劉清風(fēng),劉同祥,姜峰

(華僑大學(xué)脆性材料加工技術(shù)教育部工程研究中心,廈門361021)

沖擊壓縮載荷下藍(lán)寶石的動態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)方法(下)①

劉清風(fēng),劉同祥,姜峰

(華僑大學(xué)脆性材料加工技術(shù)教育部工程研究中心,廈門361021)

文章對目前氧化鋁陶瓷動態(tài)力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了相關(guān)的介紹,同時(shí)采用霍普金森壓桿技術(shù)對單晶α氧化鋁(藍(lán)寶石)的動態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了簡單的試驗(yàn),得到其應(yīng)力-應(yīng)變曲線,藍(lán)寶石是一種硬脆材料,受到?jīng)_擊壓縮載荷的作用,會有一定的塑性;進(jìn)而對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理,得到藍(lán)寶石的彈性模量以及高應(yīng)變率下藍(lán)寶石的抗壓強(qiáng)度和失效應(yīng)變。

霍普金森壓桿;動態(tài)力學(xué)性能;藍(lán)寶石

3 試驗(yàn)過程

3.1 試驗(yàn)材料

和氧化鋁陶瓷一樣,藍(lán)寶石也有著廣泛的應(yīng)用。藍(lán)寶石是一種氧化鋁的單晶,又稱為剛玉,具有極好的熱導(dǎo)性、電氣絕緣性、透光性、化學(xué)穩(wěn)定性,以及耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度等一系列優(yōu)良的特性,因而藍(lán)寶石被廣泛應(yīng)用于紅外裝置、導(dǎo)彈、潛艇、衛(wèi)星空間技術(shù)、探測和高功率激光等窗口材料、優(yōu)質(zhì)光學(xué)材料、耐磨性軸承和襯底材料[19]中。

3.2 試樣的制備

在Hopkinson壓桿試驗(yàn)測試的過程中,由于慣性效應(yīng)和試樣與桿端之間的摩擦等因素會影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此在試驗(yàn)之前必須合理設(shè)計(jì)并選擇試樣。由于圓柱形試樣的易加工性,所以在本試驗(yàn)中采用圓柱形試樣。試樣加工時(shí)兩個(gè)端面的平行度在0.01mm以上,同時(shí)且保證試樣的端面具有足夠的光潔度,從而減小試驗(yàn)過程中試樣與壓桿之間的摩擦,使得所測得的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。在本次試驗(yàn)中試樣的長度為4.72mm,直徑為4.06mm。

3.3 測試方法

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由兩部分組成。其中一部分為壓桿部分,撥動閥門,觸發(fā)氣動裝置,使得撞擊桿產(chǎn)生一定的速度撞擊入射桿,從而對置于入射桿和透射桿之間的試樣進(jìn)行加載;另一部分為由應(yīng)變片、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和微機(jī)組,對試驗(yàn)過程中的信號進(jìn)行采集、放大、記錄和數(shù)據(jù)處理,從而得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其動態(tài)抗壓強(qiáng)度。

本次試驗(yàn)中,撞擊桿的長度選擇100mm,采用0.15MPa的氣壓在室溫下對撞擊桿進(jìn)行加壓,在試驗(yàn)的開始階段,先利用壓桿進(jìn)行空打,再通過應(yīng)變片所采集的信號判定入射桿和透射桿之間的連接情況是否滿足試驗(yàn)要求,從而確定接下來的試驗(yàn)參數(shù),同時(shí)選擇不同的沖擊速度對試樣進(jìn)行沖擊,使得在試驗(yàn)過程中能夠得到不同應(yīng)變率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果分析

試樣在高速沖擊下出現(xiàn)粉碎的情況。圖10為采集系統(tǒng)所采集到的應(yīng)力波曲線,由于試驗(yàn)所選擇的試樣很短,波在試樣中來回傳播一次所用的時(shí)間與入射脈沖相比要小得多,因此在入射波發(fā)生作用的過程中,試樣內(nèi)有足夠長的時(shí)間發(fā)生多次的內(nèi)反射,且試樣中的應(yīng)力和應(yīng)變能夠很快趨向均勻。從以上分析可知,在霍普金森壓桿試驗(yàn)中,試樣內(nèi)部波的傳播可以忽略,從而利用入射脈沖、反射脈沖和投射脈沖之間的關(guān)系來推導(dǎo)試樣中的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率。根據(jù)一維應(yīng)力波理論可以得出試樣中的平均應(yīng)力σs為:

圖10 應(yīng)力波曲線Fig.10 Stress wave curve

應(yīng)變率為:

由于試件中的應(yīng)力在多次的反射且最終趨向于入射應(yīng)力,因此在所得到的公式中忽略了應(yīng)力脈沖反射和投射之間的影響,與此同時(shí),應(yīng)力波在試樣中達(dá)到均勻分布所用的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于應(yīng)力脈沖所用的時(shí)間。圖11和圖12分別為經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線。

圖11 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.11 True stress-strain curve

圖12 應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.12 Stain-time curve

如圖11中藍(lán)寶石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線所示,藍(lán)寶石在受到外力沖擊時(shí)在開始階段產(chǎn)生彈性變形,其彈性極限約為850MPa,接著會有一定的塑性變形,直至其破碎失效。在本次試驗(yàn)中采用0.15MPa的氣壓推動撞擊桿,由圖12可見,其應(yīng)變率為2868s-1,在應(yīng)變率為2868s-1的情況下,藍(lán)寶石的抗壓強(qiáng)度達(dá)到3030MPa,此時(shí)相對應(yīng)的失效應(yīng)變?yōu)?.16 s-1,而從圖11中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行相關(guān)計(jì)算可得到藍(lán)寶石的彈性模量約為450GPa。

5 結(jié)論

隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,硬脆材料由于其自身一系列的優(yōu)良特性而廣泛應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)、軍事國防以及民用工業(yè)等諸多領(lǐng)域。而在各大工程領(lǐng)域中,如車輛行駛過程中擋風(fēng)玻璃受到石塊等硬質(zhì)物體的撞擊、飛鳥與飛行器的撞擊、巖石的爆破、工業(yè)材料的高速加工以及穿甲彈的設(shè)計(jì)等一系列的問題表明,對材料進(jìn)行相關(guān)的動態(tài)力學(xué)性能的研究并正確地選擇材料有利于提高產(chǎn)品的安全系數(shù);另一方面,切削、磨削以及拋光等加工方式仍然是硬脆材料去除加工的基本途徑,對硬脆材料進(jìn)行動態(tài)力學(xué)性能的研究不僅可以優(yōu)化加工過程的工藝參數(shù),提高加工效率,同時(shí)也有利于獲得更好的加工表面質(zhì)量。

從本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可知:

(1)藍(lán)寶石是一種脆性材料,在高應(yīng)變率條件下,藍(lán)寶石受到高速沖擊先是產(chǎn)生一定的彈性變形,但隨后便進(jìn)入塑性變形階段,表明藍(lán)寶石有著一定的塑性,隨后便破碎失效。

(2)藍(lán)寶石的彈性極限約為850MPa,彈性模量約為450GPa。

(3)藍(lán)寶石受到?jīng)_擊壓縮載荷作用,在應(yīng)變率為2868s-1的情況下,其抗壓強(qiáng)度為3030MPa,失效應(yīng)變?yōu)?.16s-1。

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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

劉清風(fēng)(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@hqu.edu.cn