[发明专利]材料动态拉伸断裂实验方法

说明书

一、技术领域

本发明属于冲击动力学领域，具体涉及一种材料动态拉伸断裂实验方法，通过该方法能获取强动载下材料微损伤随时间演化的物理图像和数据信息。 

二、背景技术

层裂(Spallation)是一种典型的动态拉伸断裂破坏形式。其中，一维应变条件下的层裂(以下简称层裂)，是一种最简单、最重要的拉伸断裂现象。由于是一维应变问题，理论分析较为简单，而且实验上也较易实现；同时，它包含了材料在强动载荷作用下破坏过程的丰富内容。因此，人们在对材料动态破坏的认识过程中，始终把平面层裂问题作为主要内容加以研究。 

目前学术界公认：层裂是由于在拉伸应力作用下材料内部的微损伤成核、长大以及贯通，最后导致材料发生灾变式断裂的一种损伤演化过程。目前层裂实验中最主要的诊断技术有：采用激光速度干涉仪(VISAR)对层裂样品的自由面粒子速度(历史或界面速度)剖面进行连续测量；对样品进行软回收，并借助光学显微镜、扫描电镜、透射电镜等仪器对样品断口的断裂特征和损伤程度进行细微观观测和表征。自由面粒子速度剖面的VISAR技术尽管为实时的精确测量，但同时也为间接测量，只在宏观尺度上部分反映了材料内部的损伤演化过程。实验后软回收样品的金相分析不需要复杂的测试设备，只要设计好可靠的回收装置，避开因回收而引入的二次损伤，就可以直接获得宏观层裂形貌、层裂片厚度及 损伤程度等信息，但其缺点是只能得到层裂的终态面貌，不能得到与时间相关的损伤演化过程信息。 

层裂实验的基本原理是：利用飞片撞击靶板(飞片厚度通常小于靶板厚度，一般情况下两者厚度比为1/2)，向飞片和靶板中各自产生一个冲击波，当冲击波到达飞片后界面(自由面)或者靶板的自由面时，都会被反射形成中心稀疏波。两束稀疏波相向而行，在靶板中相遇，该区域产生拉伸应力，如果拉伸应力脉冲足够强，经过一定的孕育时间，层裂将会发生，形成一个新的层裂面或者最大损伤面。 

材料的损伤演化路径将随应力幅度、加载应变率及拉伸持续时间等因素的变化而变化。在当前的测试技术水平前提下，上述层裂实验原理很难实现既保证其它因素(应力幅度、冲击硬化效应和加载应变率等)不变，而又能考察微损伤随时间演化的物理图像。例如，通过控制飞片速度产生不同幅值的应力加载脉冲，但同时也改变了加载应变率、冲击硬化效应等；通过改变飞片的厚度产生不同的拉伸持续时间，但同时也改变了压缩持续时间、加载应变率和冲击硬化效应等因素。 

三、发明内容

本发明的目的是克服现有层裂实验技术中的很难诊断到在其他因素都相同条件下，材料内部微损伤随时间演化的数据信息的缺点，提出一种新的层裂实验技术方案，从而有效“冻结”层裂实验中的微损伤随时间演化的物理图象和信息数据。 

本发明的基本思路是：将层裂实验中的靶板设计成同质材料的双层靶，即第一层靶板和第二层靶板，两者之间产生一个不能承受任何拉伸应力的界面，同时由于是同质材料，受到冲击压缩时的响应过程与完整靶板一样。当飞片撞击第一层靶板后，向飞片和第一层靶板中各自产生 一个冲击波，当冲击波到达飞片或者靶板的自由面时，都会被反射形成中心稀疏波。两束稀疏波相遇后相互作用，但第一层靶板和第二层靶板的界面处因不能承受拉伸应力而分离，左行稀疏波在界面处反射形成二次压缩波，并向右传播，第二层靶板中受到拉伸应力的持续时间将被缩短，但同时材料受到拉伸时的应变率不变。实验中可以控制飞片厚度、双层靶样品总厚度及碰撞速度不变，调整双层靶样品的厚度比(或分层界面的位置)就可以保证有效控制拉伸应力持续时间，进而控制损伤演化的进程。最终通过对回收双层靶样品的微损伤分析，获取损伤“冻结”的物理图象和信息数据。 

本发明解决其技术问题所采用的具体技术方案是：一种材料动态拉伸断裂实验方法，是利用飞片撞击靶板使靶板产生层裂的方式，其特征在于：靶板为紧贴在一起的同质材料双层靶，即第一层靶板和第二层靶板，当飞片撞击第一层靶板后，向飞片和第一层靶板中各自产生一个冲击波，当冲击波到达飞片的自由面和第二层靶板的自由面时，都会被反射形成稀疏波，两束稀疏波相向而行，在第二层靶板或第一层靶板中相遇，产生足够强的拉伸应力，经过一定的孕育时间，应力拉伸区域将会发生层裂或损伤，形成一个层裂面或者最大损伤面。所谓紧贴是指理论上只能受压不能受拉。 

进一步的方案是：第一层靶板的厚度小于第二层靶板厚度。这时，两束稀疏波会在第二层靶板中相遇。反之，两束稀疏波则会在第一层靶板中相遇。