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《高加载率下_型裂纹试样的动态应力强度因子及断裂行为》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第18卷 第1期爆炸与冲击Vol.18,No.11998年1月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESJan.,1998高加载率下Ê型裂纹试样的动态X应力强度因子及断裂行为a,baaca,b董新龙 虞吉林 胡时胜 王 悟 王礼立(a.中国科学技术大学 合肥 230026)(b.宁波大学力学与材料科学研究中心 宁波 315211)(c.中物院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室 成都 610003)摘要 采用Hopkinson单压杆技术对单边平行双裂缝试样进行高速剪切加载,用实测的试样加载面上的载荷p(t)
2、结合有限元计算确定其动态应力强度因子。同时还发展了一种用实测的裂尖动态应变,通过在准静态下标定的裂尖应变与应力强度因子间的关系来确定动态应力强度因子的近似方法。实验结果表明,对于稳定裂纹在无边界反射应力波干扰的情况下,两种方法获得的动态应力强度因子吻合得相当好。对40Cr钢和Ti6Al4V钛合金两种材料的动态Ê型断裂实验结果显示出两种完全不同的剪切破坏模式和机理。关键词 动态应力强度因子 Ê型裂纹 绝热剪切中图法分类号 O347131 前 言 随着工程技术的发展,在力学与材料科学的研究中,动态断裂问题,包括裂纹
3、在高应变率[1]下的动态扩展问题一直是受到普遍重视的问题之一。尤其是近十多年来,研究者们在断裂试样高速加载手段及动态应力强度因子K(t)或积分J(t)的测试技术等方面,已提出了多种实验研究方法,如动光弹,动焦散及动态应变片法。其中,利用裂尖渐近场解的直接应变片法,虽然其所要求的设备易获得并且运用方便,但由于裂尖周围的应变梯度大,应变片的尺寸及贴片位置的精度对实验结果影响很大,妨碍该方法广泛使用。 需要指出的是,过去的大量研究工作,主要关注的是É型断裂的问题。直到1988年,[2]Kalthoff等对两种钢材的Ê
4、型裂纹试样进行冲击剪切实验时发现,随撞击速度或应变率的提高,破坏模式将发生转变,即裂纹扩展方向由与原裂纹平面约成70°的破坏模式转变为沿接近原裂纹平面扩展且观察到绝热剪切的特征,这才引起人们对Ê型断裂问题,以及裂纹与绝热剪切带相互作用问题的密切注意。 我们利用Hopkinson压杆技术发展了一套Ê型裂纹试样的冲击高应变率的加载方法,可以方便而定量地测得加载面上的动载荷,再结合有限元数值计算方法来确定动态下应力强度因子K(t)。与此同时,又尝试一种动态裂尖应变片法,利用准静态下标定得到的应变值与应力X中物院流体物
5、理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室资金资助课题(编号ZX9403)。董新龙:男,1964年6月生,博士,讲师。1997206218收到原稿,1997208-08收到修改稿。 第1期董新龙等:高加载率下Ê型裂纹试样的动态应力强度因子及断裂行为63强度因子间的关系来确定动态应力强度因子历史KÊ(t)。两种方法各有利弊。实验与有限元方法相结合的第一种方法是当前研究中较常采用的新方法之一,具有实测物理量少而能获得较多可靠的物理信息量等优点,但最终结果需经过相当繁复的数值计算才能获得;反之,如能事先标定裂尖某点应变Etip
6、与应力强度因子KÊ的关系,直接由测得的应变历史E(t)立即确定KÊ(t),不失为一种简便、实用的方法。我们用这两种方法对Ti6Al4V钛合金及40Cr钢的Ê型动态断裂进行了研究,对两种方法作了对比。实验结果还表明,在高加载率情况下,两种材料呈现出不同的裂纹扩展模式,最后对其机理进行了探讨。2 实验装置及方法211Ê型裂纹试样的动态加载及测试原理 实验在经改装无输出杆的Hopkinson装置上完成,采用类似于Kalthoff所用的单边裂纹剪切加载试样,即试样一侧具有平行双裂纹。加载方法及测试系统的原理见图1,这套
7、系统包括气枪加载装置、撞击杆,入射杆和一套瞬态波形记录系统(采样速率10MHz)。入射杆和撞击杆均由<1415mm的高强度钢制成,以保证其在冲击加载过程中保持在弹性状态。裂纹试样的两平行裂纹的间距也恰好为1415mm,并将试样的这一部位紧贴在入射杆末端。当撞击杆撞击到入射杆时产生一入射应力脉冲,传播到裂纹试样时施加剪切型即Ê型载荷,同时在入射杆中产生一反射应力脉冲。入射应力脉冲的波长及幅值是由撞击杆的长度及速度控制,由此可控制试样裂纹的动态起裂和裂纹扩展程度,直至完全断裂。就试样而言,只要试样本身自由边界的反[2
8、]射波尚未反射到达裂尖,则裂纹试样基本上处于面内剪切即纯Ê型加载。图1 动态实验装置示意图Fig.1Schematicdiagramofdynamicfractureexperiment 与Kalthoff的试验不同,本研究中通过Hopkinson压杆装置的入射杆对裂纹试样加载,既可避免撞击对试样直接加载时的瞬态不均匀接触,又可直接测量加载载荷。事实上,当撞击杆撞击入射
