冲击压缩下玻璃等脆性材料中失效波研究进展.doc

冲击压缩下玻璃等脆性材料中失效波的研究进展PROGRESSINPHYSICSJun.,20012001年6月()文章编号:1000Ο0542200102Ο0157Ο19冲击压缩下玻璃等脆性材料中失效波的研究进展1,212孙承纬段祝平赵剑衡()11中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900()21中国科学院力学研究所,北京100080摘要:失效波的研究始于Rasorenov和Kanel发现K19玻璃样品后自由表面速度时程曲线上有反常再压缩信号。失效波是二十世纪九十年代冲击动力学研究领域的一个重要发现,它是指在一维平面应变冲击压缩下,在玻璃等脆性材料中由冲击波引起的一种独特的失效或破坏现象。较为系统地回顾近年来对失效波的研究工作,评述了研究现状、最新结果、发展趋势、研究方法和实验手段,对尚存的问题进行了分析讨论,并介绍了玻璃材料的基本特性。最后简单汇报了作者在这方面的研究工作和取得的阶段性结果。关键词:冲击波;失效波;断裂+文献标识码:A中图分类号:,且冲击载荷强度在玻璃样品的Hugoniot弹性()极限HEL以下时,正常情况下被碰撞玻璃样品中波的运动情况如图1a所示,当冲击波在t时刻到达样品后自由表面并向回反射稀疏波时,造成样品后自由表面速度增加,如0图1b所示。由于飞片的厚度和声阻抗均大于玻璃样品,且飞片与玻璃样品的交界面处不抗拉,因此当该反射稀疏波到达这个交界面时,将向飞片中透射和向回反射稀疏波,造成界面脱开,形成新的自由面。从样品后自由表面处反射来的稀疏波的后继部分到达这个新形成的自由面时,向回反射压缩波,因此在t时刻样品后自由表面处的速度先下降随11后上升。但是当冲击载荷接近HEL时,Rasorenov和Kannel的实验中得到的样品后自由表面速度时程曲线上却不是图1b所示界面脱开信号,而是如图2b所示的再压缩信号,且出现再压缩信号时刻t早于图1b中的t时刻。由于飞片的厚度远大于样品厚度,且21冲击载荷小于HEL,因此Kanel推测这个再压缩信号一定是在玻璃样品后自由表面处形成的反射稀疏波在到达飞片与样品交界面前,在样品中遇到一个声阻抗较小的界面并反射压缩波造成的,其波系见图2a。进一步的实验表明样品中这个声阻抗较小的界面确实收稿日期:2000Ο12Ο29()()基金项目:本项目得到国家自然科学基金19772048和中国工程物理研究院基金980103的资助存在,,。这个移动的、声阻抗较小的界面被Rasorenov和()Kannel称为失效波Failurewave。图1厚铜飞片碰撞下玻璃样品的冲击压缩过程图2厚铜飞片碰撞下玻璃样品中失效波现象23失效波的发现引起了国际冲击动力学界的广泛兴趣,Grady、Clifton和4,5Rosenberg等先后开展了这方面的研究工作。这一方面是因为失效波是一种新的、在冲击压缩状态下出现的独特的破坏现象,它的基本特性和以往对脆性材料断裂机制的认识相矛盾,引起失效波的机制非常复杂,到目前依旧不十分清楚;另一方面玻璃、陶瓷等脆性材料的抗压强度通常比金属高得多,并且具有密度小、耐高温等特性,有广泛应用,如装34甲材料等。近十几年来,脆性材料在冲击压缩下独特的动态响应特性得到了广泛和深入的研究。与失效波相似的现象研究可以追溯到二十世纪五、六十年代,当时人们注意到冲击压缩下花岗岩等脆性材料中,紧跟着先驱冲击波后有一个破碎界面在移动,当时叫作“破坏6,768()波”Destructionwave,提出了诸如自持断裂模型、极限速度模型等对其进行解释。但当时破坏波的概念覆盖范围较广,泛指在冲击加载下,冲击波后发生的由各种不同机制造成的移动的破碎界面,包括了剪切断裂、由后继稀疏波造成的破碎等等。二十世纪910七、八十年代,Kanel和Rosenberg等在一维平面应变冲击压缩实验中发现当冲击载()荷强度超过玻璃材料的Hugoniot弹性极限HEL时,玻璃的层裂强度突然下降为零,当时普遍认为HEL是玻璃材料在冲击压缩下发生断裂的一个阈值。1991年,Rasorenov和1Kannel等通过实验对失效波进行了较全面的描述并给出了确切的定义,同时指出早期测量中发现材料层裂强度为零是由于层裂面位置在失效波后。下面将对失效波有关机理的研究工作进展和可能的力学模型及实验研究方法作详细的介绍和说明。,13,21失效波后材料层裂强度为零的实验结果表明失效波后材料可能发生了破碎。4,141995年Bourne用高速摄影观察到失效波阵面上有大量的裂纹和裂纹的分叉,这是对失效波后材料发生了破碎,失效波的本质是一个移动的破碎界面的最直接的实验支持。在一维平面应变压缩状态下,破碎颗粒之间