江 偉，盧玉斌*，姜錫權(quán)，段俊舟

(1.西南科技大學(xué)制造過程測試技術(shù)教育部重點實驗室，四川 綿陽 621010； 2.陸軍炮兵防空兵學(xué)院先進(jìn)材料動力學(xué)實驗室，合肥 230031)

0 前言

RPUF作為一種輕質(zhì)、疏松、蜂窩狀的結(jié)構(gòu)材料，其質(zhì)量輕、比強度高、抗疲勞性能好，具有良好的沖擊吸能特性以及隔音、絕熱和減振性能，因此常用來作為人們?nèi)粘Ｉ钪械慕Y(jié)構(gòu)、包裝以及防護(hù)材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。在實際工程應(yīng)用中，RPUF通常是承受壓縮載荷，而由于材料的抗壓能力相對抗拉能力較高(抗壓強度約為抗拉強度的3倍)，這就使得材料在壓縮載荷作用下間接(3點彎曲、劈裂等)地導(dǎo)致其拉伸失效。因此，對RPUF劈裂拉伸的研究就顯得至關(guān)重要。

目前，關(guān)于RPUF材料拉伸性能的研究, 國內(nèi)外也展開了廣泛的研究。伍壁超等[1]從密度、應(yīng)變率、取向、溫度等方面在MTS實驗機上對啞鈴型RPUF板材試件進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實驗。發(fā)現(xiàn)在彈性階段應(yīng)變率效應(yīng)并不明顯，而在塑性階段抗拉強度卻隨應(yīng)變率的增大而減?。粡? °、45 °和90 ° 3個取向研究發(fā)現(xiàn)具有一定的各向異性；另外，無論高密度還是低密度，RPUF的抗拉強度與彈性模量都會隨溫度的升高而降低且高密度下降幅度相對較大。

陳誠[2]對RPUF進(jìn)行了6種不同應(yīng)變率下的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)RPUF的斷裂表現(xiàn)明顯的脆性特征，并且拉伸斷裂強度與彈性模量隨著應(yīng)變率的增大而增大，而拉伸斷裂應(yīng)變卻表現(xiàn)相反的規(guī)律。

付順強[3]采用旋轉(zhuǎn)盤式間接桿型沖擊拉伸實驗裝置對硬質(zhì)泡沫塑料(聚碳酸酯棒材)進(jìn)行了動態(tài)拉伸，并從準(zhǔn)鏡靜態(tài)和動態(tài)2個方面對比研究，結(jié)果表明該種材料表現(xiàn)明顯的非線性、黏彈性特征，而且其力學(xué)性能具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性，屈服應(yīng)力和失穩(wěn)應(yīng)變隨應(yīng)變率的增加而顯著增大。

(a)雙立柱微機控制電子萬能試驗機 (b)非接觸應(yīng)變測量系統(tǒng) (c)霍普金森壓桿圖1 試驗設(shè)備Fig.1 Test device

Ridha等[4]從RPUF的加載方向、材料密度和泡孔各向異性等角度對其拉伸變形響應(yīng)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：該種泡沫材料表現(xiàn)明顯的各向異性，剛度和強度隨著加載方向和泡沫上升方向之間的角度增大而減小，隨著密度的增加而增強，并且力學(xué)性能中的各向異性與幾何單元中的各向異性有一定的相關(guān)性。

Kabir等[5]在準(zhǔn)靜態(tài)試驗中研究了不同密度、微結(jié)構(gòu)下硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的拉伸、準(zhǔn)靜態(tài)斷裂和動態(tài)斷裂的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)拉伸強度和彈性模量強烈依賴于泡沫密度，而且其斷裂韌性也往往依賴于泡沫密度以及微觀結(jié)構(gòu)。

Doroudiani等[6]研究了聚苯乙烯(PS)泡沫塑料泡孔結(jié)構(gòu)對其拉伸力學(xué)性能的影響，分別對相同泡孔尺寸、不同泡沫密度以及相同泡沫密度、不同泡孔尺寸的PS泡沫塑料的拉伸性能進(jìn)行測試。研究發(fā)現(xiàn)，隨著相對密度的增大，泡沫塑料的相對拉伸強度呈冪指數(shù)關(guān)系顯著增大；隨泡孔尺寸的增大，泡沫塑料的相對拉伸強度會有所下降。

盧子興等[7]通過準(zhǔn)靜態(tài)試驗對3種不同密度的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的拉伸本構(gòu)關(guān)系及其失效機理進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)高密度聚氨酯泡沫塑料的彈性模量和抗拉強度均隨其密度的增加而增大，而斷裂應(yīng)變則隨密度的變化沒有明顯的規(guī)律性。此外，還說明了硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料在拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的脆性變形特征。

綜上所述，以上學(xué)者主要是基于硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的準(zhǔn)靜態(tài)直接拉伸力學(xué)特性的研究，而關(guān)于RPUF的動態(tài)拉伸很少有人涉足，尤其是RPUF的動態(tài)劈裂拉伸，目前還沒有學(xué)者進(jìn)行相關(guān)的研究。因此，很有必要對其進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)劈裂，對間接研究RPUF的破壞形式及拉伸力學(xué)性能具有重要意義。本文利用MTS試驗機并結(jié)合應(yīng)變分析測量系統(tǒng)對密度為0.54 g/cm3和0.62 g/cm3的2種RPUF進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)劈裂以及利用分離式霍普金森壓桿對密度為0.62 g/cm3的RPUF進(jìn)行動態(tài)劈裂，試驗研究主要考慮應(yīng)變率、密度和長徑比3個影響因素。

1 實驗部分

1.1 主要原料

高密度RPUF，由多元有機異氰酸酯與多元醇(聚醚多元醇或聚酯多元醇)反應(yīng)產(chǎn)生，材料密度為0.54、0.62 g/cm3，熱導(dǎo)率分別為0.022、0.024 W/(m·K)，閉孔率均高于95 %，北京京都順發(fā)保溫材料有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

雙立柱微機控制電子萬能試驗機(MTS)，WDW-100，上海百若試驗儀器有限公司，如圖1(a)所示；

非接觸應(yīng)變測量系統(tǒng)，XJTUOM，西安交通大學(xué)，如圖1(b)所示；

鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM)，EVO18，德國蔡司公司；

霍普金森壓桿，SHPB，陸軍炮兵防空兵學(xué)院，如圖1(c)所示。

1.3 樣品制備

根據(jù)試驗研究方案對試樣進(jìn)行加工，試驗試件形狀均為圓柱體，尺寸允許誤差范圍為0.1～0.3 mm；

在靜態(tài)劈裂試驗中，對應(yīng)變率效應(yīng)的研究，所用材料密度為0.54 g/cm3和0.62 g/cm3，試件尺寸均為Φ74 mm×37 mm；而對試件長徑比的研究，所用材料密度為0.62 g/cm3，由于考慮0.4、0.5和0.8這3種長徑比，對應(yīng)的試件尺寸分別為Φ50 mm×20 mm、Φ50 mm×25 mm和Φ50 mm×40 mm，試件均加工成平臺巴西圓盤，中心角為2α=20 °，如圖2所示；

圖2 準(zhǔn)靜態(tài)劈裂加載示意圖Fig.2 Loading diagram of quasi-static split

在動態(tài)劈裂試驗中，所用材料密度均為0.62 g/cm3，對于應(yīng)變率效應(yīng)的研究，試件尺寸為Φ50 mm×25 mm；對于長徑比的研究，考慮0.2、0.4、0.6、0.8這4種長徑比，對應(yīng)的試件尺寸分別為Φ50 mm×10 mm、Φ50 mm×20 mm、Φ50 mm×30 mm、Φ50 mm×40 mm；試樣均為巴西圓盤(無平臺)，但為了保證試樣從中心起裂，本實驗設(shè)計了一定寬度的弧形墊條，以形成中心角為2α=20 °的平臺；該種方法相對于巴西圓盤，克服了加載端處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得兩端在加載過程中處于均勻加載狀態(tài)，從而使試件破壞時能夠沿其中心線開裂；其平臺寬度(w)取決于試件的中心角，墊條式平臺巴西圓盤的加載示意圖，如圖3所示。

圖3 動態(tài)劈裂加載示意圖Fig.3 Loading diagram of dynamic split

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

準(zhǔn)靜態(tài)劈裂試驗是在承載力為100 kN的MTS上進(jìn)行，同時結(jié)合非接觸式三維動態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)(VIC-3D)對材料的位移場和應(yīng)變場進(jìn)行實時記錄和分析。試驗前，需對散斑系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試完畢后將試件放于壓盤中心下方，調(diào)整試件位置，使得相機的校正中心線與試件中心線重合，然后開啟圖像采集并同時啟動伺服。其中，應(yīng)變率效應(yīng)研究中，RPUF的加載速度分別為2、10、20、30 mm/min；長徑比的研究，加載速度均為5 mm/min。該系統(tǒng)使用2個LED燈作為光源來保證圖像清晰，通過2個互成一定角度(2α=30 °)的高速攝像機(分辨率為1 392×1 040)實時采集試件的各個變形階段的散斑圖像，并計算出全場應(yīng)變和顯示變形情況。后處理中，以圖形化顯示測量結(jié)果，便于更好地理解和分析材料的性能。RPUF的準(zhǔn)靜態(tài)劈裂的加載，如圖4所示。

圖4 RPUF的準(zhǔn)靜態(tài)劈裂效果Fig.4 Quasi-static splitting effect of RPUF

動態(tài)劈裂試驗是在加長型分離式霍普金森壓桿(SHPB)上進(jìn)行，SHPB主要由氣炮系統(tǒng)、入射桿、透射桿、吸收桿以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，試驗裝置示意圖如圖5所示。桿系直徑均為 75 mm，入射桿、反射桿和透射桿的長度分別為6 000、3 500、3 000 mm，桿系材料為45鋼，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為210 GPa。入射桿和透射桿上應(yīng)變片的貼片位置分別距離試件端面為2.20 m和1.03 m，整個實驗中應(yīng)變片位置無變化。在應(yīng)變率效應(yīng)研究中，試驗加載氣壓份分別為0.24、0.28、0.32 MPa；關(guān)于試件長徑比的研究，加載氣壓均為0.26 MPa。

圖5 SHPB裝置示意圖Fig.5 SHPB device diagram

由于RPUF屬于吸能材料，且透射桿上信號較弱，電阻應(yīng)變片不能很好地采集到信號，因此透射桿均采用靈敏度系數(shù)為110，阻值為120 Ω的半導(dǎo)體應(yīng)變片，而入射桿采用的是靈敏度系數(shù)為2.03，阻值為120 Ω的電阻應(yīng)變片，RPUF試件的動態(tài)劈裂加載如圖6所示。

圖6 RPUF的動態(tài)劈裂Fig.6 Dynamic split of RPUF

1.5 試驗原理

1.5.1 靜態(tài)劈裂實驗原理

一般而言，脆性材料Griffith破壞準(zhǔn)則的等效應(yīng)力σG是以最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3的組合情況進(jìn)行計算的，如式(1)所示：

(1)

其中，規(guī)定主應(yīng)力符號以拉為正，壓為負(fù)，且σ1≥σ2≥σ3。RPUF的抗拉強度為σT，當(dāng)σG≥σT時材料破壞。巴西圓盤劈裂試件的受力分析，如圖7所示。通過求解，可以得到直徑上任意一點處的彈性力學(xué)解：

(2)

圖7 巴西圓盤劈裂的彈性力學(xué)模型Fig.7 Elastic mechanics model of Brazilian disc split

又由于：

(3)

屈嘉[8]從理論上已經(jīng)證明了在巴西圓盤準(zhǔn)靜態(tài)劈裂試驗中，試件最先是從圓心處開始起裂；文獻(xiàn)[9]也用精細(xì)的有限元分析證明，只有當(dāng)平臺對應(yīng)的加載角2α≥20 °時才能根據(jù)Griffith強度準(zhǔn)則保證中心起裂條件。在圓心處有r1=r2=d/2，θ1=θ2=0，通過式(2)計算得到的σx、σy和τxy，再將這3個應(yīng)力分量帶入式(3)得到：

(4)

按照彈性力學(xué)中力的方向規(guī)定，式(4)中的P為負(fù)，故式中的σ1為正，σ3為負(fù)。由此式可知，對于RPUF的材料性質(zhì)，其抗壓強度遠(yuǎn)大于抗拉強度，即抗壓強度是抗拉強度的3倍。因此，通常認(rèn)為試件是受拉破壞而非受壓破壞，將式(4)中的P替換為-Pt并帶入式(1)，可得到巴西圓盤劈裂抗拉強度的計算公式：

(5)

對于平臺巴西圓盤，其抗拉強度需在式(5)加入一個修正系數(shù)k[10]，即：

(6)

式中σT——試件的抗拉強度

Pt——試件破壞時的壓力載荷

d——試件直徑

h——試件的厚度

k——與平臺尺度有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)加載角2α=20 °時，k=0.96

因此，平臺巴西圓盤的劈拉強度為：

(7)

1.5.2 動態(tài)劈裂實驗原理

由于RPUF屬于高硬度的高密度泡沫材料，因此可以考慮將巖石動態(tài)劈裂試驗方法應(yīng)用于此。利用霍普金森壓桿(SHPB)裝置進(jìn)行動態(tài)劈裂，在高壓氣體被釋放的瞬間，驅(qū)動撞擊桿(子彈)加速運動撞擊入射桿時，入射桿中產(chǎn)生向右的應(yīng)力脈沖，即入射波；應(yīng)力脈沖到達(dá)入射桿右端面時，一部分反射會入射桿中形成反射波，另外一部分繼續(xù)向前傳播，推動試件高速變形，透過試件的應(yīng)力脈沖進(jìn)入透射桿形成透射波。壓桿中的傳播的應(yīng)力脈沖信號，分別由粘在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片采集，并由超動態(tài)應(yīng)變儀轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，然后再由瞬態(tài)波形存儲器轉(zhuǎn)換為離散信號存儲起來，顯示在示波器中。

其中，試件與入射桿、反射桿膠粘的兩端的載荷P1、P2分別為：

P1=A0E0[εi(t)+εr(t)]

(8)

P2=A0E0εt(t)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

其中，εi(t)、εr(t)、εt(t)分別為電壓信號轉(zhuǎn)換之后的入射應(yīng)變、反射應(yīng)變和透射應(yīng)變；C0、A0和E0分別為壓桿的縱向波速、橫截面積和彈性模量，As和Ls分別為試件的橫截面積和長度。

對于墊條式的平臺巴西圓盤，當(dāng)平臺中心角為2α=20 °時，其抗拉強度計算仍需添加修正系數(shù)k，即其抗拉強度計算公式為：

(14)

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)劈裂試驗結(jié)果與分析

針對RPUF的準(zhǔn)靜態(tài)劈裂，本文考慮了密度、應(yīng)變率、長徑比3種因素對其拉伸性能的影響，主要從應(yīng)變率效應(yīng)和尺寸效應(yīng)2個方面進(jìn)行研究。

2.1.1 RPUF準(zhǔn)靜態(tài)劈裂的應(yīng)變率效應(yīng)

試驗試件尺寸均為φ74 mm×37 mm，密度分別為0.54 g/cm3和0.62 g/cm3的2種高密度材料；加載速率分別為2、10、20、30 mm/min，對應(yīng)的應(yīng)變率分別為9.00×10-4、4.50×10-3、9.00×10-3和1.35×10-2s-1，2種不同高密度的RPUF準(zhǔn)靜態(tài)劈裂力學(xué)性能參數(shù)分別表1和表2所示。

表1 低密度RPUF準(zhǔn)靜態(tài)劈裂的力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Quasi-static splitting mechanical properties of low density RPUF

表2 高密度RPUF準(zhǔn)靜態(tài)劈裂力學(xué)性能參數(shù)Tab.2 Quasi-static splitting mechanical properties of high density RPUF

從表中數(shù)據(jù)可以看出，RPUF的抗拉強度隨著加載應(yīng)變率的增大而提高，而且與密度有一定關(guān)系，即密度越大，其抗拉強度也相對較大。然而，對于較高密度材料，當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到一定值后，其抗拉強度的變化不再明顯。這是由于RPUF的密度越高，則脆性越大的緣故，表現(xiàn)為脆性破壞。另外，材料的彈性模量、屈服強度也隨加載應(yīng)變率的增加而有增大的趨勢，只是高密度材料的彈性模量和屈服強度要相對低密度有一定的提高。由此可見，雖然高密、低密度RPUF材料均表現(xiàn)出一定的應(yīng)變率效應(yīng)，但是低密度材料相對高密度材料具有較強的率敏感性。

從圖8中可以看出，RPUF的加載過程主要有彈性變形和塑性屈服2個階段。在彈性變形階段，載荷隨加載位移的增大而呈線性增加；在塑性屈服階段，試件的抗拉能力隨著加載速率的變化開始發(fā)生明顯的分歧，即加載速率越大，RPUF的抗拉承載能力就越大，也即抗拉強度越大，故表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。此外，RPUF的密度對其拉伸性能也具有重要影響，其抗拉強度有隨材料密度的增大而增加的趨勢。

加載速率/mm·min-1：■—2 ●—10 ★—20 ▼—30ρ/g·cm-3:(a)0.54 (b)0.62圖8 不同加載速率下的負(fù)荷 - 位移曲線Fig.8 Load-displacement curves at different loading rates

2.1.2 RPUF準(zhǔn)靜態(tài)劈裂的尺寸效應(yīng)

試驗材料密度為ρ=0.62 g/cm3，加載速率均為5 mm/min，試件長徑比分別為0.4、0.5和0.8(尺寸分別為Φ50 mm×20 mm、Φ50 mm×25 mm和Φ50 mm×40 mm)。不同長徑比劈裂拉伸的力學(xué)性能參數(shù)如表3所示。顯然，由試驗結(jié)果可以看出，抗拉強度、彈性模量均隨試件長徑比的增大而有降低的趨勢。實際上，這也驗證了試件與壓盤的接觸面積和抗拉強度的本質(zhì)關(guān)系，因為長徑比越大，即厚度方向增大，使得其與壓盤的接觸面積也就越大，從而使得單位面積上的應(yīng)力減弱，故抗拉強度降低。平均抗拉強度與長徑比的關(guān)系，如圖9所示。

表3 不同長徑比劈裂拉伸的力學(xué)性能參數(shù)Tab.3 Tensil mechanical properties of splits at different aspect ratios

圖9 平均抗拉強度與長徑比的關(guān)系Fig.9 Relationship between average tensile strength and aspect ratios

2.2 準(zhǔn)靜態(tài)劈裂的結(jié)構(gòu)破壞分析

(a)階段1 (b)階段2 (c)階段3 (d)階段4 (e)階段5 (f)臨界圖10 x方向的應(yīng)變場演化Fig.10 Strain field evolution in x direction

(a)階段1 (b)階段2 (c)階段3 (d)階段4 (e)階段5 (f)臨界圖11 y方向的應(yīng)變場演化Fig.11 Strain field evolution in y direction

從圖10和圖11中可以看出，x方向上的應(yīng)變主要表現(xiàn)為拉伸應(yīng)變，y方向主要表現(xiàn)為壓縮應(yīng)變。其中，最大拉應(yīng)變?yōu)?0.34 %，最大壓應(yīng)變?yōu)?4.01 %，但無論是拉應(yīng)變還是壓應(yīng)變，最終臨界狀態(tài)的最大變形區(qū)域還主要集中于試件的中心區(qū)域?？梢悦黠@看到，x方向的最大拉伸應(yīng)變，由試件中心逐漸向左右兩端擴展，最終導(dǎo)致試件拉伸失效；相反，y方向的最大壓縮應(yīng)變是從試件上下兩端逐漸趨向中心區(qū)域，最終貫穿了試件的上下兩端。

(a)x方向臨界狀態(tài)的最大主應(yīng)變云圖 (b)x方向臨界狀態(tài)的最大主應(yīng)變 - 節(jié)點距曲線圖13 x方向臨界狀態(tài)的最大主應(yīng)變Fig.13 The maximum major strain of the critical state in x direction

圖12為RPUF的最大主應(yīng)變場演化過程，最大主應(yīng)變的演化過程與y方向上的應(yīng)變場演化過程略有相似之處，均是由試件的上下兩端同時緩慢地向試件中心并貫穿試件的整個縱向區(qū)域，最終向中心部位靠攏，達(dá)到臨界破壞狀態(tài)。此時的試件既在x方向達(dá)到最大拉應(yīng)變，且在y方向達(dá)到最大壓應(yīng)變。雖然在加載過程中既承受x方向的拉應(yīng)力，又承受y方向的壓應(yīng)力，但由于抗拉強度要遠(yuǎn)小于抗壓強度，因此x方向的拉應(yīng)力最先達(dá)到承載極限而導(dǎo)致試件拉伸失效。x方向、y方向臨界狀態(tài)的最大主應(yīng)變與節(jié)點距之間的關(guān)系分別如圖13和圖14所示。

(a)階段1 (b)階段2 (c)階段3 (d)階段4 (e)階段5 (f)臨界圖12 最大主應(yīng)變場的演化圖12 Evolution of the maximum major strain field

2.3 動態(tài)劈裂試驗結(jié)果

(a)y方向臨界狀態(tài)的最大主應(yīng)變云圖 (b)y方向臨界狀態(tài)的最大主應(yīng)變 - 節(jié)點距曲線圖14 y方向臨界狀態(tài)的最大主應(yīng)變Fig.14 The maximum major strain of the critical state in y direction

圖15為RPUF試件在SHPB動態(tài)劈裂試驗中的典型波形。從圖中可以明顯看到，透射波波形要遠(yuǎn)小于入射波、反射波的波形，這是由于試件與壓桿的端面相切，接觸面積較小，且試件波阻抗小于壓桿的波阻抗，使得大部分應(yīng)力波被反射，導(dǎo)致透射桿上的信號比較少。為了較少端面的摩擦效應(yīng)，試驗前在試件與壓桿接觸端面涂有適量的凡士林。

圖15 RPUF的動態(tài)劈裂的典型波形Fig.15 A original waveform of dynamic split of RPUF

此外，由于RPUF為吸能緩沖材料，在加載過程中，試件端面的平臺被擠壓變形，即與壓桿的接觸面積會增大，使得透射波波形峰值呈現(xiàn)平臺。本次RPUF的動態(tài)劈裂拉伸試驗，主要考慮長徑比和應(yīng)變率2種因素對其間接拉伸性能的影響，即不同應(yīng)變率、長徑比下RPUF的動態(tài)劈裂拉伸性能參數(shù)分別如表4、表5所示。

表4 不同應(yīng)變率下RPUF的動態(tài)劈裂拉伸性能參數(shù)Tab.4 Dynamic split tensile properties of RPUF at different strain rates

表5 不同長徑比下RPUF的動態(tài)劈裂拉伸性能參數(shù)Tab.5 Dynamic split tensile properties of RPUF at different aspect ratios

2.3.1 應(yīng)變率對劈拉強度的影響

(15)

式中σts——準(zhǔn)靜態(tài)劈拉強度

σtd——動靜態(tài)劈拉強度

擬合曲線方程為：

y=A+Bx+Cx2

(16)

表6 DIF的擬合參數(shù)值Tab.6 Fitting parameter values of DIF

圖16為RPUF的DIF值與平均應(yīng)變率的關(guān)系，從圖中可以看出，DIF值隨應(yīng)變率的增大而明顯升高且呈非線性增長的趨勢，這表明RPUF材料具有較強的率敏感性。但隨著應(yīng)變率的增大，DIF值的增長率逐漸變緩。一般認(rèn)為，材料強度的增強主要是由于隨著加載應(yīng)變率的增大，材料在破壞時內(nèi)部泡孔壁裂紋來不及充分?jǐn)U展，在慣性力的作用下導(dǎo)致材料失效，而且應(yīng)變率越高，慣性力越大，材料破壞時的抗拉強度也就越高。

圖16 RPUF的DIF值與平均應(yīng)變率的關(guān)系Fig.16 Relationship between DIF value of RPUF and average strain rate

由于試驗過程中不可避免地受到外界信號及噪聲等因素的干擾，使得采集到的信號毛刺較多，故在數(shù)據(jù)處理時借助Origin9.1軟件中的FFT功能對由三波法處理得到的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線進(jìn)行平滑和濾波處理。另外，為了降低慣性效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響，試驗試件采用統(tǒng)一的長徑比0.5，在0.24、0.28、0.32 MPa 3種不同加載氣壓下對長徑比下進(jìn)行動態(tài)劈裂試驗，得到的典型應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，如圖16所示。

氣壓/MPa：■—0.24 ●—0.28 ▲—0.32圖17 RPUF動態(tài)劈裂的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線Fig.17 Stress-strain curve of RPUF in dynamic split

由圖17可知，RPUF的應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加都是先增大，而后逐漸減小，這是由于在RPUF變形的初期，內(nèi)部泡孔結(jié)構(gòu)受到擠壓而閉合密實，為了抵抗外部的力量不得不提高自身的強度，隨著沖擊速度不斷加大，RPUF內(nèi)部的泡孔逐漸被擠壓破碎且微裂紋開始不斷擴大、貫通，其自由表面不斷增加，傳遞荷載能力不斷減小，因此其強度急劇下降。另外，由于RPUF具有吸能緩沖的特性且波阻抗較低，在材料失效之后，應(yīng)力波需要在試件內(nèi)多次來回反射才能趨于平衡。

2.3.2 長徑比對平均劈拉強度的影響

為避免因加載氣壓過大而對試件造成多處裂紋開裂以影響試驗結(jié)果的可靠性，故對長徑比的研究均采用0.26 MPa的加載氣壓，分別對長徑比為0.2、0.4、0.6和0.8這4組長徑比進(jìn)行了動態(tài)劈裂試驗。不同長徑比的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，如圖17所示。從圖中可以看出，峰值應(yīng)力隨長徑比的增大而降低，而且拉伸彈性模量也呈下降的趨勢。

長徑比：■—0.2 ●—0.4 ▲—0.6 ▼—0.8圖18 不同長徑比的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線Fig.18 Stress-strain curves of different aspect ratios

同靜態(tài)劈裂試驗一樣，RPUF動態(tài)劈裂的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線也劃分為3個階段：第一階段為RPUF的彈性變形階段，該階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線近似為一條直線，其斜率為一定值，表現(xiàn)為較強的彈性特征以及較高的耐沖擊強度；第二階段為非線性彈性階段，該階段的曲線表現(xiàn)為非線性變形，進(jìn)入本階段后，在試件縱向產(chǎn)生拉伸載荷使得內(nèi)部泡孔受拉破壞，微裂紋開始逐步擴展開來，發(fā)生了質(zhì)的改變。RPUF內(nèi)部的裂隙在沖擊載荷作用下開始增加、貫通。當(dāng)達(dá)到該階段的最高點，即試件的峰值強度之后試件便開始發(fā)生破壞，導(dǎo)致應(yīng)力急劇下降；第三階段為破裂后階段，RPUF的承載能力到達(dá)了極限后，其內(nèi)部發(fā)生損傷，試件內(nèi)部的微裂紋快速發(fā)展，形成了宏觀斷裂面。此后，其承載力隨變形增大而快速下降，但試件的總應(yīng)變會持續(xù)增加。

圖19為長徑比與平均抗拉強度之間的關(guān)系，由圖可知，平均抗拉強度隨長徑比的增大逐漸降低。其中，長徑比由0.4增大到0.6，平均抗拉強度的下降幅度最大約為28.0 %，由0.6增大到0.8下降幅度最小約為 17.7 %。這是由于在同一加載氣壓下，試件長徑比越大(即厚度方向增大)則單位面積上的承載作用力就相對較小，反之越大。

圖19 平均抗拉強度與長徑比的關(guān)系Fig.19 Relationship between average tensile strength and aspect ratio

3 結(jié)論

(1)在RPUF的準(zhǔn)靜態(tài)劈裂試驗中，RPUF的抗拉強度隨著加載應(yīng)變率的增大而提高，而且與密度有著密切關(guān)系，即材料密度越大，其抗拉強度也相對較高；對于較高密度材料，當(dāng)應(yīng)變率達(dá)到一定值后，其抗拉強度的變化不再明顯；另外，材料的彈性模量、屈服強度也隨加載應(yīng)變率的增加而有增大的趨勢；在RPUF尺寸效應(yīng)研究中，發(fā)現(xiàn)RPUF的抗拉強度、彈性模量均隨長徑比的增大而降低；

(2)由準(zhǔn)靜態(tài)劈裂的結(jié)構(gòu)破壞分析得知，在x方向主要承受拉伸載荷，y方向承受壓縮載荷，并且x方向臨界破壞狀態(tài)的最大主應(yīng)變還主要集中于試件的中心區(qū)域，隨載荷的增大而逐漸增加，而最大主應(yīng)變由試件中心逐漸向左右兩端逐漸減??；

(3)在動態(tài)劈裂試驗中，RPUF的DIF值隨應(yīng)變率的增大而明顯升高，且呈非線性增長的趨勢，這表明RPUF材料具有較強的率敏感性。但隨著應(yīng)變率的增大，DIF值的增長率逐漸變緩。另外，RPUF的抗拉強度峰值應(yīng)力隨長徑比的增大而降低，而且拉伸彈性模量也呈下降的趨勢。