混凝土层裂强度测量的新方法

提出了利用Hopkionson压杆测量混凝土层裂强度的新实验方法:用高聚物材料取代传统的金属材料透射杆,混凝土试件为细长杆,由于高聚物波阻抗比混凝土小,试件中压缩波在试件/吸收杆界面反射后形成拉伸波使试件产生层裂破坏,通过吸收杆上透射波形可以确定混凝土层裂强度。由于波在粘弹性材料中的弥散效应,吸收杆中透射波形会发生变化,但三维有限元分析表明,在利用吸收杆上透射波确定混凝土层裂强度时弥散产生的影响可以忽略。按照一维特征线理论,可以由吸收杆上的应变波形确定出混凝土材料的层裂强度。

对于层裂强度传统测定方法有效性的讨论

基于Gathers的工作,对试件靶背部贴有低阻抗材料的平面冲击波致层裂试验,导出了传统方法测定层裂强度的一般方程,在无低阻抗材料且作声学近似的条件下,即为Novikov的测定层裂强度的方程。研究指出,传统方法确定的层裂强度测定方程仅仅可能对采用瞬时层裂准则得到的数值模拟的层裂信号有效。数值模拟表明,层裂面上的由损伤演化引起的应力松弛严重影响层裂片中的应力剖面,因而影响靶板自由面速度历史或靶板-低阻抗材料界面应力历史。研究揭示,传统方法导出的估算层裂强度方程由于没有计及应力松弛,对于实测的靶板自由面速度历史或靶板-低阻抗材料界面应力历史并非有效。

预应力对LY12铝层裂强度的影响

通过过盈配合的热装配方法和机械夹紧方法对LY12铝合金平面样品施加了径向预应变,采用平面飞片撞击方法获得了预应力对层裂特性的影响。结果表明:当飞片以500 m/s的速度撞击样品,预应变为0(无预应变)、251×10-6、1108×10-6、1886×10-6时,层裂强度分别为1.130、0.935、0.755、0.643 GPa,初始预应力(变)明显降低了LY12铝层裂强度,证实了材料的层裂强度与初始应力状态密切相关,可为以后的非一维平面应变下的层裂研究提供参考。

论层裂强度(英文)

讨论了层裂强度的理论预估及经验确定.指出,平面冲击波致层裂试验的试件自由面速度或界面应力历史的实验最小值与损伤演化过程有关.数值模拟揭示,层裂面上的损伤演化严重影响层裂碎片中的波剖面传播.因此,平面层裂试验的“拉回”信号必须赋予新的解释。层裂强度的实验确定必须涉及层裂过程中的损伤演化.

延性金属层裂强度对温度、晶粒尺寸和加载应变率的依赖特性及其物理建模

层裂强度表征了材料内部最大动态抗拉能力,并与材料本身的力学性质以及损伤早期演化相关.建立层裂强度计算的解析表达式,深入认识层裂强度所包含的微细观物理涵义,有利于更好地优化延性金属材料的层裂强度.目前大量的实验表明:延性金属材料的层裂强度对加载拉伸应变率、温度效应以及材料初始微细观结构具有很强的依赖关系.本文基于对孔洞成核与增长的损伤早期演化特性的分析,以及对温度效应和晶粒尺寸与材料本身力学性质之间关系的分析,给出了简单、实用的层裂强度的解析物理模型,物理模型的计算结果与典型延性金属高纯铝、铜和钽的层裂强度实验结果基本符合,从而验证了我们给出的层裂强度模型具有较好的适用性和预测性.

偏应力对材料层裂强度影响的实验研究

采用热装配方法对平面样品施加径向应力,获得不同程度的偏应力,通过轻气炮实验获得了不同预应力下LY12铝合金层裂信号,结果表明:即使在相同撞击速度下,材料的层裂强度差异也发生明显变化。偏应力越大,材料的层裂强度越小,由于不同的球面层裂具有不同的偏应力场,通过本实验方法有可能将球面层裂与一维平变下的层裂联系起来。

增韧氧化铝陶瓷的层裂强度及压缩损伤研究

采用一级轻气炮对增韧ZTA 95/10陶瓷进行一维应变冲击压缩,通过激光干涉测速技术测量样品的自由面速度剖面,计算经过冲击压缩后残余的层裂强度,分析了其与加载应力的关系,并与未增韧的AD95陶瓷进行了对比,讨论了冲击压缩损伤程度随加载应力的变化关系以及增韧效果.结果表明:加载应力在其雨贡纽弹性极限σHEL(约4.1GPa)以下,ZTA 95/10陶瓷的层裂强度基本稳定,平均值为0.39GPa,材料未发生压缩损伤;超过σHEL,层裂强度逐渐降低,开始发生压缩损伤;层裂强度在1.5倍σHEL附近降低到0,表明压缩损伤程度比较严重.与AD95陶瓷相比,加载应力在3.7GPa(AD95陶瓷的冲击压缩损伤阈值应力)以下,两种陶瓷的层裂强度基本相当;加载应力进一步增大,AD95陶瓷的层裂强度快速降低,而增韧后的ZTA 95/10陶瓷的层裂强度下降并不明显,表明ZTA 95/10陶瓷的压缩损伤程度远小于AD95陶瓷,这在一定程度上体现了增韧效果.

基于加速度计的钢纤维混凝土层裂强度试验研究

为了研究钢纤维混凝土动态拉伸强度和应变率效应,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,采用加速度计取代贴应变片的方法消除应力波弥散和衰减的影响,在试件末端安装加速度计记录试件自由面的加速度,然后根据加速度积分得到的速度,基于一维应力波理论计算得到SFRC的层裂强度。试验结果表明,采用加速计进行层裂强度测试计算,方法简单,结果可靠,且在101~102s-1的应变率范围内,钢纤维混凝土具有明显的应变率效应。

拉伸应力区的声速测量、层裂强度和断裂密度

1 引言 在层裂的实验研究中，目前尚无法直接测量发生在材料内部的动态断裂过程。通常采用测量自由面速度剖面，推演出材料层裂特性的方法。在计算材料发生断裂时的拉伸应力即层裂强度时，需要知道拉伸应力即负压下的声速。测量负压下的声速比测量冲击压缩下的声速要困难得多。仅仅从自由面速度剖面并不能计算出负压声速，因为通常无法确定材料中应力由压应力转变为拉伸应力的“位置”、发生层裂的位置以及时间。能否通过特别的实验设计，确定发生这些过程的时一空位置，进而获得负压声速，一直是实验研究者企求解决的问题。下面介绍两种测量负压声速的实验装置设计和计算负压声速、层裂强度和断裂密度的方法，是这方面研究工作的尝试。

CoCrFeMnNi高熵合金冲击波响应与层裂强度的分子动力学研究

高熵合金未来有望应用于航空航天和深海探测等领域,并且不可避免地会受到极端冲击载荷作用,甚至会发生层裂.本文采用分子动力学(MD)方法,研究了CoCrFeMnNi单晶高熵合金冲击时的冲击波响应、层裂强度以及微观结构演化的取向相关性和冲击速度相关性.模拟结果表明,在沿[110]和[111]方向进行冲击时产生了弹塑性双波分离现象,且随着冲击速度的增加呈现出先增强后减弱的变化趋势,但在沿[100]方向冲击时未出现双波分离现象.在冲击过程中,大量无序结构产生且随冲击速度的增加而增加,使得层裂强度随冲击速度的增加而减小.此外,层裂强度也具有取向相关性.沿[100]方向冲击时产生了大量体心立方(BCC)中间相,抑制了层错以及无序结构的产生,使得[100]方向的层裂强度最高;层裂初期微孔洞形核区域无序结构含量大小关系的转变,使得[111]方向的层裂强度在冲击速度较低时(U_(p)≤0.9 km/s)大于[110]方向,而在冲击速度较大时(U_(p)≥1.2 km/s)略小于[111]方向.研究成果有望为CoCrFeMnNi高熵合金在极端冲击条件下的应用提供理论支撑和数据积累.

烧结钕铁硼的层裂强度及断裂机理

利用一级气体炮对烧结钕铁硼(Nd-Fe-B)永磁材料进行平板撞击实验,实现一维应变下的层裂;采用激光干涉测速技术,测量样品自由面粒子速度历史,确定了冲击压缩后层裂强度与加载应力的关系。结果表明:加载应力在0.375~2.512 GPa范围内时,层裂强度随着加载应力的增加先增加后减小,存在一个阈值,当加载应力超过该阈值时,材料发生压缩损伤,层裂强度随之减小。通过扫描电子显微镜观察样品断口形貌,发现在冲击载荷下烧结钕铁硼出现明显的穿晶断裂。

冲击加载下LY12铝合金的动态屈服强度和层裂强度与温度的相关性

采用可测量任意反射表面的速度干涉仪对LY12铝合金在不同初始温度条件下的动态屈服与层裂行为进行了实验研究,温度范围从室温到接近熔化温度.实验结果显示:LY12铝合金的动态屈服强度随着温度升高而快速下降,当初始温度为847K(比熔化温度低86K)时,其屈服强度仅为室温下的15%,层裂强度也随着温度升高而减小,在296—847K的实验温度范围内,层裂强度损失80%.通过实验结果与模型估算值的比较,发现ZerilliArmstrong(ZA)模型可以对LY12铝合金的动态屈服强度与温度的相关性进行较好的描述,而SteinbergCochranGuinan(SCG)模型对屈服强度的温度软化效应估计不足.对于铝基材料(包括纯铝、铝合金以及单晶铝),提出的经验公式较好地描述了归一化层裂强度与温度的相关性.

AD95陶瓷的层裂强度及冲击压缩损伤机理研究

采用激光位移干涉测试技术测量了AD95陶瓷在一维应变冲击压缩下的自由面或样品/窗口界面粒子速度剖面,确定了层裂强度及其与加载应力的变化关系,在此基础上讨论了冲击压缩损伤程度与加载应力的关系.研究结果表明:AD95陶瓷发生冲击压缩损伤的闽值应力约为3.7 GPa,小于其雨贡纽弹性极限(HEL,约5.47 GPa);小于阈值应力不发生冲击压缩损伤,层裂强度随加载应力的增加逐渐增大;大于阈值应力冲击压缩损伤快速发展,层裂强度迅速降低:在HEL附近层裂强度降低到零,丧失了抗拉能力,表明材料发生了严重的冲击压缩损伤.

骨料尺寸对混凝土层裂强度的影响

作为混凝土材料的主要组成部分,骨料对混凝土力学性能具有重要影响。但骨料尺寸对混凝土层裂强度的影响仍缺少研究。本文利用大直径Hopkinson杆对混凝土细长杆件进行层裂实验,通过放置在试件后方吸收杆上的波形测量混凝土层裂强度。对两种不同尺寸骨料的混凝土进行了不同冲击速度下的层裂实验研究。实验结果表明,在相同加载条件下,骨料尺寸越大混凝土层裂强度越低,其主要原因是大尺寸骨料混凝土的界面过渡区强度更低;混凝土层裂强度具有率效应,即加载率越高其层裂强度也越高。但当加载波超过一定阈值时,由于压缩损伤演化和积累,层裂强度会降低。

钢纤维混凝土层裂强度的实验研究

钢纤维能显著提高混凝土抵抗层裂破坏的能力,但纤维含量、长细比和形状对高应变率下钢纤维混凝土层裂强度的影响仍缺少系统研究。本文利用大直径Hopkinson杆对混凝土细长杆件进行冲击加载,通过放置在试件后方的空心铝合金杆上应变波形确定试件的层裂强度,系统研究了钢纤维含量、长细比和形状对钢纤维混凝土层裂强度的影响。实验结果表明钢纤维混凝土层裂强度具有应变率效应,即应变率越高层裂强度越高。钢纤维对混凝土层裂强度的增加与纤维影响系数α、纤维长细比和纤维含量三者之乘积具有线性关系。动态加载条件下的系数α高于静态,其原因主要是动态加载时纤维快速从基体拔出时动态剪应力增加。波浪形纤维混凝土的系数α比扁头型纤维高。根据实验结果建立了钢纤维混凝土层裂强度经验公式,公式预测结果能与实验结果较好吻合。

不同温度对混凝土坯层间劈裂抗拉强度影响试验研究

研究不同环境温度作用下混凝土坯层间性能的变化规律,对预测施工风险及施工过程中准确控制坯层结合质量具有重要意义。通过测定低热水泥混凝土在不同温度作用下坯层间的劈裂抗拉强度及坯层覆盖时下层混凝土的含水量和贯入阻力,对不同温度作用下低热水泥混凝土坯层间性能劣化机理进行了分析。结果表明:随着温度的升高,低热水泥混凝土的贯入阻力不断增大,表层含水量及劈裂抗拉强度逐渐降低。这主要是与温度影响着坯层间混凝土的水化速率、最终水化程度及上下层骨料间的嵌入程度有关。此外,引入了成熟度理论,建立了基于等效龄期的混凝土坯层间劈裂抗拉强度预测模型,根据该模型可以准确预测混凝土坯层间劈裂抗拉强度,并对坯层间结合质量进行实时预警和控制。

初始应力状态对材料层裂破坏特性影响研究

通过对球面飞片加载条件下的应力/应变状态分析表明采用施加径向应变方法可以近似模拟球面加载的受力过程.采用过盈配合的热装配方法对平面样品施加了径向预应变,一维平面应变气炮实验结果显示初始预应力(变)明显降低了LY12铝层裂强度.从空洞长大基本原理出发分析了各向异性受力条件下空洞长大的路径和所消耗能量不同于各向同性应力加载.通过数值模拟对含损伤的材料本构模型进行分析,得到了材料层裂强度与其外部宏观应力场密切相关,也间接的与构型相关的结论.

材料层裂研究的主要进展

层裂是一种重要的动态损伤破坏现象,由物质界面的反射稀疏波相互作用引起,其细观尺度上的物理机制是微损伤(即微孔洞和微裂纹)的成核、生长和汇合。围绕美国物理学会George E.Duvall冲击压缩科学奖的3位获奖者Grady、Curran和Johnson的相关工作,概述层裂现象的一些主要研究进展,简要介绍层裂现象的研究历史,以期更深刻地理解那些著名的层裂物理模型和实验技术。此外,报道了最近取得的最新研究成果,阐述了冻结不同损伤水平状态的双层靶层裂实验技术与Hopkinson压杆共通的工作原理。针对微损伤成核和生长断裂破碎模型NAG/FRAG在数学上的不一致性和在物理上的不完备性,指出对于延性材料的层裂过程,只要微孔洞成核的累积数目密度满足尺寸的指数分布、微孔洞半径的生长速度与半径呈线性关系,就能够得到解析形式的损伤度演化方程,该修正模型MNAG在数学上是一致的,在物理上是完备的;对于白以龙等建立的欧拉形式的微损伤数目守恒方程,指出计算损伤度不必显式求解该方程,损伤度的表达式一般通过拉格朗日形式的微损伤数目守恒方程获得;针对损伤度函数模型或封加坡模型,以更加简洁的方法进行了推导。

不同应变率下45钢的层裂研究

本文在利用轻气炮加载技术,确定击靶速度为500m/s左右的非对称碰撞情况下,利用VISAR测试技术,测得样品后表面的的自由面速度历史,并通过在靶前加不同阻抗的铝和有机玻璃(PMMA)来改变材料的加载应变率,其应变率范围在104～105/s情况下,测得45钢的层裂强度受应变率的影响.

晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响

采用不同热处理工艺制备了3种晶粒尺寸(60、100、500μm)的高纯铝板材,利用平板撞击实验研究了其层裂行为。通过改变飞片击靶速度,在靶板中实现初始层裂状态和完全层裂状态。基于自由面速度时程曲线和微损伤演化及断口显微形貌分析,讨论了晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响规律。实验结果显示:(1)晶粒尺寸对高纯铝板材层裂特性的影响强烈依赖于冲击加载应力幅值,在低应力条件下,层裂强度与晶粒尺寸之间表现出反Hall-Petch关系,而在高应力条件下,晶粒尺寸对层裂强度几乎没有影响;(2)随着晶粒尺寸的增大,靶板损伤区微孔洞的尺寸和分布范围均增大,但数量显著减少,在微孔洞周围还发现比较严重的晶粒细化现象;(3)随着晶粒尺寸的增大,层裂微观机制从韧性沿晶断裂向准脆性沿晶断裂转变,且在断口上观察到少量随机分布的小圆球,归因于微孔洞长大和聚集过程中严重塑性变形引起的热效应。