衝擊載荷下陶瓷材料微裂紋成核與演化規律研究

《衝擊載荷下陶瓷材料微裂紋成核與演化規律研究》是依託北京理工大學，由任會蘭擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：衝擊載荷下陶瓷材料微裂紋成核與演化規律研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：任會蘭
• 項目類別：面上項目

項目摘要

本項目主要研究衝擊載荷下陶瓷材料破壞的聲發射特性，探討材料內部微損傷的成核擴展和聲發射特性參數之間的聯繫，給出微裂紋的成核規律和演化方程，並進一步研究陶瓷材料從微裂紋成核、擴展直至導致材料巨觀破壞的失效機制。（一）通過靜態和動態實驗系統地研究陶瓷材料壓縮破壞過程中的聲發射特性，建立聲發射特性參數與損傷參數之間的聯繫；（二）對破壞後的試件進行細觀結構觀察，分析脆性材料的破壞模式；對不同損傷程度的試件進行物理力學性能測試，為微裂紋擴展演化規律提供實驗依據；（三）在上述研究工作基礎上，建立陶瓷材料微損傷成核准則，通過討論微裂紋方向、大小、形狀等對演化過程的影響機理，並結合理論分析，給出微裂紋擴展的演化方程；（四）結合衝擊動力學程式，採用本項目給出的材料動態本構模型，模擬陶瓷材料在衝擊和侵徹等強動載荷下的回響問題，為陶瓷裝甲的防護設計和提高其抗侵徹能力提供理論依據。

結題摘要

陶瓷材料是典型的脆性材料，其變形破壞過程實質上是內部裂紋萌生、擴展、匯合貫通的過程，深入了解裂紋擴展演化行為需要從局部尺度上獲取損傷的物理信息。基於聲發射技術對陶瓷材料損傷物理機制進行研究，項目主要研究內容如下：(1)採用小波包能量特徵值法分析陶瓷損傷破壞過程中聲發射信號頻率變化規律，結果表明脆性材料中尺寸越大的裂紋擴展傾向產生更低頻率的聲發射信號。 選取最優小波基對採集的聲發射信號進行小波變換降噪處理，同時對Geiger定位算法的初值選擇進行最佳化，有效地提高了聲發射源的定位精度。採用最佳化後的定位方法對陶瓷巴西圓盤損傷演化過程中的裂紋源進行定位，定位結果有效地反映了材料中裂紋動態演化過程。(2) 基於M.ohstu矩張量理論，對材料損傷破壞過程中的聲發射信號進行分析，給出了一種描述脆性材料損傷破壞過程中裂紋類型、裂紋面的法線和運動方向的分析方法。利用自行編寫的矩張量分析程式反演了脆性材料巴西圓盤劈裂實驗和剪下實驗中裂紋運動機制，矩張量分析結果與巨觀破壞符合很好。(3)採用SHPB實驗裝置對陶瓷圓盤進行衝擊載入，通過波形整形器實現了斜波載入，獲得了增韌陶瓷的動態拉伸強度與應變率的關係；基於顆粒離散元法，採用平行粘結理材料模型，模擬了不同衝擊速度下陶瓷動態巴西劈裂破壞的動態過程，結果顯示：試件端面接觸處微裂紋成核、擴展，進而在試件內形成明顯的局部損傷區，最終導致了試件的巨觀劈裂破壞。(4)基於離散元法模擬了高應變率下陶瓷圓環的動態膨脹破壞，圓環顆粒速度變化曲線顯示：隨著載入速度增加，外層顆粒和內層顆粒的徑向平均速度曲線的跳動幅值表現出了對載入初速度大小的依賴性。此外，圓環內拉伸波載入/卸載過程是陶瓷圓環動態膨脹破壞的主要機理。