度Cx（convexity）定義為V/VCH，其中V 是碎片體積，VCH是包裹碎片的凸殼體積，凸殼定義為包含碎片所有體素的最小凸面[23]。

圖6 不同應(yīng)變率下碎片的三維圖像與等效直徑分布情況Fig. 6 Volume renderings and the equivalent diameter of fragments at different strain rates

圖6(e)給出了動(dòng)靜態(tài)壓縮后碎片的等效直徑分布曲線，圖中顯示600、1 500 s-1應(yīng)變率下的碎片尺寸分布相近，但相比0.001 s-1下則明顯向小尺寸方向移動(dòng)。碎片尺寸的均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨應(yīng)變率的變化關(guān)系如圖6(f)所示，0.001、0.01 s-1應(yīng)變率下碎片尺寸相當(dāng)，而在高應(yīng)變率加載下，碎片等效直徑的均值和標(biāo)準(zhǔn)差都明顯減小。通過回轉(zhuǎn)張量分析，計(jì)算了不同應(yīng)變率下碎片形狀參數(shù)（S、Cx、Ie和If）的分布情況。圖7 展示了4 個(gè)形狀參數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨應(yīng)變率的變化關(guān)系，結(jié)果表明，隨著應(yīng)變率上升，S、Cx、Ie與If的均值都表現(xiàn)出不同程度的增加，而標(biāo)準(zhǔn)差（除Cx外）則呈逐漸下降趨勢(shì)。均值與對(duì)數(shù)應(yīng)變率的線性擬合斜率分別為0.017、0.008、0.014、0.010。說明動(dòng)態(tài)加載產(chǎn)生的碎片形狀相比于準(zhǔn)靜態(tài)下更加接近球形，規(guī)則度更高；低應(yīng)變率加載會(huì)產(chǎn)生更多細(xì)長(zhǎng)或扁平的碎片。同時(shí)，高應(yīng)變率下碎片的形狀分布整體收窄。值得一提的是，高應(yīng)變率加載下碎片的凸度較準(zhǔn)靜態(tài)加載下要高，說明統(tǒng)計(jì)上碎片表面棱角和起伏更少。

圖7 碎片形狀參數(shù)（均值和標(biāo)準(zhǔn)差）隨應(yīng)變率的變化關(guān)系Fig. 7 Evolution of the shape parameters (mean and standard deviations) of the fragments with the strain rate

2.3.2 SEM 表征

為與CT 表征結(jié)果對(duì)比并分析陶瓷的微觀破壞機(jī)理，對(duì)陶瓷碎片進(jìn)行了SEM 表征。圖8(a)、(b)分別展示了0.001、1 000 s-1兩種應(yīng)變率下碎片的SEM 照片。從圖中可以看出，準(zhǔn)靜態(tài)加載后試樣碎片主要呈粗長(zhǎng)條狀，而動(dòng)態(tài)加載后碎片則呈更細(xì)小的顆粒狀，這與CT 表征結(jié)果一致（見圖6）。圖8(c)～(f)為Al2O3陶瓷在動(dòng)靜態(tài)壓縮后碎片的SEM 斷口圖。圖中顯示Al2O3陶瓷晶粒尺寸分布在0.1～10 μm之間。

動(dòng)靜態(tài)加載下碎片斷口均存在兩種典型斷裂模式：一種是沿晶斷裂（如圖8(c)～(d)中紅色箭頭所示），裂紋擴(kuò)展路徑比較曲折，存在裂紋偏轉(zhuǎn)與彎曲；另一種是穿晶斷裂（如圖8(e)～(f)中藍(lán)色箭頭所示），裂紋路徑比較平直。準(zhǔn)靜態(tài)加載形成的斷口上有更多起伏，且局部區(qū)域有很多光滑凸臺(tái)（如圖8(c)～(e)中虛線圓框所示），通常認(rèn)為這是沿晶斷裂的標(biāo)志[6]。而動(dòng)態(tài)壓縮形成的斷口更為平整（起伏較少），這與圖7 中動(dòng)態(tài)加載下碎片凸度較高的結(jié)果一致，說明穿晶斷裂占據(jù)主導(dǎo)。碎片局部展現(xiàn)出很多條紋狀花樣（如圖8(d)～(f)中虛線方框所示），通常認(rèn)為這是裂紋高速擴(kuò)展的結(jié)果[19]；而斷口上的光滑凸臺(tái)相比準(zhǔn)靜態(tài)加載下要少很多，說明動(dòng)態(tài)加載下沿晶斷裂較少。在給定的缺陷分布下，決定材料微觀破壞形式的主要因素是加載速率[16,18]。在準(zhǔn)靜態(tài)加載下，由于加載速率較低，裂紋在部分粗大缺陷處成核后有時(shí)間以能耗較低的形式即沿晶斷裂傳播。但在動(dòng)態(tài)加載下，由于加載速率很高，樣品內(nèi)驅(qū)動(dòng)力相比準(zhǔn)靜態(tài)也更高，微裂紋成核位置更加隨機(jī)，即會(huì)在多個(gè)初始缺陷甚至晶粒內(nèi)部同時(shí)成核和長(zhǎng)大[9]，而且微裂紋也來不及完全沿晶界傳播，所以動(dòng)態(tài)加載下穿晶斷裂模式占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖8 不同應(yīng)變率下碎片的SEM 圖Fig. 8 SEM micrographs of fragments at different strain rates

2.4 討論

Al2O3陶瓷回收碎片的尺寸和形狀隨應(yīng)變率發(fā)生變化，本質(zhì)上是其在不同應(yīng)變率加載下的微細(xì)觀破壞模式發(fā)生了改變。由原位光學(xué)成像（圖4～5）和SEM 回收分析（見圖8）可知，動(dòng)靜態(tài)加載時(shí)裂紋成核和擴(kuò)展的模式有明顯差異：準(zhǔn)靜態(tài)加載時(shí)微裂紋易在初始孔洞或晶界等弱區(qū)成核并就地?cái)U(kuò)展，微觀上更多地發(fā)生沿晶斷裂，宏觀表現(xiàn)為劈裂裂紋較少，且傾向于沿加載方向傳播并貫穿整個(gè)試樣；而動(dòng)態(tài)加載時(shí)微裂紋更接近于均勻成核，微觀上穿晶斷裂占據(jù)主導(dǎo)地位，宏觀上劈裂裂紋數(shù)量明顯增加并發(fā)生相互作用，因此在傳播過程中容易分叉而產(chǎn)生大量次生裂紋，提高了試樣內(nèi)裂紋密度。前者導(dǎo)致試樣產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)條狀的碎片，碎片平均球形度和伸長(zhǎng)扁平指數(shù)都較低；而后者由于大量裂紋相互交錯(cuò)切割試樣，進(jìn)而產(chǎn)生了更多方塊狀碎片，碎片整體球形度更高。上述破壞模式的改變也導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)壓縮下陶瓷強(qiáng)度的顯著升高（見圖3）：一方面動(dòng)態(tài)下穿晶破壞模式占主導(dǎo)，裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力要升高；另一方面微裂紋密度升高，碎片表面積增大，破壞過程所消耗的能量（如表面能、摩擦耗散等）也更多。這也解釋了動(dòng)態(tài)下陶瓷應(yīng)變率敏感性上升的原因。

3 結(jié) 論

對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)96%的Al2O3陶瓷進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓縮，利用原位光學(xué)成像技術(shù)觀測(cè)了陶瓷的損傷破壞過程，同時(shí)基于同步輻射CT 對(duì)破壞產(chǎn)生的碎片的尺寸和形狀進(jìn)行了量化表征，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）Al2O3陶瓷在準(zhǔn)靜態(tài)加載下的Weibull 模量和Weibull 特征應(yīng)力分別為8.0、3.3 GPa，其壓縮強(qiáng)度隨應(yīng)變率增加表現(xiàn)出指數(shù)上升的關(guān)系，即在高應(yīng)變率加載下應(yīng)變率敏感性會(huì)顯著增強(qiáng)。

（2）Al2O3陶瓷在動(dòng)靜態(tài)加載下的裂紋擴(kuò)展模式有顯著差異。準(zhǔn)靜態(tài)加載時(shí)沿晶斷裂為主，劈裂裂紋較少，且傾向于沿加載方向傳播并貫穿整個(gè)試樣；而動(dòng)態(tài)加載時(shí)穿晶斷裂為主，劈裂裂紋明顯增加并發(fā)生相互作用，因此在傳播過程中容易分叉而產(chǎn)生大量次生裂紋，試樣內(nèi)裂紋密度更高。

（3）高應(yīng)變率加載產(chǎn)生的碎片形狀相比于低應(yīng)變率下更加接近球形，規(guī)則度更高；低應(yīng)變率加載會(huì)產(chǎn)生更多細(xì)長(zhǎng)或扁平的碎片。