冲击压缩载荷下蓝宝石的动态力学性能试验方法(下)①

刘清风,刘同祥,姜峰

(华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,厦门361021)

冲击压缩载荷下蓝宝石的动态力学性能试验方法(下)①

刘清风,刘同祥,姜峰

(华侨大学脆性材料加工技术教育部工程研究中心,厦门361021)

文章对目前氧化铝陶瓷动态力学性能的研究现状进行了相关的介绍,同时采用霍普金森压杆技术对单晶α氧化铝(蓝宝石)的动态力学性能进行了简单的试验,得到其应力-应变曲线,蓝宝石是一种硬脆材料,受到冲击压缩载荷的作用,会有一定的塑性;进而对试验数据进行相关处理,得到蓝宝石的弹性模量以及高应变率下蓝宝石的抗压强度和失效应变。

霍普金森压杆;动态力学性能;蓝宝石

3 试验过程

3.1 试验材料

和氧化铝陶瓷一样,蓝宝石也有着广泛的应用。蓝宝石是一种氧化铝的单晶,又称为刚玉,具有极好的热导性、电气绝缘性、透光性、化学稳定性,以及耐高温、高强度、高硬度等一系列优良的特性,因而蓝宝石被广泛应用于红外装置、导弹、潜艇、卫星空间技术、探测和高功率激光等窗口材料、优质光学材料、耐磨性轴承和衬底材料[19]中。

3.2 试样的制备

在Hopkinson压杆试验测试的过程中,由于惯性效应和试样与杆端之间的摩擦等因素会影响试验结果的准确性,因此在试验之前必须合理设计并选择试样。由于圆柱形试样的易加工性,所以在本试验中采用圆柱形试样。试样加工时两个端面的平行度在0.01mm以上,同时且保证试样的端面具有足够的光洁度,从而减小试验过程中试样与压杆之间的摩擦,使得所测得的数据更为准确。在本次试验中试样的长度为4.72mm,直径为4.06mm。

3.3 测试方法

整个试验系统由两部分组成。其中一部分为压杆部分,拨动阀门,触发气动装置,使得撞击杆产生一定的速度撞击入射杆,从而对置于入射杆和透射杆之间的试样进行加载;另一部分为由应变片、数据采集系统和微机组,对试验过程中的信号进行采集、放大、记录和数据处理,从而得到材料的应力-应变曲线及其动态抗压强度。

本次试验中,撞击杆的长度选择100mm,采用0.15MPa的气压在室温下对撞击杆进行加压,在试验的开始阶段,先利用压杆进行空打,再通过应变片所采集的信号判定入射杆和透射杆之间的连接情况是否满足试验要求,从而确定接下来的试验参数,同时选择不同的冲击速度对试样进行冲击,使得在试验过程中能够得到不同应变率的试验数据。

4 结果分析

试样在高速冲击下出现粉碎的情况。图10为采集系统所采集到的应力波曲线,由于试验所选择的试样很短,波在试样中来回传播一次所用的时间与入射脉冲相比要小得多,因此在入射波发生作用的过程中,试样内有足够长的时间发生多次的内反射,且试样中的应力和应变能够很快趋向均匀。从以上分析可知,在霍普金森压杆试验中,试样内部波的传播可以忽略,从而利用入射脉冲、反射脉冲和投射脉冲之间的关系来推导试样中的应力、应变和应变率。根据一维应力波理论可以得出试样中的平均应力σs为:

图10 应力波曲线Fig.10 Stress wave curve

应变率为:

由于试件中的应力在多次的反射且最终趋向于入射应力,因此在所得到的公式中忽略了应力脉冲反射和投射之间的影响,与此同时,应力波在试样中达到均匀分布所用的时间远远小于应力脉冲所用的时间。图11和图12分别为经过数据处理后的真实应力-应变曲线以及应变随时间的变化曲线。

图11 真实应力-应变曲线Fig.11 True stress-strain curve

图12 应变-时间曲线Fig.12 Stain-time curve

如图11中蓝宝石的应力-应变曲线所示,蓝宝石在受到外力冲击时在开始阶段产生弹性变形,其弹性极限约为850MPa,接着会有一定的塑性变形,直至其破碎失效。在本次试验中采用0.15MPa的气压推动撞击杆,由图12可见,其应变率为2868s-1,在应变率为2868s-1的情况下,蓝宝石的抗压强度达到3030MPa,此时相对应的失效应变为0.16 s-1,而从图11中的应力-应变曲线进行相关计算可得到蓝宝石的弹性模量约为450GPa。

5 结论

随着生产和科学技术的进步,硬脆材料由于其自身一系列的优良特性而广泛应用于科学技术、军事国防以及民用工业等诸多领域。而在各大工程领域中,如车辆行驶过程中挡风玻璃受到石块等硬质物体的撞击、飞鸟与飞行器的撞击、岩石的爆破、工业材料的高速加工以及穿甲弹的设计等一系列的问题表明,对材料进行相关的动态力学性能的研究并正确地选择材料有利于提高产品的安全系数;另一方面,切削、磨削以及抛光等加工方式仍然是硬脆材料去除加工的基本途径,对硬脆材料进行动态力学性能的研究不仅可以优化加工过程的工艺参数,提高加工效率,同时也有利于获得更好的加工表面质量。

从本次试验数据结果可知:

(1)蓝宝石是一种脆性材料,在高应变率条件下,蓝宝石受到高速冲击先是产生一定的弹性变形,但随后便进入塑性变形阶段,表明蓝宝石有着一定的塑性,随后便破碎失效。

(2)蓝宝石的弹性极限约为850MPa,弹性模量约为450GPa。

(3)蓝宝石受到冲击压缩载荷作用,在应变率为2868s-1的情况下,其抗压强度为3030MPa,失效应变为0.16s-1。

[1] 郑宇轩.韧性材料的动态碎裂特性研究[D].中国科学技术大学,2013.

[2] 黄西成,陈裕泽,胡文军,陈刚,谢若泽,张方举.材料动态力学性能的应用背景与相关试验技术[A].中国力学学会爆炸力学委员会试验技术专业组.Hopkinson杆试验技术研讨会会议论文集[C].中国力学学会爆炸力学委员会试验技术专业组,2007: 10.

[3] 鲁世红.高速切削锯齿形切屑的试验研究与本构建模[D].南京航空航天大学,2009.

[4] 姜芳,陈涛,宁建国.钢筋混凝土在冲击载荷下的动态力学性能[J].材料工程,2009(3):45-48+53.

[5] 余淼,居本祥.磁流变弹性体剪切式动态力学性能测试[J].功能材料,2011(11):1939-1942+1946.

[6] 汪艳萍,张树勇,卫忠玲.硫化天然橡胶动态力学性能研究[J].内蒙古工业大学学报(自然科学版),2010,(2):119-124.

[7] 秦亚萍,刘子如,孔扬辉,阴翠梅,张沛.高聚物的低温动态力学性能[J].火炸药学报,1999(2):47-50.

[8] 陈振理.硬脆材料加工技术的研究[J].天津冶金,2011(5):49-52+58.

[9] 朱志斌,郭志军,刘英,王慧,陈秀峰.氧化铝陶瓷的发展与应用[J].陶瓷,2003(1):5-8.

[10] Zeming He,J.Ma,Hongzhi Wang,G.E.B.Tan,Dongwei Shu,Jian Zheng,Dynamic fracture behavior of layered alumina ceramics characterized by a split Hopkinson bar,Materials Letters,Volume 59,Issues 8-9,April 2005,901-904.

[11] 黄良钊,张安平.Al2O3陶瓷的动态力学性能研究[J].中国陶瓷,1999(1):13-15+21.

[12] 李平,李大红,宁建国,经福谦.冲击载荷下Al2O3陶瓷的动态响应[J].高压物理学报,2002(1):22-28.

[13] 段卓平,关智勇,黄风雷.冲击载荷下Al2O3抗弹陶瓷的力学性能试验研究[J].高压物理学报,2003(1):29-34.

[14] 李英雷,胡时胜,李英华.A95陶瓷材料的动态压缩测试研究[J].爆炸与冲击,2004(3):233-239.

[15] 张晓晴,姚小虎,宁建国,赵隆茂,杨桂通.Al2O3陶瓷材料应变率相关的动态本构关系研究[J].爆炸与冲击,2004(3):226-232.

[16] 石志勇,汤文辉.Al2O3陶瓷的损伤型本构关系研究[J].强度与环境,2007(3):53-57.

[17] 徐松林,张侃,郑文,刘永贵,邓向允.高孔隙率Al2O3微孔陶瓷冲击性能试验研究[J].试验力学,2008(6):525-532.

[18] 王璀轶,王扬卫,于晓东,王全胜,康晓鹏.Al2O3陶瓷分离式霍普金森压杆恒应变率动态压缩试验研究[J].兵工学报,2009 (10):1349-1352.

[19] 邓佩珍.蓝宝石晶体及其应用[A].中国科学技术协会、浙江省人民政府.面向21世纪的科技进步与社会经济发展(下册) [C].中国科学技术协会、浙江省人民政府:1999:1.

The Test Method for Dynamic Mechanical Performance of Sapphire under the Shock Compression Loading

LIU Qing-feng,LIU Tong-xiang,JIANG Feng
(Engineering Research Center of Brittle Materials Process Technology,Huaqiao University,Xiamen 361021,China)

This article gives introduction to the current status of the research of the dynamic mechanical performance of alumina ceramics.Meanwhile,a simple test to the dynamic mechanical performance of monocrystalαaluminium oxide(sapphire)has been conducted by the Hopkison pressure bar technique and the stress-strain curve has been obtained. Sapphire is a kind of brittle material which shows a certain plasticity under the shock compression loading.The elastic modulus of the sapphire and the compressive strength and failure strains of it under the high strain rate have been also obtained by data processing.

Hopkinson Pressure Bar;dynamic mechanical performance;sapphire

TQ164

A

1673-1433(2014)04-0021-04

2014-06-25

刘清风(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@hqu.edu.cn