沖擊材料特性

1、沖擊載荷下材料的力學(xué)性能chongji zaihe xia cailiao de lixue xingneng沖擊載荷下材料的力學(xué)性能mechanical properties of materials under impulsive load   在持續(xù)短暫時間的強載荷作用下，材料會發(fā)生變形和破壞，相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)和性能也會發(fā)生永久性的變化。沖擊載荷下材料的變形行為，表現(xiàn)為變形同應(yīng)力、應(yīng)變率（應(yīng)變隨時間的變化率）、溫度、內(nèi)能等變量之間的復(fù)雜關(guān)系，包括屈服應(yīng)力（見屈服條件）和流動應(yīng)力的應(yīng)變率效應(yīng)、溫度效應(yīng)及應(yīng)變率的歷史效應(yīng)等等。描述這種關(guān)系可用高壓固體狀態(tài)方程和各種本構(gòu)方程（

2、見本構(gòu)關(guān)系）。在沖擊載荷的作用下，材料有多種動態(tài)破壞形式，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：局部大變形；溫度效應(yīng)引起的絕熱剪切破壞；應(yīng)力波相互作用造成的崩落破壞；應(yīng)變率效應(yīng)引起的動態(tài)脆性。這幾方面的力學(xué)性能都以各種時效、熱與機械功的耦合以及有限的體積變形和塑性畸變?yōu)樘卣鳎@些特征有時是同時存在的，有時則某一點更為突出。沖擊載荷在材料中引起的微觀組織的特殊變化（如動態(tài)相變等），有些是不可逆的，在載荷去掉之后，對材料的力學(xué)性能仍然有明顯的影響，這種現(xiàn)象稱為沖擊載荷的遺留效應(yīng)。   機械碰撞和各種形式的爆炸載荷是最常見的沖擊載荷。它們的強度一般至少都足以引起材料的塑性變形，而載荷持續(xù)的時間

3、則從納秒（如薄膜的撞擊和輻射脈沖載荷）、毫秒至秒（如核爆炸或化學(xué)爆炸對結(jié)構(gòu)物的載荷）的量級。通常根據(jù)受沖擊載荷作用的材料的質(zhì)點速度 和特征強度（如屈服應(yīng)力）將沖擊載荷分為低速、中速、高速三種，受沖擊載荷作用的材料特性也相應(yīng)地分為三種：   低速沖擊載荷 /約為1010(為材料的密度)。介質(zhì)變形量不大，以時效現(xiàn)象為主,可用等溫近似方法處理。   中速沖擊載荷 /約為 1010。介質(zhì)發(fā)生有限彈塑性變形，時效、熱與機械功的耦合都比較明顯，體積可壓縮性也需要考慮，相應(yīng)地有各種描述變形過程的本構(gòu)關(guān)系。   高速沖擊載荷/約為1010與材料強度有

4、關(guān)的諸效應(yīng)退居次要地位，而以體積壓縮變形和熱的耦合為主要特征。介質(zhì)變形可按照可壓縮流體處理，其變形行為可用各種高壓狀態(tài)方程描述。   高速沖擊載荷下材料變形的描述  材料在高速沖擊載荷下的變形行為，通常用以內(nèi)能、體積和壓力為參量的高壓固體狀態(tài)方程描述。這種方程反映固體在大體積變形的情況下體積變形功和固體內(nèi)能（物質(zhì)結(jié)構(gòu)勢能和熱振動能）之間的關(guān)系。米格呂內(nèi)森方程是最常用的高壓固體狀態(tài)方程：         58a1，式中為壓力；為體積；為內(nèi)能； 為格呂內(nèi)森系數(shù)；58a2為“冷”壓

5、；為“冷”內(nèi)能，反映晶體點陣的勢能該方程適用于10帕。在更高的壓力下，不同物質(zhì)的結(jié)構(gòu)（如點陣）已不存在，物質(zhì)成為某種統(tǒng)一的狀態(tài)(如電子核體系)。適用于這種情況的狀態(tài)方程有托馬斯-費密方程 (TF方程)和托馬斯-費密-狄克方程（TFD方程）等。   在爆炸力學(xué)中還常用許多經(jīng)驗性的高壓固體狀態(tài)方程，適用于和米格呂內(nèi)森方程相仿的壓力區(qū)間，如蒂洛森方程：           58-01式中=+1=/；和分別為初始密度和密度;為比內(nèi)能（單位質(zhì)量物質(zhì)的內(nèi)能）;為物質(zhì)常數(shù);、為實驗參量（見

6、表1某些材料的實驗參量）。   中低速沖擊載荷下材料變形的描述  在中、低速沖擊載荷作用下材料的變形行為主要涉及應(yīng)變率和溫度效應(yīng)，對變形行為的描述有各種形式的本構(gòu)方程。   應(yīng)變率和溫度效應(yīng)  在中低速沖擊載荷作用下,材料不同程度地表現(xiàn)出各種時效，主要是應(yīng)變率效應(yīng)。高應(yīng)變率效應(yīng)往往相當(dāng)于低溫效應(yīng)。常用一個溫度和應(yīng)變率組合而成的參量（Z-H參量） ln（/）來表示溫度和應(yīng)變率 對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、屈服應(yīng)力和流動應(yīng)力產(chǎn)生的綜合效應(yīng)（為材料常數(shù)）。分述如下：   屈服應(yīng)力的應(yīng)變率效應(yīng)和溫度效應(yīng) 

7、; 屈服應(yīng)力隨Z-H參量增大而降低。在高應(yīng)變率條件下,會發(fā)現(xiàn)載荷雖已超過屈服應(yīng)力，但屈服現(xiàn)象并不立即出現(xiàn)，如沖擊載荷下材料的力學(xué)性能碳鋼的塑性變形可滯后幾十微秒才發(fā)生，這稱為屈服滯后。    流動應(yīng)力的應(yīng)變率效應(yīng)和溫度效應(yīng)  在應(yīng)變率 為1010秒的范圍內(nèi),流動應(yīng)力大致隨應(yīng)變率的對數(shù)呈線性變化。參量59-01一般隨溫度和應(yīng)變的增大而增大。對于大多數(shù)金屬,的范圍約為1010帕。如鉬約為72×10帕,鈹為18×10帕，鈦合金約為50×10帕。在10秒處,多數(shù)金屬材料的流動應(yīng)力隨應(yīng)變率的提高而劇增。  

8、; 應(yīng)變率歷史效應(yīng)  表示材料對過去應(yīng)變率歷史不會立即“忘卻”如在剪應(yīng)變率59-06發(fā)生跳躍(由59-06跳到59-06)的實驗中,跳躍后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線并不立即與恒定59-06條件下的曲線重合。圖1鋁合金(99.80)在兩種恒應(yīng)變率和應(yīng)變率由低跳高時的應(yīng)力應(yīng)變曲線給出三個實驗中剪應(yīng)變率發(fā)生跳躍時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,當(dāng)剪應(yīng)變達(dá)到約0.21(0.32、0.42)時，剪應(yīng)變率從59-06突然跳到59-06，這時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與恒定59-06條件下的曲線不重合。   彈性前驅(qū)波的波幅衰減和應(yīng)力松弛  彈性前驅(qū)波就是一維應(yīng)變下的彈性縱波，它本

9、應(yīng)以恒速、恒幅向前傳播。沖擊實驗發(fā)現(xiàn)，彈性前驅(qū)波雖然是恒速，但波幅卻隨傳播距離而衰減，而且在波峰后，有一段應(yīng)力下降（松弛）,然后才出現(xiàn)高幅度的塑性波。圖2彈性前驅(qū)波的波幅衰減和應(yīng)力松弛中不同位置和時刻的應(yīng)力波形，表明彈性前驅(qū)波的波幅衰減和應(yīng)力松弛。這些都與波陣面上較大的塑性畸變密切相關(guān)。目前用位錯運動的微觀模型可以解釋并計算模擬上述現(xiàn)象。   本構(gòu)方程  這里研究的本構(gòu)方程是指材料在中、低速沖擊載荷作用下，變形過程中諸力學(xué)量（例如應(yīng)力和應(yīng)變）相互關(guān)系的物性方程。根據(jù)中、低速沖擊載荷下材料變形的種種現(xiàn)象，本構(gòu)方程應(yīng)能包括應(yīng)變率、溫度、變形歷史（包括應(yīng)變和應(yīng)

10、變率歷史）等等，從而能綜合描述各種時效以及有限變形效應(yīng)。但目前還沒有一個本構(gòu)方程能夠概括所有這些效應(yīng)。常見的本構(gòu)方程有：   索科洛夫斯基馬爾文方程：           59-02式中為塑性應(yīng)變率；()為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力;和為待定常數(shù)。這是一個一維的率型方程。塑性應(yīng)變率反映為過應(yīng)力-()的粘性。   奧羅萬吉爾曼方程：      59-03式中和59-06分別為塑性剪應(yīng)變和塑性剪應(yīng)變率;為伯格斯矢量的

11、大小；和分別為初始位錯密度和可動位錯密度;和分別為平均位錯速度和極限位錯速度;為位錯增殖密度;為剪應(yīng)力;為位錯的特征阻滯應(yīng)力;為應(yīng)變強化系數(shù)。這是基于位錯理論的本構(gòu)方程。    佩日納方程：  59-04其中      59-05式中為應(yīng)變率偏量;和分別為應(yīng)力偏量和應(yīng)力偏量速率；為靜水壓力速率； 為應(yīng)力偏量第二不變量；、分別為剪切模量、楊氏模量和泊松比;為塑性功；()為材料物理狀態(tài)的函數(shù)；為一常數(shù)。佩日納方程是索科洛夫斯基-馬爾文方程的三維推廣,但仍只適用于等溫和小應(yīng)變的情況。 

12、60; 流體彈塑性本構(gòu)方程  考慮到?jīng)_擊載荷引起的大變形和明顯的熱效應(yīng)，需要應(yīng)用流體彈塑性本構(gòu)方程。對于熱功耦合和大變形的描述是十分困難的。一個大為簡化的描寫方法是，把變形視為形狀變形和體積變形二部分之和。形狀變形部分用小彈塑性本構(gòu)方程（如普朗特-羅伊斯方程）描寫,而體積變形部分用高壓固體狀態(tài)方程描寫。   動態(tài)破壞現(xiàn)象  在高速碰撞等沖擊載荷作用下引起的大塑性變形，能形成諸如開坑、鼓包等動態(tài)破壞形態(tài)。此外，還有如下一些特殊的形態(tài)。   絕熱剪切帶  受沖擊載荷作用后，在材料發(fā)生大塑性變形的區(qū)域

13、中,存在一些白色的亮帶,稱為絕熱剪切帶，在壓力加工工藝中則稱為熱線。這是由于在極高的應(yīng)變率(10秒)下，局部大塑性畸變產(chǎn)生的熱來不及傳輸出去，使變形加劇而形成的。判斷絕熱剪切帶的發(fā)生有臨界剪應(yīng)變準(zhǔn)則(如對金屬鈦，臨界剪應(yīng)變約為1.15)和臨界應(yīng)變率準(zhǔn)則。有時，絕熱剪切帶有裂紋伴生。裂紋可沿絕熱剪切帶發(fā)展，也可出現(xiàn)與絕熱剪切帶斜交的多個裂紋（圖3與絕熱剪切帶斜交的裂紋）。   崩沖擊載荷下材料的力學(xué)性能落  崩落是拉伸應(yīng)力波造成的材料斷裂。拉伸應(yīng)力波是從受載面開始的壓應(yīng)力波在自由表面反射形成的，所以崩落多發(fā)生在受沖擊體的背面自由表面附近或拉伸應(yīng)力波相交而增

14、強的區(qū)域(圖4爆炸后自由面反射的拉伸應(yīng)力波相交而形成的開裂(自左至右是開裂的過程)。崩落破壞面是由許多裂紋或孔洞連接而成的（圖 5純鐵受到高速沖擊后拋光截面上的裂紋）。崩落表現(xiàn)出強烈的時效，載荷持續(xù)時間越短，達(dá)到破壞所對應(yīng)應(yīng)力越大。   動態(tài)脆性  由于應(yīng)變率的增大，屈服應(yīng)力和流動應(yīng)力相應(yīng)地提高，使塑性變形區(qū)縮小，從而導(dǎo)致材料脆化，表現(xiàn)為材料脆性韌性轉(zhuǎn)變溫度的提高和斷裂韌性的下降。   遺留效應(yīng)  沖擊載荷在固體中造成的瞬時高壓（常伴有高剪應(yīng)力）、高溫和高應(yīng)變率，往往造成材料的組織結(jié)構(gòu)和性能的永久變化，這種變化在卸

15、載后依然存在，稱為遺留效應(yīng)。主要表現(xiàn)為不可逆相變、顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的變化。 激波在固體中引起的不可逆相變見表2激波在固體中引起的不可逆相變。可以利用激波引起的不可逆相變合成新材料（例如用爆炸法人工合成金剛石），也可以作為測量和標(biāo)定壓力的一種手段（例如利用石英相變來測量爆源附近的壓力范圍）。   沖擊加載于體心立方金屬，常常產(chǎn)生大量的變形孿晶（圖 6退火低碳鋼經(jīng)受爆炸沖擊載荷作用后出現(xiàn)孿晶）。孿晶的多少同沖擊壓力的大小和持續(xù)時間有關(guān)。面心立方金屬除在很高的壓力下出現(xiàn)少量孿晶外，一般呈現(xiàn)密集的滑移條紋（圖 7高錳鋼爆炸硬化后的滑移條紋），在沖擊載荷作用下，點陣扭曲，位錯密度增

16、大，點缺陷大量增加，這些都使變形材料的內(nèi)能增高。組織結(jié)構(gòu)的變化和內(nèi)能的增加，使變形后材料的硬度和強度比靜態(tài)變形后明顯提高。圖 8不同金屬的沖擊硬化曲線為經(jīng)不同沖擊壓力作用后材料硬度的變化曲線。但如果壓力過大，熱效應(yīng)的作用會使硬度降低，例如鎳和奧氏體不銹鋼在1015吉帕?xí)r即顯示出回軟現(xiàn)象。與硬度直接有關(guān)的是材料的強度，隨硬度的提高，材料的強度亦相應(yīng)增大。至于沖擊加載之后，材料的疲勞性能、抗應(yīng)力腐蝕性能和沖擊韌性值是否降低，延脆性轉(zhuǎn)變溫度是否提高等等，至今還沒有得出一致的結(jié)論。   在生產(chǎn)上，高錳鋼爆炸硬化和奧氏體反磁鋼的爆炸強化已經(jīng)廣泛應(yīng)用。經(jīng)過激波加載然后進(jìn)行再結(jié)晶退火能使材料的晶粒細(xì)化，塑性增加，低溫脆性和高溫蠕變性能改善。在常規(guī)形變熱處理的基礎(chǔ)上，正在發(fā)展一種沖擊形變熱處理方法。這是利用沖擊載荷遺留效應(yīng)的一個有發(fā)展前景的途徑，但是還沒有達(dá)到工業(yè)上應(yīng)用的程度。   參考書目J.D.Campbell, Dynamic  Pl