石材动态力学性能的研究现状与发展趋势(上)①

李子沐,王宁昌,姜峰,2,徐西鹏

(1.华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,福建厦门361021 2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海200240)

石材动态力学性能的研究现状与发展趋势(上)①

李子沐1,王宁昌1,姜峰1,2,徐西鹏1

(1.华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,福建厦门361021 2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海200240)

简单介绍了分离式霍普金森压杆装置及其工作原理,从不同种类的岩石、不同环境参数条件下的岩石以及岩石破坏机理的角度对岩石动态力学性能的研究现状进行了综述与评价,指出现有的研究主要还是试验研究,对金刚石加工石材过程中的切削力和已加工表面质量等物理量的测量以及对石材加工过程中材料去除机理的研究相对较少。继而讨论了石材本构与加工过程物理量的关系,得出石材的动态力学性能应用于其加工过程物理量的预测是可行的结论,并指出如何利用石材的动态力学性能以及相适应的数值仿真手段,对冲击作用、岩石微观组织演变和应力变化这三者之间的作用机制,失效机制等相关理论进行研究将是个非常重要的研究方向。

霍普金森压杆、岩石、动态力学性能、石材加工

1 引言

我国是一个地大物博、石材资源极其丰富的国家,是目前世界上石材产量第一的国家,这一方面体现出我国石材行业在规模巨大,石材加工的技术水平方面都属世界前列,另一方面也反映出我国的石材原料量在不断减少。因此,如何提高开采效率,提高石材加工水平便成为一项非常重要的研究。现有的研究主要还是试验研究,对石材加工过程中的切削力和已加工表面质量等物理量的测量,对石材加工过程中材料去除机理的讨论还比较少。材料的动态力学性能是材料去除过程的主要内在影响因素,主要表现在:①锯切力由材料的本构模型所决定,这从石材的动态应力-应变关系可以得出。②锯切破碎由材料的动态断裂强度所决定,这可通过不同应变率下的失效应变定量反映出来。本文从动态力学测试试验设备及其基本原理、石材动态力学性能的研究现状、石材本构与加工过程物理量的关系这三个方面对此进行了分析。

2 SHPB设备及其基本原理

分离式Hopkinson压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,缩写为:SHPB)技术是目前研究材料动态力学使用最广泛的设备,这一方法由Hopkinson提出[1],后由Kolsky对其进行了改进[2]。此方法的基本原理是:将试样置于两根压杆之间,通过子弹、加速块(杆)或炸药爆炸产生加速脉冲,对试样进行加载。利用粘贴在压杆上的应变片来记录脉冲信号。

图1是典型的Hopkinson压杆实验系统。Hopkinson压杆系统的入射杆和透射杆均是由高强度合金钢加工而成,压杆与试样的接触面需加工平整并保持平行,各杆之间保持同轴。压杆与试样的接触端要能充分接触,以保证应力波传播过程中无散射现象的发生。撞击杆、入射杆和透射杆用相同材料制成,且具有相同直径,入射杆和透射杆的长度长于撞击杆。撞击杆采用气动装置驱动,从而可以以一定的速度撞击入射杆。

图1 典型Hopkinson压杆测试系统Fig.1 Typical Hopkinson pressure bar test system

图2 典型应力波曲线Fig.2 Typical stress wave curve

当撞击杆撞击入射杆时,两杆中将会产生压力脉冲并向各自杆的另一端传播。当入射杆中的应力脉冲到达于试样的接触面时,由于波阻抗的不同,一部分脉冲被反射,形成反射波进入到入射杆中;另一部分则通过试样进入到透射杆中,形成透射波。反射波和透射波由两杆上应变片测得,其形状和幅值是由试样材料性质所决定的。图2是典型的应力波曲线。

3 石材动态力学性能的研究现状

3.1 不同性质岩石的动态性能

支乐鹏等人采用Φ100mm分离式Hopkinson压杆装置,研究了冲击压缩载荷作用下斜长角闪岩和砂岩动态力学特性[3]。结果表明,斜长角闪岩和砂岩的动态抗压强度、动态抗压强度增长因子具有应变率效应,但砂岩比斜长角闪岩对应变率的变化更加敏感。在较低应变率下,砂岩的动态压缩破坏呈围剥落式径向拉伸破坏,斜长角闪岩的动态压缩破坏呈轴向劈裂破坏;但在较高应变率下,由于破碎程度严重,砂岩呈现的是粉碎破坏,斜长角闪岩呈现的是压碎破坏(如图3、图4)。

刘石等人采用Φ100mm分离式霍普金森压杆装置对绢云母石英片岩和砂岩进行动态冲击试验,研究了岩石动态破坏过程中能量的种类以及对岩石变形破坏所起的不同作用[4]。结果表明,在岩石的冲击破坏过程中,试样吸收的能量只有很少一部分转化为破碎石块的动能,其余绝大部分都作用于产生岩石的变形及破坏。同时还发现,与绢云母石英片岩相比,砂岩的吸收能量的能力更强,破碎的程度也更高。

图3 斜长角闪岩在不同应变率下的破坏形态[3]Fig.3 Failure modes of amphibolite under different strain rates

图4 砂岩在不同应变率下的破坏形态[3]Fig.4 Failure modes of sandstone under different strain rates

Renliang Shan等人确定了利用SHPB设备获取的大理石和花岗岩完全动态应力-应变曲线[5]。并对此曲线做了相应的分析。结果表明,花岗岩的完全动态应力-应变曲线在达到峰值之前呈现出锯齿状,在刚开始阶段,曲线基本成一条直线,其斜率和应变率没有显著的相关性;大理石的完全动态应力-应变曲线分为三个阶段:一开始的直线阶段显示其弹性模量与应变率有一定的相关性;在完全破坏后,曲线急速下降并无回升现象;中间段的曲线近似于一条水平线,体现了大理石在受到冲击后的塑性特性(如图5、图6)。

图5 花岗岩完全动态应力-应变曲线[5]Fig.5 Complete dynamic stress-strain curves for granite

图6 大理石完全动态应力-应变曲线[5]Fig.6 Complete dynamic stress-strain curves for marble

YIN Zhi-qiang等人利用改进后的霍普金森压杆在轴向预压力和围压下,对砂岩在耦合静态和动态加载下的破坏特性进行了研究[6]。结果表明,在较高的动态荷载作用下,应力应变曲线为典型的I类型。当动态荷载逐渐减少时,应力应变曲线开始向II类型转变;岩石破坏形式和冲击入射能有着明显的相关性;在低冲击能作用下,存储的高应力能的释放对岩石的破坏过程有很明显的影响。

李刚等人采取多种措施改进了分离式霍普金森压杆试验技术,用改进的设备对三峡坝址处的花岗岩进行了大量的动态单轴压缩试验[7]。结果表明,三峡坝址处的花岗岩动态压缩破坏有三种形式:边缘崩落、留心破坏、完全破坏。并发现三峡花岗岩具有明显的应变率效应,材料的强度随应变率的增加而增强,且用指数关系拟合较好,但其初始弹性模量对应变率不敏感。

朱晶晶等人利用大直径霍普金森压杆试验装置,在单次冲击和重复冲击载荷作用下,对砂岩的动态力学性能进行了研究[8]。结果表明,砂岩的动态抗压强度和单位体积吸收能均表现较强的应变率效应,分别与应变率呈指数关系和线性关系;在重复冲击试验中,随着重复冲击作用次数的增加,岩石的弹性模量降低,屈服应力降低,屈服应变增加。

张颖等人为了了解花岗岩的动态力学性能,采用Φ50mm的Hopkinson压杆对岩石进行冲击压缩试验,采用波形整形技术获得了较为平滑的脉冲荷载,从而得到了岩石的动态应力-应变曲线[9]。结果表明,岩石强度具有较高的应变率效应;随着荷载强度的提高,试样破坏模式由低强度下的内部损伤、微裂纹、宏观裂纹、破碎成块,至高强度下的粉碎破坏。

由以上研究可以得知,岩石微观组织的变化对岩石材料的动态力学性能有很大影响,比如图5和图6所示的应力-应变曲线中,花岗岩在受到冲击后,先产生了一次破碎,随着冲击的持续,碎块再粘合,再受冲击后,产生了二次破碎。而大理石却无此现象。这很好地表现了花岗岩和大理石材料的不同特性。在不同应变率下,同种岩石的破碎形式也不相同。因此,对冲击作用、微观组织演变和应力变化这三者之间作用机制的研究还需要深入。

(下期续完)

[1] Hopkinson B.A method of measuring the pressure produced in the detonation of high explosive or by the impact of bullets[J]. Philos Trans Roy Soc London Series A 1914,(213):127-136.

[2] Kolsky H.An investigation of the mechanical properties of materials very high rates of loading[J].Jounal of Material Processing Technology 1998,(75):127-136.

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Current Research Status and Its Development Trend of Dynamic Mechanical Properties of Stone

LI Zi-mu1,WANG Ning-chang1,JIANG Feng1,2,XU Xi-peng1
(1.Engineering Research Center for Machining of Brittle Materials of Ministry of Education,Huaqiao University,Xiamen,China,361021;2.National Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,| Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,China,200240)

This article gives a brief introduction to the Split Hopkinson Pressure Bar apparatus and its operating principle.Current research status of dynamic mechanical properties of rock has been summarized and evaluated from various of viewpoints such as different types of rocks,rocks under different environmental parameters and the failure mechanism of rock.The conclusion is that the current research is a kind of experimental study. It has relatively small amount of research for the cutting force during the stone processing by diamond,the material removal mechanism during the stone processing and the measurement of physical quantities such as machined surface quality.The relationship between constitutive of stone and its physical quantity during processing has also been discussed. It comes a conclusion that the application of dynamic mechanical properties of stone to forecast the physical quantity during its processing is workable.This article also points out that the research of application of dynamic mechanical properties of stone and the suitable numerical simulation method,mechanism of action between impact effect,rock microstructure evolution and variation of stresses and the related theories such as the failure mechanism will be the very important research fields.

hopkinson pressure bar,rock,dynamic mechanical properties,stone processing

TU452;TQ164

A

1673-1433(2014)03-0039-05

2014-07-10

李子沐(1990-),男,硕士研究生,主要从事硬脆性材料去除机理的研究。

姜峰(1981-),男,副教授,主要从事硬脆性材料去除机理的研究,E-mail:jiangfeng@hgu.edu.cn。