【摘要】：現(xiàn)實世界中的材料通常具有不均勻的內部結構。從結構的非均勻性出發(fā),材料在外部載荷作用下的變形也是不均勻的,會出現(xiàn)應力/應變集中現(xiàn)象,而材料的損傷和破壞往往由這些集中區(qū)域開始。材料變形的非均勻性問題已被廣泛研究,但大都將重心放在非均勻程度的表征和非均勻變形對材料宏觀性能的影響之上。相對而言,材料變形非均勻性形成的細微觀機理以及動態(tài)變形過程中非均勻性的演化形式研究尚顯匱乏。本文希望通過實驗和理論上的探索,將材料非均勻變形的起始與演化過程完整地展現(xiàn)出來。本文的主要研究對象是脆性固體與顆粒材料。固體材料的結構非均勻性體現(xiàn)在其內部含有長度、方向不一的或張開或閉合的微裂紋;顆粒材料的結構非均勻性體現(xiàn)在其由尺寸、形狀各異的顆粒和孔洞堆積而成。本文首先通過在傳統(tǒng)的動靜態(tài)加載裝置,即分離式霍普金森壓桿和MTS材料試驗機上添加帶有對稱雙斜面的墊塊,對花崗巖材料進行了不同變形速率、不同加載路徑的壓剪復合加載。利用高速攝影和數(shù)字圖像相關方法,獲取了花崗巖表面的橫向拉伸和最大剪切應變場�；诙S應變場,引入應變演化速率和損傷成核率兩個函數(shù),建立材料表觀變形與內部裂紋生長狀況的聯(lián)系,推導了應變場的統(tǒng)計演化方程,以從細觀尺度揭示非均勻變形演化機理。花崗巖材料具有明顯的應變率效應,通過演化方程計算發(fā)現(xiàn),高應變率會造成局部應變演化速率的加快和損傷成核率的升高。因此隨著加載速率的提高,花崗巖中應力/應變集中區(qū)域變形速率更快,更多的微裂紋會被激活,造成應變場具有高度的非均勻性,局部應變值呈現(xiàn)雙峰Weibull分布特征,其中第一峰代表材料基體部分的準彈性變形,第二峰代表材料損傷部分準彈性變形與裂紋成核擴展誘發(fā)變形的疊加。高應變率下大量的裂紋成核需要外界載荷提供更多的能量,花崗巖的破壞強度也更高。同時,花崗巖材料具有剪切敏感性,當應力路徑中存在剪切分量時,應變場演化過程中的局部應變演化速率和損傷成核率略有提升,導致應變非均勻局部化和裂紋成核擴展過程更容易發(fā)生,相應地材料壓縮破壞強度也有所下降。為研究材料內部結構的非均勻變形,在使用小型MTS材料試驗機和小型霍普金森壓桿對碳化硼粉末分別進行準靜態(tài)和動態(tài)壓縮加載的同時,利用原位X射線成像技術拍攝粉末中顆粒的運動過程,并利用數(shù)字圖像相關方法計算粉末內部應變場。準靜態(tài)壓縮下,粉末的壓實是整體性的,顆粒堆積較疏松時,壓實過程以顆粒平動為主,表現(xiàn)為正應變,應變場基本均勻;顆粒堆積較密實時,壓實過程以顆粒旋轉滑移填充孔隙為主,表現(xiàn)為剪應變,應變場呈現(xiàn)一定的非均勻性。動態(tài)壓縮下,粉末中存在壓實陣面以60-70 m/s的速度沿加載方向傳播。陣面前方為未壓實區(qū)域,變形小且均勻。陣面后方的壓實區(qū)域,具有高度非均勻的應變場。來源于隨變形速率提升而發(fā)生的壓、剪轉化過程,壓實區(qū)域的變形由顆粒的旋轉和滑移主導,且這種旋轉也具有成核、發(fā)展和愈合的特征。提出了等效剪切激活機制來描述動態(tài)壓實的成核。建立弛豫-擴散模型模擬動態(tài)壓實陣面以有限速度傳播的過程,當粉末堆積達到一定密實程度時,模擬效果較好。變形非均勻性和顆粒旋轉滑移程度的提升都能促進動態(tài)壓實的發(fā)展。相比于X射線成像,X射線衍射方法在材料細微觀尺度變形測量中具有更高的分辨能力。結合X射線成像與衍射技術,使用小型霍普金森壓桿對兩種孔隙度的碳化硼固體進行了動態(tài)單軸壓縮實驗。高孔隙度固體顆粒之間粘著力較小,沖擊壓縮下經歷短暫的變形非均勻性線性升高過程后,迅速發(fā)生粉碎性破壞,且破壞強度較低。低孔隙度固體的顆粒粘著力較大,雖有大量拉伸和剪切裂紋成核,但無法連接成為裂紋網絡,經歷持續(xù)時間較長的變形非均勻性線性升高,以及衍射峰的強度降低和劈裂過程后,發(fā)生由主裂紋貫穿造成的解離性破壞。通過弛豫-擴散模型計算,得出低孔隙度固體中破碎陣面的傳播速度約為2000 m/s,材料破碎程度整體上升的同時,局部具有輕微的不均勻分布。本文所研究的脆性固體和顆粒材料實際上都是由顆粒堆積而成的,區(qū)別只在顆粒間粘著力的大小。基于顆粒微力學機制,可以得到顆粒材料的非線性彈性本構關系。分別在靜水壓和一維應變狀態(tài)下利用該本構進行計算,可以得到壓剪耦合作用下的材料實際體積壓縮模量和剪切模量,與顆粒相對堆積密度、顆粒自身體積壓縮模量和剪切模量有關,同時受體應變和偏應變的大小控制。非線性彈性本構關系具有明顯的應變率效應,當材料的變形非均勻性和剪切變形程度升高時,整體應力隨應變的增長速率加快。另外,顆粒材料中的縱波和橫波波速也會受到壓剪耦合效應影響,剪切分量的增大會造成縱波波速降低以及橫波波速升高,但當剪切分量過大時,橫波波速會出現(xiàn)一定程度的降低。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ，邋（ａ）邋ｍｅｔａｌｓ，邋（ｂ）邋ｂｒｉｔｔｌｅ邋ｓｏｌｉｄ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ，邋（ｃ）逡逑ｇｒａｎｕｌａｒ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ．逡逑如圖１．２所示，起源于內部結構的非均勻性，各類材料在經受外部載荷時，逡逑即使整體變形是規(guī)則的（如單純的拉伸或壓縮），其中不同局部的變形也會具有非逡逑均勻性。下面將以脆性固體材料和脆性顆粒材料為例，具體說明非均勻結構與不逡逑均勻變形的關聯(lián)。逡逑脆性固體材料內部的非均勻結構存在大量的張開或閉合微裂紋，會隨著外部逡逑載荷發(fā)生變化，部分微裂紋經過成核、擴展和聚合為宏觀裂紋的過程，造成脆性逡逑材料整體破壞％？］。脆性材料在單向壓縮載荷作用下，歸功于微裂紋的隨機取向逡逑和礦物、骨料顆粒等的異質性，就可能存在局部的拉伸和剪切應力集中［１＿２］。而脆逡逑性材料的力學性能對拉伸和剪切更為敏感＾３２１，這種敏感性體現(xiàn)在外部的拉伸逡逑和剪切載荷相對于壓縮載荷能夠誘發(fā)更多的微裂紋被激活

Ｆｉｇ邋１．３邋Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｂａｒ邋ｄｅｖｉｃｅ邋ｉｎ邋ｃｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎ邋ｗｉｔｈ邋ｔｈｅ邋ｉｎ－ｓｉｔｕ邋ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ邋Ｘ￣ｒａｙ邋ｉｍａｇｉｎｇ逡逑ａｎｄ邋ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ．逡逑圖１．３展示了霍普金森壓桿（ＳＨＰＢ）裝置結合同時原位Ｘ射線成像和衍射系逡逑統(tǒng)的設計圖。單色或包含多種波長的Ｘ射線穿過非均勻材料后，絕大部分繼續(xù)逡逑沿直線傳播，另有一小部分由于衍射作用偏折一定角度傳播，利用閃爍體將Ｘ射逡逑線轉化為可見光，并被成像或衍射相機記錄［４Ｇ］。在高速沖擊實驗中，相機的觸發(fā)逡逑時間延遲需要精確到毫秒甚至微秒，以確保拍攝所需的材料變形階段。目前相機逡逑的拍攝速率能達到１＃量級，分辨率能達到數(shù)百ｄｐｉ，可以記錄到足量的材料動逡逑態(tài)變形信息［５７，６５］。逡逑１．２．２數(shù)字圖像相關方法逡逑傳統(tǒng)的變形測試方法，如應變片、引伸計等，只能獲取材料宏觀尺度的整體逡逑變形。對于非均勻的變形場

【參考文獻】

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本文編號：2724836