（固体力学专业论文）冲击波压缩下岩石介质中的破坏波研究.pdf

摘要 非均质脆性材料内含有大量的微裂纹、微孔洞等微缺陷，在冲击波压缩下， 这些微缺陷可能由于局部的剪切应力作用而激活、扩展。与延性材料相比，脆 性材料在冲击波压缩条件下表现出许多异常的力学响应特性。论文回顾了脆性 材料中破坏波的研究进展和存在的问题，并选用“强角闪石化橄榄二辉岩”( 以下 简称a o w 岩石) 作为非均质脆性介质的代表性材料，实验测量了a o w 岩石在 冲击应力低予h u g o n i o t 弹性极t 粳( c r h e l ) 应力区内的压缩破坏特性，对破坏波现象 进行了较为系统的研究。主要内容如下： ( 1 ) 利用厚铜飞片撞击a o w 岩石样品，在冲击加载应力分别为0 8 0 2 g p a 、3 9 0 1 g p a 的条件下，首次明确地测量到一种不同于玻璃介质中的破 坏波现象。降低冲击加载应力，通过观察测量样品自由面速度历史中的二次加 载信号，确定了a o w 岩石产生破坏波的冲击应力阈值约为0 1 - 0 6 g p a ，远低于 该岩石的g h e l ( 7 8 g p a ) 。同时，通过恰当地改变飞片厚度，对比测量了a o w 岩石样品内压缩损伤区和未损伤区的层裂强度，结果表明未损伤区的层裂强度 约为3 1 6 4 m p a ，而压缩损伤区的层裂强度近似为零，进一步支持和确认了受压 岩石样品中破坏区的存在。 ( 2 ) 通过独特的实验设计，研究了a o w 岩石样品中破坏波的形成、传播和 演化规律。保持冲击加载应力不变，通过改变岩石样品的厚度，分别测量了再 压缩信号出现的时刻以及破坏区厚度，由此确定了不同厚度样品内的破坏区边 界。在o 8 0 2 g p a 、3 9 0 1 g p a 两种加载应力下，三种厚度( 6 m m 、8 m m 、1 0 r a m ) 样品内破坏区厚度x 与时间t 的关系式分别为t = 0 1 5 x + 1 2 、扣0 1 5 x + 0 5 。这 两条破坏区阵面的连接线不通过坐标原点，表明样品的破坏在冲击波阵面后有 一个明显的驰豫时问。当冲击应力为o 8 o 2 g p a 时，破坏区形成的驰豫时f a 】为 1 2 9 s ，该驰豫时间随冲击加载应力的增加而减少，当冲击应力达到3 9 0 1 g p a ( 约为材料o h e l 的一半) 时，驰豫时间减少为0 ，5 儿s 。破坏区阵面近似与冲 击波阵面平行，表明a o w 岩石中破坏波以接近冲击波的速度向样品内传播，远 大于玻璃中的破坏波速度。 ( 3 ) 根据实验得到的结果，对岩石介质中破坏波形成的物理机制进行了分 析，指出样品内的原生微缺陷受到剪切应力的作用而“就位”激活、扩展，是 形成破坏波的主要机制，该机制与已有文献对玻璃介质解释的“表面微裂纹扩 展机制”不同，是对脆性介质中冲击压缩损伤破坏的一种重要认识。论文结果 也进一步验证和支持了我们研究小组较早前提出的玻璃和岩石介质中可能存在 两类不同破坏波形成机制的学术观点。 关键词：冲击波，破坏波，非均质脆性介质，驰豫破坏，a o w 岩石 i l a b s t r a c t i n h o m o g e n e o u sb r i t t l em a t e r i a l sc o n t a i nn u m e r o u sp r e e x i s t i n gm i c r o c r a c k s ， h o l e s ，i n c l u s i o n s ，o ro t h e rd e f e c t sa n du n d e rt h es h o c kw a v ec o m p r e s s i o nt h e yc o u l d b ea c t i v a t e da n dg r o w t hd u et h el o c a ls h e a rs t r e s se f f e c t c o m p a r e dw i t ht h ed u c t i l e m a t e r i a l s ，b r i t t l em a t e r i a l se x h i b i ts o m ea n o m a l o u sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e su n d e rt h e e x t r e m ec o n d i t i o no fs h o c kw a v ec o m p r e s s i o n i nt h i st h e s i s ，r e c e n ts t u d i e sa n d q u e s t i o n so nf a i l u r ew a v ei nb r i t t l em a t e r i a l sw e r er e v i e w e d ，a n das y s t e m a t i cs t u d y w a sc o n d u c t e db yu s i n ga o w ( a m p h i b o l i z e do l i v i n ew e b s t e r i t e ) r o c ka sa r e p r e s e n t a t i v ec a n d i d a t ef o rt h ei n h o m o g e n e o u sb r i t t l em a t e r i a l s a ts h o c ks t r e s s e s m u c hb e l o wt h eh u g o n i o te l a s t i cl i m i t ( o h e l ) ，t h ea o wr o c ks p e c i m e n sh a v eb e e n s h o c kc o m p r e s s e dw i t l la ni m p a c to ft h i c ko f h cc o p p e rp l a t e ，a n dt h ev e l o c i t y h i s t o r i e sa tt h er e a rs u r f a c eo f t h es p e c i m e n sh a v eb e e nm e a s u r e d 、t h em a i n w o r ka n d c o n c l u s i o n si nt h ed i s s e r t a t i o na r eb r i e f l ys u m m a r i z e da sf o l l o w s ： a d e l a y e df a i l u r ez o n eh a sb e e nf i r s td e t e c t e dc l e a r l yi nt h ea o w r o c ka ts h o c k s t r e s so f0 8 o 2 g p aa n d3 9 o 1 g p a , r e s p e c t i v e l y , a n dt h ef a i l u r ei sa p p a r e n t l y d i f f e r e n tf r o mt h ef a i l u r ew a v ei nt h es t r e s s e dg l a s s f o rt h et h r e es p e c i m e n t h i c k n e s s e s ( 6 ，8 ，a n d10 r a m ) ，t 1 1 et r a j e c t o r i e so ft h ef a i l u r ef r o n t sa r ef i t t e db yt w o s t r a i g h tl i n e s ，r e s p e c t i v e l y , a tt h et w od i f f e r e n tl o a d i n gs t r e s s e s i ti sa p p a r e n tt h a tt h e f a i l u r ef r o n t sa r eb e h i n dt h es h o c kw a v ef r o n tw i t hac e r t a i nd e l a y t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et i m e ( t ，i n s ) a n dd i s t a n c e ( ) ( ，i ni l r n ) i sw r i t t e na s ：t = 0 1 5 x + i 2 ，a t 盯= 0 8 o 2 g p a 、f = 0 1 5 x + o 5 ，a t a = 3 9 0 1 g p a a n d ，= 0 1 5 xf o rs h o c k w a v e f r o n t t h ef a i l u r ed e l a yt i m eh a sb e e nd e t e r m i n e da s1 2 i _ t sa ts h o c ks t r e s so f0 8 o 2 g p a ，a n di td e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fs h o c ks t r e s s u pt o3 ，9 + 0 1 g p a ， n e a r l yh a l fo ft h e 盯h e l ，i tr e d u c e st oo 5 p s t h et r a j e c t o r yo ft h ed e l a y e df a i l u r e f r o n ti sp a r a l l e lt ot h a to ft h es h o c kw a v ef r o n t s u c haf a c ts h o u l di m p l yt h a tt h e e x p a n d i n gv e l o c i t yo f t h ef a i l u r ez o n eh a st h es a n l ev e l o c i t ya st h es h o c kw a v ef r o n t t h i sv e l o c i t yi sa p p a r e n t l yh i g h e rt h a nt h a to ft h ef a i l u r ew a v eo b s e r v e di nt h e s h o c k e dg l a s s e s t h et h r e s h o l dt oi n d u c e dd e l a y e df a i l u r ew a sr e s u l t e df r o mt h e e x p e r i m e n t s a n di ti sa b o u to ，1 0 6 g p a t h ev a l u ei sa p p a r e n t l yl o w e rt h a nt h a to f t h ea o wr o c k 6 h e l t h es p a l ls t r e n g t ho f t h ed i f f e r e n td i s t a n c ef r o mi m p a c tf a c ei n t h es h o c k e dr o c ks a m p l ew a sm e a s u r e db yv i s a r ，a n dt h er e s u l t sc o n f i r mt h e e x i s t e n c eo ft h ef a i l u r ez o n ei ns t r e s s e da o wr o c ks a m p l e p h y s i c a lm e c h a n i s mo f i l l t h ed e l a y e df a i l u r ef o r m a t i o nh a sb e e nd i s c u s s e d ap h y s i c a le 摹p l a n m i o nc o n s i d e r i n g t h e ns i t ua c t i v a t i o na n d g r o w t h ”o ft h ep r e e x i s t i n gm i c r o c r a c k sb yt h el o c a ls h e a r s t r e s su n d e rs h o c kc o m p r e s s i o ni sp r o p o s e df o rt h e p r e s e n to b s e r v a t i o n s k e yw o r d s ：s h o c kw a v e ，f a i l u r ew a v e ，i n h o m o g e n e o u sb r i t t l em a t e r i a l s ，d e l a y e d f a i l u r e ，a o wr o c k 武汉理，r 大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究意义 脆性介质由于其独特的物理、化学和力学特性，如玻璃、陶瓷、岩石等具 有弹性模量大、压缩强度高以及硬度高、熔点高、密度低、化学性能稳定等许 多优良性能，能够在各种苛刻的条件如高温、腐蚀和强辐射环境下应用，近年 来已成为非常有前途、应用日益广泛的工程结构材料。脆性介质对变形具有高 度敏感性，在强冲击载荷作用下由于具有许多不同于延性材料的力学响应特性 和破坏行为而引起众多学者的广泛关注和兴趣。岩石是一种典型非均质脆性材 料，开展岩石材料在冲击加载下的损伤破坏研究对于深入认识脆性介质的动态 力学特性有着重要意义，同时也将为岩石和矿山开采、冲击或爆炸成坑过程、 地下开挖和爆破、工程结构冲击防护等工程应用提供物理认识。 在外载荷作用下，固体材料响应的两大宏观特征是变形和破坏。变形是材 料对载荷响应最初期的宏观效应，破坏则是相继于变形加剧之后的后继宏观效 应。材料的破坏是微结构损伤累积的结果，而变形也是与材料内部的微结构的 损伤有着密切的联系( 例如材料的塑性形变与位错运动是相关的) 。材料的变形加 剧了微结构损伤的发展，微结构损伤反过来又会影响材料的变形。因而，在这 个意义上来讲，材料的变形和破坏是材料对载荷响应不可分割的两个方面。 材料的损伤破坏问题，作为一个涉及到固体物理、固体力学、金属学、冶 金学和爆炸力学等学科的交叉问题，对它进行研究也将会对这些与其紧密相关 的学科的发展起促进作用。 1 2 材料的损伤与破坏 材料的损伤是指冶炼、冷热工艺过程或荷载、温度、环境等的作用，使材 料的微结构发生变化，引起微缺陷成胚、孕育、扩展和汇合，导致材料宏观力 学性能的劣化，最终形成宏观开裂或材料破坏【l 】。从细观的、物理学的观点来 看，损伤是材料组分晶粒的位错、滑移、微孔洞、微裂隙等微缺陷形成和发展 的结果：从宏观的、连续介质力学的观点来看，损伤又可认为是材料内部微结 构状态的一种不可逆的、耗能的演变过程。 断裂破坏问题与损伤有着密切联系。毫米量级以上的宏观裂纹通常是由微 细观的孔洞、裂隙以及其它缺陷扩展、聚集演变而成。这种损伤发展演变的过 武汉理工大学硕士学位论文 程往往占构件总寿命的8 0 9 0 ，而宏观裂纹的形成、发展、断裂所经历的时 问，一般却只占构件总寿命的l o 2 0 。k r a j c i n o v i c 【2 j 认为，解决裂纹问题有两 类基本方法：一是g r i f f i t h 裂纹问题，着眼于宏观裂纹前缘的应力、应变和位移 的分析；另一类是k a c h a n o v 问题，着眼于微细观损伤场的形成和发展。这两类 问题并不一定是截然分开的，宏观裂纹尖端附近非弹性应变区的材料实际上处 于复杂的物理状态，即宏观裂纹周围存在一个损伤区。 材料的损伤破坏问题是一个非常复杂的问题。人们从科学的角度对材料的 断裂破坏问题进行研究从十七世纪就已开始，但是，系统的材料断裂理论的建 立却是二十世纪以来的事情。第一个关于材料断裂的系统理论体系断裂力 学，是二十世纪五十年代以来建立和发展起来的。断裂力学从数学上将宏观裂 纹归结为零应力边界，通过分析裂纹尖端应力、应变场，来解决裂纹的稳定和 不稳定扩展这样一类问题，在定量分析、评价实际工程材料和结构的安全使用 条件和期限等工程问题中，得到了成功和广泛的应用。断裂力学中所讨论的宏 观裂纹是假定预先存在的，它并不涉及初始无宏观裂纹的材料中如何出现宏观 裂纹这类材料断裂问题，即断裂力学要解决的是宏观裂纹传播问题，并没有回 答宏观裂纹在材料中是如何出现的问题和材料发生断裂的问题。然而，后者是 对材料断裂本质研究中更感兴趣、更重要的一类问题。不仅如此，在许多情况 下，例如在冲击载荷条件下，所遇到的材料断裂问题也主要是断裂如何发生的 问题。再者，深入研究这一问题，也有助于解决裂纹的传播问题。 材料的断裂是一种在宏观尺度下发生的破坏现象，与载荷条件和边界条件 密切相关，在宏观尺度下显示出了很大的复杂性。例如在应力波作用下不但会 发生拉伸断裂，在同时有压、剪应力作用时，还会出现因塑性变形局域化而引 起的断裂，即绝热剪切带断裂；在交变应力作用下会发生疲劳断裂，等等。要 理解这种宏观尺度下出现的各种断裂现象之间的内在联系，需要深入到材料的 内部结构层次上分析断裂问题。对受损伤材料样品作细观尺度的观察发现，在 拉伸应力作用下，材料的损伤模式有两种，一种是以出现大量孔洞为特征的延 性损伤破坏模式，另一种是以出现裂纹为特征的脆性损伤破坏模式；在压、剪 应力作用下，材料中还会出现大量的微裂纹、微剪切缺陷等。材料从微结构损 伤累积到宏观断裂的过程，就是这些微缺陷( 或微损伤) 的成核、扩展和贯通的过 程 3 1 0 随着冲击加载技术和测试技术的发展进步，材料的冲击动力学研究取得了 很大进展，进一步加深了材料在冲击压缩下力学响应特性和破坏行为的认识和 理解。研究表明很多材料在冲击加载条件下表现出许多不同于静态或准静态条 件下的力学响应特性和破坏行为，玻璃、陶瓷和岩石等脆性材料更是如此。其 武汉理工大学硕士学位论文 中，玻璃、陶瓷等脆性材料在冲击压缩加载下产生的“破坏波”( f a i l u r ew a v e ) 现象是二十世纪九十年代冲击动力学研究领域的一个重要问题，它是冲击波压 缩条件下玻璃等脆性介质表现出的一种独特的破坏现象。在冲击加载应力低于 或接近于材料h u g o n i o t 弹性极限( a h e l ) 时，在远离冲击波阵面之后紧跟着一个 以较低速度向材料内部推进的破坏区，这个移动的破坏区边界称为“破坏波”。 由于材料的o n e 。标志着材料在一维应变条件下弹性变形向非弹性变形的过渡， 而导致玻璃、陶瓷等脆性材料破坏的破坏波是在低于钮e l 的加载条件下产生的， 传统的材料损伤破坏理论难以对此给出合理的解释。对岩石材料在应力低于 a h e 。的冲击压缩条件下的力学响应特性和破坏行为的研究将为玻璃、陶瓷等其 它脆性材料的研究提供更进一步的认识。 1 3 国内外研究现状 材料的脆性与塑性、材料表现为脆性断裂或屈服后断裂，除与材质本身有 关之外，还与工作条件( 如加载方式、温度、环境等因素) 有关。 1 3 1 裂纹成核与扩展 图1 1裂纹扩展的三种类型：i 张开型i i 滑开型i i i 撕开型 在外载荷作用下裂纹扩展有三种性质不同的可能形式( 如图1 1n 示) t 4 , s j 。 i 型( 张开型) 与应力的作用相对应，裂纹壁被垂直分开；i i 型( 滑开型) 与垂直裂 纹前缘方向上裂纹壁互相剪切相对应；i i i 型( 撕开型) 与平行于裂纹前缘裂纹壁互 相剪切。在工程实际中，三种类型中第一种与固体中裂纹的扩展关系最大。如 脆性裂纹总是趋于剪切载荷最小的方向。在另一些情况下，例如在高塑性金属 和聚合物( 有利于韧性撕裂) 和在岩石中( 巨大的压力制止了张开型的断裂) ，也会 产生剪切断裂。固体中的裂纹是如何产生的? a s h b y t 6 j 】、s a m m i s 8 l 等认为许多 材料中预先就存在着成核的中心微缺陷。在压缩载荷作用下，应力引起微 裂纹的成核和扩展是脆性岩石变形和破坏的主要机制【9 - 1 4 1 。 武汉理 ：大学硕士学位论文 在外载荷作用下，脆性固体通过裂纹的传播而破坏。裂纹的成核和传播源 自于孔洞、夹杂物、微裂纹、表面擦伤或者其他的缺陷。脆性材料的拉伸破坏 和压缩破坏有显著的不同：在拉伸时是一个孤立的裂纹不稳定扩展，它一旦开 始扩展将加速通过整个样品而引起破坏；而在压缩时是大量的小裂纹稳定地扩 展，随着应力的增加每一个小裂纹都变长、扩展，然后相互作用、融合进而引 起固体的破坏。正因为如此，脆性材料的压缩强度通常是拉伸强度的1 0 2 0 倍 或更大。 在g r i f f i t h 、i r w i n 和其它学者的研究基础上，脆性拉伸破坏的研究取得了较 大的进展，并最终导致了破坏力学的发展。脆性压缩破坏的研究时间是比较短 的，并且仍是不完善的。一系列的文章和评论 7 - 1 2 , 15 1 已经建立了这样的模型：含 有孤立裂纹的大物体，在压力作用下孤立裂纹稳定扩展，直到裂纹的尺寸与物 体尺寸有可比性为止。这样的裂纹总是存在于天然岩石、砖块、混凝土和大多 数陶瓷中，在压力作用下，它们稳定地扩展，当这些裂纹的尺寸与物体尺寸有 可比性时，它们开始相互作用开始一个不稳定的扩展，然后样品破坏。 在压应力作用下，物体变形过程中裂纹的实际形成过程是很难观察到的。 b r a c e 等l l6 j 认为裂纹可能有三种张开形式( 如图1 2 所示) ：( a ) 可能沿晶内或晶界 在轴向开裂；( b ) 可能形成在三晶粒边界或三个预裂纹的交会处，其中两个是倾 斜的，另一个沿轴向，在轴向压力作用下沿两倾斜面滑动而致使裂纹张开；f c ) 也可能在倾斜预裂纹或倾斜晶粒边界的末端形成。 在压缩应力区域，在微裂纹、孔洞、夹杂物和其它的缺陷等处都能引起新 裂纹的成核和扩展。如果这些裂纹扩展到样品表面或者它们彼此融合，那么它 们将不稳定扩展，然后形成宏观断裂。在材料科学、力学、地球物理、以及与 丫 图1 - 2 压应力作用下裂纹的三种形成方式 武汉理工大学硕士学位论文 ( a )( b )( c ) 图1 3 压缩作用下脆性固体的破坏方式 水泥和混凝土应用相关的工程学分支等许多领域都对这一主题进行了大量的研 究。研究表明结晶陶瓷、岩石和矿石等脆性固体中常常包含有许多尺寸大约等 于晶粒尺寸的裂纹和孔洞。通常认为它们是由早期的热作用引起的热应力或者 机械作用所产生的弹性应力所形成的。声发射和体积测量的研究表明：当轴向 压应力达到大约最终破坏应力一半时，裂纹开始扩展、传播；即使是在压应力 状态，微裂纹的数量和长度随着应力的增加而增加，进而引起样品体积的膨胀 。微观观察发现微裂纹沿着平行于最大压应力的方向扩展，直到它们融合而 形成典型的宏观破坏之一”。 典型的破坏行为也与围压有关( 如图1 3 所示) 。简单的轴向和径向压缩( 如 图1 3 a 、d ) 引起一些微裂纹沿着与最大压应力轴平行的平面传播、贯通直至破 坏。较低和中等的围压抑制了无限的微裂纹的长大，一部分微裂纹相互作用而 形成破坏剪切带( 如图1 - 3 b ) ，破坏剪切带与压力轴的夹角随着围压的变化而改 变。较高的围压进一步限制了微裂纹的长大，单一的破坏面没有形成；反而代 替的是，样品的变形是被许多短的、均匀分布的微裂纹引起的假延性大变形( 如 图1 3 c ) 。脆性固体的拉伸破坏理论认为：当在裂纹尖端的应力强度( k 。) 超过固 体的临界应力强度或者断裂刚度( k t c ) 时，沿最长的和最利于扩展方向的一个孤 立裂纹开始不稳定地扩展破坏。而脆性材料的压缩破坏理论则更为复杂。 m c c l i n t o c k 和w a l s h t ”j 等许多学者试图模拟裂纹从一个椭圆形缺陷的应力区域 开始扩展、传播，而且希望找到裂纹在表面某一点首先开始扩展的条件：这 初始应力条件被假定与破坏相对应。c o o k l e y 1 s 指出轴向裂纹的传播是一个稳定 的过程，它们并没有轻易地融合、连贯，因此，固体破坏时的应力比微裂纹开 始扩展时的应力要大得多。a s h b y l 7 分析了在p m m a 样品中原生倾斜裂纹( 人工 武汉理工大学硕士学位论文 ila 、ll ll q il f 口、fff fa ，f 图1 4 在微裂纹、微孔洞处形成裂纹示意图 添加) 的扩展并且研究了一大批裂纹相互作用的条件。一个倾斜裂纹的翅裂纹和 微 l 洞长大示意图如图1 - 4 所示。a s h b y 等1 6 , 7 1 的观察表明：初始裂纹与最大压 应力轴的夹角、l ，影响裂纹的长大，当、l ，为4 5 0 左右时裂纹扩展最快，所有 3 0 0 q o 。的裂纹几乎在相同的压应力下开始长大；样品的宽度也影响裂纹的扩 展，样品越窄裂纹扩展得越快，这表明裂纹和平行于它扩展的外表面之间有较 强的相互作用；在样品内有一大批裂纹的情况下，翅裂纹在载荷远低于一个孤 立裂纹开始扩展的载荷值时即开始迅速扩展，亦即当有另个裂纹在附近时， 翅裂纹扩展更容易，但是当翅裂纹的尖端与临近裂纹的中心齐平时，裂纹停止 扩展，即使再把载荷增大，裂纹的长度也只有较小的增长；另外，与有限板状 样品的表面相结合的裂纹比在无限板里的裂纹扩展得更快。 当裂纹成核以后，裂纹虽然要开始扩展，但实际上仍处于受到裂纹核影响 的阶段，当裂纹成核所需应力不足以使形成的裂纹扩展时，裂纹将处于成核与 扩展的中间阶段。只有不断增加外部载荷，才能使裂纹扩展到成核区域以外继 续扩展。 1 3 2 冲击压缩下脆性材料的损伤与破坏 1 3 2 1 高应变率下材料的力学性能及破坏行为 高速作用于物体上的载荷称为冲击载荷。以采矿和筑路中广泛应用的凿岩 机为例，其活塞以6 8 m s 的速度冲击钎杆，钎杆再将冲击能量传递到钎头，从 而使岩石破碎。又例如作为反坦克武器的长杆穿甲弹，以1 5 2o k m s 速度击靶 后实现侵彻穿孔。人造卫星和导弹在宇宙飞行过程中与陨石碰撞的相对速度可 高达2 0 k m s 。一般来说，冲击速度愈高，则材料的应变率愈高，准静态加载的 一 f 一 一 一 武汉理工大学硕士学位论文 应变率为1 0 5 1 0 1 s 一。量级，冲击加载的应变率通常为1 0 2 - 1 0 4 s - 1 ，甚至可达1 0 6 s 以上。随着应变率的提高，本构关系中的动态响应便显示出来，表现为材料强 度的提高，而塑性、韧性的变化则较为复杂。材料的应力水平与其应变程度、 应变率及温度有关，可表示为 盯= f 忙，j ，r ) 在不同的应变率下，同种材料的变形机理和断裂模式也可能不同。材料对冲击 载荷的响应可分为三种情况【l t ”j ： 1 ) 弹性响应：当外载荷产生的应力低于材料的屈服点，应力波的传播不造 成材料不可逆的变形，材料表现为弹性行为，线性胡克定律适用。 2 ) 弹塑性响应：当应力超过屈服点，材料的响应可用耗散过程来描述，要 考虑大变形、粘弹性、热传导等，本构方程十分复杂，呈非线性。 3 ) 流体动力学热力学响应：当应力超过材料强度几个数量级或更高时，材 料可作为非粘性可压缩流体处理，其真实结构可不予考虑；材料的响应可用热 力学参数来描述，其本构关系可用状态方程表示，也为非线性。 在冲击载荷作用下材料的动态响应的复杂性还在于它繁多的影响因素，飞 片和靶的相对速度、力学性能( 如各种强度、塑性、韧性指标和弹性、塑性模量 等) 、物理性能( 如密度、比热、导热系数以及熔化热等) 及其几何性状等都可能 对材料的力学响应和破坏行为产生影响。靶板在冲击载荷作用下的破坏模式有 多种，它取决材料( 硬度、塑性、厚度等特性) 、碰撞方式、碰撞速度、靶板的约 束方式等许多因素。在冲击载荷作用下，可能的破坏模式有层裂、冲孔、穿孔、 星状开裂、剥落、脆性破碎等多种破坏模式 2 1 , 2 2 。 材料在冲击载荷作用下的损伤和破坯是一类与速率相关的复杂的动态过 程。2 0 世纪7 0 年代以来，许多学者都力图去建立动态损伤的理论体系，其中有 两个具有代表性的理论：一个是d a v i s o n 2 3 , 2 4 1 的层裂损伤( s p a l ld a m a g e ) 连续场理 论：另一个是c u r r a n 2 5 , 2 6 的微观统计断裂力学理论，这个方法试图从细观损伤 的物理分析出发，建立起有关累积损伤的统计理论。c u 玎a i l 【2 7 】提出了在冲击载 荷作用下可导致材料破坏的五种细观速率过程：塑性流动、冲击相变、延性微 孔洞的成核和生长、脆性微裂纹的成核和生长以及剪切不稳定的成核和生长。 在材料的细观层次上，一般认为损伤有以下几种基本形态：微裂纹、微孔洞和 剪切带 2 7 , 2 8 】。材料细观组织结构上的不均匀性以及材料细观变形上的不均匀性， 均可以成为微裂纹和微孔洞的起源。微裂纹往往对应于脆性的破坏条件，微孔 洞则对应延性的破坏条件。这种差异既依赖于材料的性质，也依赖环境因素， 如加载速率和温度等。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 2 脆性材料的动态特性 陶瓷、玻璃和岩石等脆性材料一般来说是非常硬和脆的，它们经常在应变 不到1 时就发生破坏。在动态加载条件下，陶瓷材料的最终破坏强度( 冲击或 峰值强度) 是高度应变率敏感的【29 ，3 0 】。在冲击应力低于材料的h u g o n i o t 弹性极限 ( 1 3 - 一e l ) 的情形下，以微断裂或微塑性形式出现的损伤在陶瓷和陶瓷混合物的变形 和破坏中起着十分重要的作用。这一点已为l a n k f o r d l 3 ”，l o n g y 3 2 1 ，r a v i c h a n d r a n 和c h e n l 3 3 1 ，r a i s e r 3 4 1 ，s u b h a s h 和n e m a t n a s s e r t 3 5 】等众多的研究所证实。在压 缩和拉伸脉冲加载下，岩石和其他的矿物也经受以微断裂形式存在的损伤1 3 6 , 3 7 1 。 r a v i c h a n d r a n 和s u b h a s h 3 8 1 指出：在脆性或准脆性材料中，描述损伤的主要微观 机制就是在任何不均匀( 例如夹杂物、支架处) 或者在缺陷( 例如微裂纹、微孔洞) 处成核和扩展的微断裂。 13 2 f 3 玻璃、陶瓷等脆性材料中的破坏波 “破坏波”是在冲击波条件下玻璃、陶瓷等脆性材料中的一种独特的压缩 破坏现象。1 9 9 1 年r a s o r e n o v 等人首次报道了在k 1 9 玻璃中观测到，在冲击加 载应力强度低于或接近于h u g o n i o t 弹性极限( g h e l ) 时，在远离冲击波阵面之后 紧跟着一个以较低速度向前推进的破坏区，这个移动的破坏区边界称为“破坏 波”( f a i l u r ew a v e ) 。由于材料的6 h e l 标志着材料在一维应变冲击条件下弹性变 形向非弹性变形的过渡，而导致玻璃、陶瓷等脆性材料失效的破坏波是在低于 o h e l 的加载条件下产生的，这对传统的材料强度理论提出了强有力的挑战。 r a s o r e n o v 等i j 刈进行的平面爆轰波冲击实验通过v i s a r 测量k 1 9 玻璃样品 的自由面速度历史发现，当冲击压缩应力超过某一阈值但低于材料的gh e l 时， s 要 、 茸 曼 岁 3 晶 g 芷 0 8 o 6 0 4 02 o 0l23 t i m e ( ”s ) 图l 一5k 1 9 玻璃在冲击压缩下的自由面速度历史 武汉理丁大学硕士学位论文 存在一个由自由面反射的稀疏波在试件内具有较低声阻抗的破坏区界面反射造 成的弱的二次压缩信号( 如图1 5 所示) ，表明玻璃内存在一个远离冲击波阵面之 后的、以较低速度传播的破坏区边界，即破坏波。随后b r a r 等【4 0 、b r a r 和b l e s s 4 1 1 利用锰铜计测量平板冲击实验中破坏波前后区域的层裂强度、剪切强度以及 k a n e l 4 2 用v i s a r 对平面爆轰实验中玻璃样品的自由面速度测量确认了玻璃中 破坏波的传播。以后在碱石灰玻璃、钠玻璃、硼硅酸玻璃、铝硅玻璃等板和杆 中的许多实验对此现象做了进一步的证实h 9 1 并对破坏波速度与冲击加载应 力、纵向应力、横向应力的关系，以及破坏区内的材料强度和破坏波产生的机 制等问题进行了研究。 1 ) 破坏区内的力学特性 r a s o r e n o v 39 1 、b r a r 4 0 , 4 1 】、k a n e l 42 1 、r a s i e r 4 6 1 、b o u r n e l 4 7 1 等人相继发现破坏 区内的介质有较低的冲击阻抗，层裂强度几乎降为零，而剪切强度也显著降低， 横向应力上升，纵向应力无明显的变化( 如图1 - 6 所示) 。这些观察结果表明破坏 区内材料的力学性能已经降低，在此区域内材料已经严重损伤或者完全碎裂。 b o 啪e 【5 0 】用高速摄影观察到破坏波阵面上有大量的裂纹和裂纹的分叉，这是对 破坏波后的材料发生了破碎，破坏波的本质是一个移动的破碎界面的最直接的 实验支持。 2 ) 破坏波的速度 许多的实验结果表明破坏波的速度是比较慢的，冲击载荷应力强度在 3 - 9 g p a 范围内，其值大约为1 - 2 5 k m s 3 9 - 4 1 , 4 3 , 4 5 , 4 6 ，并且破坏波速度随冲击应力 的增加而增大。贺红亮( 4 3 】等在对k 9 玻璃的研究中发现：破坏波速度随冲击加 t i m e ( 岫) 图1 - 6k 8 玻璃在冲击压缩下的纵向、横向应力历史 9 笛山。一d扫 武汉理工大学硕士学位论文 载应力的提高而上升，当加载应力从5 3 4 g p a 上升到8 0 2 g p a 时，破坏波速度 由o 8 2 k m s 上升到1 3 7 k m s 。r a s o r e n o v 【3 9 、k a n e l 4 2 】发现在k 1 9 玻璃样品中破 坏波速随着传播距离的增加而降低，并不是一个常数：然而b o u r n e 等【5 ”、 d a n d e k a r 和b e a u l i e u 口2 j 认为在某一确定的应力水平时破坏波的速度是不变的， 不随传播距离改变。文献【5 2 j 对碱石灰玻璃样品的研究表明：对于确定的冲击应 力强度，厚度为3 1 9 4 m m 的样品中破坏波的速度为常数，约为l5 6 k m s 。 b o u r n e 4 7 , 5 1 的研究发现随着冲击应力从4 g p a 增加到7 g p a 时，碱石灰玻璃 样品中的破坏波速度从2 2 k m s 增加到2 6 k m s ，当应力水平超过材料的a h e l ( 约 为8 5 g p a ) 时，仍然观察到了破坏波的传播，并且破坏波速度仍随应力的增加而 上升，直至冲击压缩应力约为2 6 h e 。时，冲击波阵面之后的材料立即发生破坏， 破坏波和冲击波一起传播。r a s o r e n o v 3 9 1 认为当冲击应力低于材料的咖e l 时，破 坏波速度随冲击压缩应力的增加而增加，但当冲击应力超过材料的6 h e l 时，破 坏波现象消失，因为在冲击应力超过1 0 g p a 时，玻璃材料开始了致密过程，冲 击应力达到1 5 g p a 时致密化达到最大程度，在不可逆的致密过程中，剪应力的 弛豫遏制了剪切微裂纹的成核与传播，因此，在致密区域中没有观察到破坏波。 b r a r 4 0 1 等在对玻璃样品的冲击实验研究中发现破坏波传播速度超过最大裂纹扩 展速度，但它不是常数。在杆中，破坏波速度为2 3 k m s 5 2 k i t l s ，随冲击速度的 增加而增加；而在板中破坏波速度约为2 k m s 。章冠人1 5 3 】认为在破坏波传播过 程中，介质部分弹性能转化成了介质破碎需要的表面能，又由于破碎是裂纹扩 展的结果，因而破坏波传播速度不会超过裂纹开裂的速度，约为0 5 0 7 倍的体 声速。 另外，破坏波现象一般是在冲击压缩应力低于或接近材料仃w e l 的情况下观 察到的，对于破坏波形成的初始应力条件，依据材料而有所不同。r a s o r e n o v 3 9 认为破坏波产生的阈值条件是冲击载荷接近材料的d h e l 。b r a r t 4 0 在碱石灰玻璃 ( f f h e l 约为6 4 g p a ) 中发现应力低于3 8 g p a 时，没有观察到破坏波现象，当应力 超过这个值时观察到了破坏波现象。贺红亮【4 3 】在k 9 玻璃( g h e l 约为8 5 g p a ) 的 研究中，当应力超过4 2 g p a 时都观察到了破坏波现象：e s p i n o s a 4 8 1 认为碱石灰 玻璃产生破坏波的初始应力应为4 g p a 。总结这些实验的结果，一般认为产生破 坏波的冲击压缩应力阈值约为0 5 g h e l 。但也有一些实验表明破坏波可以在远低 于材料的叮h e l 的条件下产生。 综合已有文献的报道，对玻璃材料中的破坏波研究表明：在一维应变冲击 条件下，冲击加载应力强度在低于盯h e l 时，破坏波产生于冲击样品表面并向样 品内部传播：对于不同类型的玻璃，破坏波速度低于材料的冲击波速度，而接 近于剪切波速；破坏区的层裂强度基本丧失，剪切强度显著降低，声速和声阻 武汉理 ：大学硕士学位论文 抗明显降低，透光性降低；在破坏波之后的介质，横向应力显著增加，而纵向 应力无明显变化：破坏波的传播速度随着冲击压缩应力强度的增加而增加。在 这些观察的基础上，说明破坏区内有大量的微裂纹产生，此区域内的材料已经 严重损伤或者完全碎裂。由此可见，在冲击压缩下产生的破坏波在本质上不同 于延性材料中的塑性波。 3 1 破坏波形成的物理机制 破坏波是怎样产生的? 限于破坏波现象的研究时间还不太长，现有的实验 数据、结果尚需充实；同时又由于破坏波现象本身的复杂性以及在冲击动力学 研究中的测试技术，破坏波的许多基本的力学、物理特性还不为人知。本文根 据文献报道归纳成以下三种破坏波形成机制，以便论文后续的讨论。 a 表面微裂纹扩展机制 1 9 9 1 年r a s o r e n o v 3 9 1 等人首次提出了表面微裂纹扩展机制，即破坏区是由 玻璃样品表面的原生微裂纹在冲击压缩载荷作用下向材料内部扩展和传播引起 的。贺红亮【4 3 , 4 4 】通过双层k 9 玻璃样品的冲击实验，发现破坏波首先在样品冲击 表面产生，然后内置界面也产生了破坏波，b o u r n e 【47 】也发现在玻璃内置界面处 有破坏波产生，这进一步支持了表面微裂纹扩展机制。r a i s e r 等【4 6 、章冠人 5 3 】 也认为破坏波是表面微裂纹扩展和传播的结果。 在外载荷作用下，脆性固体通过裂纹的传播而破坏。裂纹的成核和传播源 自于孔洞、夹杂物、微裂纹、表面擦伤或者其他的缺陷。脆性材料在压缩作用 4 o 3 5 3 , 0 2 5 g2 0 一h l5 10 05 oo 0 4 t i m e ( b t s ) 图1 7 不同表面粗糙度的玻璃在冲击压缩下的横向应力历史( 1 0 m m 厚的 铜飞片，碰撞速度为6 2 0 i - _ 5 m s ，锰铜应力计离冲击面2 m m 、1 2 r a m ；冲击 面和内界面处理相同，样品表面处理分别为：抛光、用2 5 b t m 金刚石研磨膏 研磨、用1 0 0 “m 金刚石研磨膏研磨) 武汉理_ 【：大学硕士学位论文 下大量的小裂纹稳定地扩展，随着应力的增加每一个小裂纹都变长、扩展，然 后相互作用、贯通进而引起固体的破坏。 b o u r l l e 【4 7 】做了材料表面粗糙程度对破坏波影响的实验，通过锰铜计测量样 品中应力变化情况( 如图l 一7 示) ，发现相同速度的飞片撞击玻璃样品时，在距 离碰撞面2 m m 的地方，不同表面粗糙的样品中横向应力变化基本相同。而在距 离碰撞面1 2 m m 的地方，横向应力在1 8 u s 时开始上升，但随后的变化却明显 的不同，表面越粗糙横向应力的再次上升时间越早，即破坏波出现越早。由此 认为表面粗糙度对破坏波的产生有明显的影响。 b 相变机制 1 9 9 3 年c l i f t o n l 45 j 根据玻璃的实验结果和非线性波动理论提出了破坏波形成 的相变机制。认为破坏波的形成是因为玻璃内在的体积特性而不是表面状态， 破坏波是一个移动的相变边界，玻璃介质在冲击波压缩下诱发了众多不均匀的 局域性结构相变点，这些点与周围的介质之间出现强畸变的变形区，产生大量 的微裂纹，使玻璃的细观结构遭到破坏，丧失层裂强度。 有些迹象表明在玻璃中的破坏波可能是由相变产生。似斜坡的波阵面表明 一个非线弹性响应( 应力一应变曲线的斜率单调减少) 。而且一些学者已经在碱石 灰玻璃、熔凝硅石、石英和长石等材料的冲击实验中观察到了相变发生。g i b b o n s 和a h r e n s p 4 1 在冲击压缩应力超过4 0 0 p a 的碱石灰玻璃中观察到了永久性的折 射率变化。若这是相变发生的迹象，则这个最小值与报道破坏波产生的应力极 限( b r a r 等【4 0 】) 是一致的。k l e e m a n 和a l l r e n s 【5 5 】发现：石英在冲击压缩应力超过 9 0 g p a 时，通过用x 光检测回收的样品，发现它已经变成了超石英。c h h a b i l d a s 和g r a d y 5 6 1 观察到：当熔凝硅石受