李子沐,王寧昌,姜峰,2,徐西鵬

(1.華僑大學(xué)脆性材料加工技術(shù)教育部工程研究中心,福建廈門361021 2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200240)

石材動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(上)①

李子沐1,王寧昌1,姜峰1,2,徐西鵬1

(1.華僑大學(xué)脆性材料加工技術(shù)教育部工程研究中心,福建廈門361021 2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200240)

簡單介紹了分離式霍普金森壓桿裝置及其工作原理,從不同種類的巖石、不同環(huán)境參數(shù)條件下的巖石以及巖石破壞機(jī)理的角度對巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述與評價(jià),指出現(xiàn)有的研究主要還是試驗(yàn)研究,對金剛石加工石材過程中的切削力和已加工表面質(zhì)量等物理量的測量以及對石材加工過程中材料去除機(jī)理的研究相對較少。繼而討論了石材本構(gòu)與加工過程物理量的關(guān)系,得出石材的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能應(yīng)用于其加工過程物理量的預(yù)測是可行的結(jié)論,并指出如何利用石材的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能以及相適應(yīng)的數(shù)值仿真手段,對沖擊作用、巖石微觀組織演變和應(yīng)力變化這三者之間的作用機(jī)制,失效機(jī)制等相關(guān)理論進(jìn)行研究將是個(gè)非常重要的研究方向。

霍普金森壓桿、巖石、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、石材加工

1 引言

我國是一個(gè)地大物博、石材資源極其豐富的國家,是目前世界上石材產(chǎn)量第一的國家,這一方面體現(xiàn)出我國石材行業(yè)在規(guī)模巨大,石材加工的技術(shù)水平方面都屬世界前列,另一方面也反映出我國的石材原料量在不斷減少。因此,如何提高開采效率,提高石材加工水平便成為一項(xiàng)非常重要的研究?，F(xiàn)有的研究主要還是試驗(yàn)研究,對石材加工過程中的切削力和已加工表面質(zhì)量等物理量的測量,對石材加工過程中材料去除機(jī)理的討論還比較少。材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能是材料去除過程的主要內(nèi)在影響因素,主要表現(xiàn)在:①鋸切力由材料的本構(gòu)模型所決定,這從石材的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以得出。②鋸切破碎由材料的動(dòng)態(tài)斷裂強(qiáng)度所決定,這可通過不同應(yīng)變率下的失效應(yīng)變定量反映出來。本文從動(dòng)態(tài)力學(xué)測試試驗(yàn)設(shè)備及其基本原理、石材動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀、石材本構(gòu)與加工過程物理量的關(guān)系這三個(gè)方面對此進(jìn)行了分析。

2 SHPB設(shè)備及其基本原理

分離式Hopkinson壓桿(Split Hopkinson Pressure Bar,縮寫為:SHPB)技術(shù)是目前研究材料動(dòng)態(tài)力學(xué)使用最廣泛的設(shè)備,這一方法由Hopkinson提出[1],后由Kolsky對其進(jìn)行了改進(jìn)[2]。此方法的基本原理是:將試樣置于兩根壓桿之間,通過子彈、加速塊(桿)或炸藥爆炸產(chǎn)生加速脈沖,對試樣進(jìn)行加載。利用粘貼在壓桿上的應(yīng)變片來記錄脈沖信號。

圖1是典型的Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。Hopkinson壓桿系統(tǒng)的入射桿和透射桿均是由高強(qiáng)度合金鋼加工而成,壓桿與試樣的接觸面需加工平整并保持平行,各桿之間保持同軸。壓桿與試樣的接觸端要能充分接觸,以保證應(yīng)力波傳播過程中無散射現(xiàn)象的發(fā)生。撞擊桿、入射桿和透射桿用相同材料制成,且具有相同直徑,入射桿和透射桿的長度長于撞擊桿。撞擊桿采用氣動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng),從而可以以一定的速度撞擊入射桿。

圖1 典型Hopkinson壓桿測試系統(tǒng)Fig.1 Typical Hopkinson pressure bar test system

圖2 典型應(yīng)力波曲線Fig.2 Typical stress wave curve

當(dāng)撞擊桿撞擊入射桿時(shí),兩桿中將會(huì)產(chǎn)生壓力脈沖并向各自桿的另一端傳播。當(dāng)入射桿中的應(yīng)力脈沖到達(dá)于試樣的接觸面時(shí),由于波阻抗的不同,一部分脈沖被反射,形成反射波進(jìn)入到入射桿中;另一部分則通過試樣進(jìn)入到透射桿中,形成透射波。反射波和透射波由兩桿上應(yīng)變片測得,其形狀和幅值是由試樣材料性質(zhì)所決定的。圖2是典型的應(yīng)力波曲線。

3 石材動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀

3.1 不同性質(zhì)巖石的動(dòng)態(tài)性能

支樂鵬等人采用Φ100mm分離式Hopkinson壓桿裝置,研究了沖擊壓縮載荷作用下斜長角閃巖和砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性[3]。結(jié)果表明,斜長角閃巖和砂巖的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增長因子具有應(yīng)變率效應(yīng),但砂巖比斜長角閃巖對應(yīng)變率的變化更加敏感。在較低應(yīng)變率下,砂巖的動(dòng)態(tài)壓縮破壞呈圍剝落式徑向拉伸破壞,斜長角閃巖的動(dòng)態(tài)壓縮破壞呈軸向劈裂破壞;但在較高應(yīng)變率下,由于破碎程度嚴(yán)重,砂巖呈現(xiàn)的是粉碎破壞,斜長角閃巖呈現(xiàn)的是壓碎破壞(如圖3、圖4)。

劉石等人采用Φ100mm分離式霍普金森壓桿裝置對絹云母石英片巖和砂巖進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn),研究了巖石動(dòng)態(tài)破壞過程中能量的種類以及對巖石變形破壞所起的不同作用[4]。結(jié)果表明,在巖石的沖擊破壞過程中,試樣吸收的能量只有很少一部分轉(zhuǎn)化為破碎石塊的動(dòng)能,其余絕大部分都作用于產(chǎn)生巖石的變形及破壞。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),與絹云母石英片巖相比,砂巖的吸收能量的能力更強(qiáng),破碎的程度也更高。

圖3 斜長角閃巖在不同應(yīng)變率下的破壞形態(tài)[3]Fig.3 Failure modes of amphibolite under different strain rates

圖4 砂巖在不同應(yīng)變率下的破壞形態(tài)[3]Fig.4 Failure modes of sandstone under different strain rates

Renliang Shan等人確定了利用SHPB設(shè)備獲取的大理石和花崗巖完全動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線[5]。并對此曲線做了相應(yīng)的分析。結(jié)果表明,花崗巖的完全動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線在達(dá)到峰值之前呈現(xiàn)出鋸齒狀,在剛開始階段,曲線基本成一條直線,其斜率和應(yīng)變率沒有顯著的相關(guān)性;大理石的完全動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為三個(gè)階段:一開始的直線階段顯示其彈性模量與應(yīng)變率有一定的相關(guān)性;在完全破壞后,曲線急速下降并無回升現(xiàn)象;中間段的曲線近似于一條水平線,體現(xiàn)了大理石在受到?jīng)_擊后的塑性特性(如圖5、圖6)。

圖5 花崗巖完全動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線[5]Fig.5 Complete dynamic stress-strain curves for granite

圖6 大理石完全動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線[5]Fig.6 Complete dynamic stress-strain curves for marble

YIN Zhi-qiang等人利用改進(jìn)后的霍普金森壓桿在軸向預(yù)壓力和圍壓下,對砂巖在耦合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)加載下的破壞特性進(jìn)行了研究[6]。結(jié)果表明,在較高的動(dòng)態(tài)荷載作用下,應(yīng)力應(yīng)變曲線為典型的I類型。當(dāng)動(dòng)態(tài)荷載逐漸減少時(shí),應(yīng)力應(yīng)變曲線開始向II類型轉(zhuǎn)變;巖石破壞形式和沖擊入射能有著明顯的相關(guān)性;在低沖擊能作用下,存儲(chǔ)的高應(yīng)力能的釋放對巖石的破壞過程有很明顯的影響。

李剛等人采取多種措施改進(jìn)了分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)技術(shù),用改進(jìn)的設(shè)備對三峽壩址處的花崗巖進(jìn)行了大量的動(dòng)態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)[7]。結(jié)果表明,三峽壩址處的花崗巖動(dòng)態(tài)壓縮破壞有三種形式:邊緣崩落、留心破壞、完全破壞。并發(fā)現(xiàn)三峽花崗巖具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng),材料的強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而增強(qiáng),且用指數(shù)關(guān)系擬合較好,但其初始彈性模量對應(yīng)變率不敏感。

朱晶晶等人利用大直徑霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置,在單次沖擊和重復(fù)沖擊載荷作用下,對砂巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究[8]。結(jié)果表明,砂巖的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和單位體積吸收能均表現(xiàn)較強(qiáng)的應(yīng)變率效應(yīng),分別與應(yīng)變率呈指數(shù)關(guān)系和線性關(guān)系;在重復(fù)沖擊試驗(yàn)中,隨著重復(fù)沖擊作用次數(shù)的增加,巖石的彈性模量降低,屈服應(yīng)力降低,屈服應(yīng)變增加。

張穎等人為了了解花崗巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,采用Φ50mm的Hopkinson壓桿對巖石進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn),采用波形整形技術(shù)獲得了較為平滑的脈沖荷載,從而得到了巖石的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線[9]。結(jié)果表明,巖石強(qiáng)度具有較高的應(yīng)變率效應(yīng);隨著荷載強(qiáng)度的提高,試樣破壞模式由低強(qiáng)度下的內(nèi)部損傷、微裂紋、宏觀裂紋、破碎成塊,至高強(qiáng)度下的粉碎破壞。

由以上研究可以得知,巖石微觀組織的變化對巖石材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能有很大影響,比如圖5和圖6所示的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中,花崗巖在受到?jīng)_擊后,先產(chǎn)生了一次破碎,隨著沖擊的持續(xù),碎塊再粘合,再受沖擊后,產(chǎn)生了二次破碎。而大理石卻無此現(xiàn)象。這很好地表現(xiàn)了花崗巖和大理石材料的不同特性。在不同應(yīng)變率下,同種巖石的破碎形式也不相同。因此,對沖擊作用、微觀組織演變和應(yīng)力變化這三者之間作用機(jī)制的研究還需要深入。

(下期續(xù)完)

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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,碩士研究生,主要從事硬脆性材料去除機(jī)理的研究。

姜峰(1981-),男,副教授,主要從事硬脆性材料去除機(jī)理的研究,E-mail:jiangfeng@hgu.edu.cn。