45鋼薄壁圓柱管的沖擊膨脹斷裂機(jī)理研究＊

葉想平，李英雷，張祖根

（中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽621999）

金屬殼體在沖擊載荷作用下的斷裂時(shí)間、斷裂過程以及斷裂結(jié)果預(yù)測(cè)是工程實(shí)踐和武器研究中非常關(guān)注的問題。很多工程問題，例如：導(dǎo)彈、炮彈、殼體戰(zhàn)斗部外殼的膨脹斷裂，輸油、輸氣管道和壓力容器的爆裂；核電站防護(hù)層和管道材料的輻射脆化、熱沖擊安全、建筑物和結(jié)構(gòu)中殼體部件抗沖擊能力評(píng)估等，都涉及到結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)斷裂性能評(píng)估和災(zāi)后對(duì)策問題，因此，金屬殼體的動(dòng)態(tài)斷裂行為研究，一直受到人們的高度重視［1－8］。

目前，薄壁金屬圓柱管膨脹斷裂機(jī)理主要是依賴對(duì)最終斷裂碎片的分析獲得［2，4，6，8］。在低應(yīng)變率下，G.I.Taylor［2］提出的徑向拉伸斷裂模式認(rèn)為拉伸裂紋首先萌生于外壁面，而后始終沿徑向向內(nèi)壁面擴(kuò)展，斷裂模式為拉伸斷裂模式；在高應(yīng)變率下，C.R.Hoggatt等［7］提出的絕熱剪切斷裂模式認(rèn)為，內(nèi)壁面首先發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)，形成絕熱剪切帶向外擴(kuò)展。當(dāng)外壁面處于拉伸應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，裂紋將沿剪切帶向內(nèi)擴(kuò)展并最終斷裂。隨著應(yīng)變率的降低，剪切方向的斷裂帶將不能貫穿整個(gè)壁厚，而是由拉伸裂紋首先沿徑向向內(nèi)壁面擴(kuò)展一段距離遇到絕熱剪切帶后，才沿著絕熱剪切帶向內(nèi)壁面擴(kuò)展，形成拉剪混合斷口［4，6］。另外，湯鐵鋼等［4］和胡八一等［8］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，減少壁厚或提高加載應(yīng)變率，會(huì)出現(xiàn)拉－絕熱剪切混合斷裂向純絕熱剪切斷裂的過渡。

針對(duì)現(xiàn)有高應(yīng)變率加載的膨脹柱管實(shí)驗(yàn)難以凍結(jié)回收不同膨脹斷裂階段的金屬柱管，對(duì)金屬柱管動(dòng)態(tài)膨脹斷裂過程缺乏直觀認(rèn)識(shí)的問題［4－6，8－9］，本文中采用新發(fā)展得改進(jìn)型霍普金森壓桿凍結(jié)回收實(shí)驗(yàn)技術(shù)［10］，在中應(yīng)變率（103s－1）下對(duì)45鋼薄壁圓柱管進(jìn)行膨脹斷裂凍結(jié)回收實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)不同膨脹斷裂階段的凍結(jié)回收樣品的金相和掃描電鏡顯微分析，直接觀察薄壁圓柱管在膨脹斷裂過程中的裂紋萌生位置、萌生裂紋類型、裂紋后續(xù)擴(kuò)展情況、最終斷裂模式等演化特征，并考察加載應(yīng)變率對(duì)其斷裂機(jī)理的影響，為薄壁圓柱管沖擊膨脹斷裂機(jī)理研究提供直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)和分析補(bǔ)充。

1 實(shí)驗(yàn)描述

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，在入射桿入射端添加一擋板，擋板后方為圓筒形制動(dòng)塊，圓柱管內(nèi)填充石蠟。通過霍普金森壓桿加載石蠟，對(duì)圓柱管進(jìn)行徑向膨脹加載。圖1右邊為實(shí)驗(yàn)部分放大示意圖。調(diào)節(jié)入射桿端部擋板與制動(dòng)塊之間的距離，可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的單次可控脈寬加載，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的凍結(jié)回收［10］。通過調(diào)節(jié)加載彈速，可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品加載的應(yīng)變率控制。實(shí)驗(yàn)用圓柱管內(nèi)徑7 mm、外徑8 mm、長(zhǎng)10 mm，填充石蠟長(zhǎng)6 mm，置于圓柱管中心位置。

通過凍結(jié)回收實(shí)驗(yàn)，可以一一得到圓柱管膨脹斷裂過程中從發(fā)生塑性變形到裂紋在壁厚內(nèi)演化、再到圓柱管發(fā)生完全斷裂的整個(gè)過程，如圖2所示。由于裂紋剛剛萌生時(shí)刻的回收樣品很難在宏觀照片中分辨出萌生狀態(tài)，故未列出裂紋萌生時(shí)候凍結(jié)回收試樣圖片。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of experimental device

圖2 凍結(jié)回收樣品Fig.2 Pictures of freezing recovery sample

圖3為圓柱管發(fā)生斷裂時(shí)記錄的原始波形圖。如圖3所示，在350μs處，二次加載波被制動(dòng)塊有效吸收，故未對(duì)樣品進(jìn)行二次加載，單次加載效果良好。圓柱管外壁端部環(huán)向粘貼的應(yīng)變片用來監(jiān)測(cè)圓柱管的加載時(shí)間t（圓柱管發(fā)生斷裂時(shí)，即為其斷裂時(shí)刻）［10］，如圖3所示。通過直接測(cè)量?jī)鼋Y(jié)回收樣品凸起最嚴(yán)重位置處的徑向變形量（當(dāng)圓柱管發(fā)生斷裂后，測(cè)量軸向長(zhǎng)度變形量，可換算得到徑向變形量）可得到圓柱管凸起最嚴(yán)重位置處的徑向應(yīng)變（本文中應(yīng)變和應(yīng)變率均為圓柱管凸起變形最嚴(yán)重位置處的應(yīng)變和應(yīng)變率，后文中不再?gòu)?qiáng)調(diào)），結(jié)合加載時(shí)間，可得圓柱管徑向加載應(yīng)變率，由透射桿測(cè)量信號(hào)可得到圓柱管內(nèi)壓載荷，具體數(shù)據(jù)處理可參考文獻(xiàn)［10］。

圖3 某發(fā)實(shí)驗(yàn)原始電壓波形圖［10］Fig.3 Original voltage waveform of one experiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同加載應(yīng)變率下45鋼圓柱管的膨脹斷裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表中D為圓柱管實(shí)測(cè)初始外徑，v為加載彈速，σn為石蠟內(nèi)部壓應(yīng)力峰值，也是圓柱管內(nèi)壁承受的載荷強(qiáng)度峰值，εr為圓柱管徑向斷裂應(yīng)變，t為斷裂時(shí)間，為圓柱管徑向應(yīng)變率。表1中實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率范圍內(nèi)，提高加載應(yīng)變率（內(nèi)壓載荷峰值從134 MPa提高到145 MPa），圓柱管內(nèi)部損傷演化程度加劇，損傷演化速率更快，表現(xiàn)為宏觀徑向斷裂應(yīng)變?cè)黾印嗔褧r(shí)間縮短，斷裂模式由拉剪混合向純剪切過度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與化爆圓柱管實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致［4］。

表1 圓柱管在不同加載應(yīng)變率下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of cylinder shells under different strain－rate

3 機(jī)理分析

圓柱管膨脹斷裂機(jī)理研究主要借助于金相顯微技術(shù)手段，觀察不同斷裂演化階段的凍結(jié)回收?qǐng)A柱管的斷裂特征。為了便于觀察，每幅有裂紋的金相圖片邊角上都配有裂紋（或斷口）位置示意圖，如圖4所示。對(duì)圓柱管膨脹斷裂全過程的觀察結(jié)果和分析如下。

圖4 圓柱管裂紋起始位置與擴(kuò)展形式Fig.4 The propagation route and starting position of crack on cylinder shells

3.1 裂紋萌生位置與形式

在初始時(shí)刻，45鋼圓柱管樣品中的珠光體和鐵素體基本處于均勻分布狀態(tài)，如圖4（a）所示；圓柱管受內(nèi)部壓力載荷作用后，內(nèi)部晶粒首先被環(huán)向拉伸，如圖4（b）所示。在加載持續(xù)作用下，拉伸裂紋將萌生于外壁面，如圖4（c）所示。加載圓柱管內(nèi)部壓力峰值載荷從134 MPa增加到145 MPa、加載應(yīng)變率隨之增高后，圓柱管膨脹斷裂萌生前，仍舊是內(nèi)部晶粒首先被環(huán)向拉伸，與圖4（b）所示類似，因此沒有重復(fù)展示圖片；延長(zhǎng)加載時(shí)間后，裂紋將以剪切形式萌生于外壁面，但剪切裂紋前端并沒有絕熱剪切帶，如圖4（d）所示。裂紋萌生形式由拉伸向剪切過渡的臨界加載應(yīng)變率為1.5×103s－1。在實(shí)驗(yàn)加載應(yīng)變率條件下，圓柱管在膨脹斷裂過程中，裂紋萌生于外壁面，并隨加載應(yīng)變率的提高，裂紋萌生形式由拉伸向剪切過渡，但剪切裂紋前端未觀察到絕熱剪切帶，表明絕熱剪切帶并非純剪切斷裂的必要條件。C.R.Hoggatt等［7］提出的絕熱剪切斷裂模式并不能解釋所有純剪切斷裂。裂紋萌生形式隨加載應(yīng)變率的增加由拉伸向剪切裂紋過渡的具體機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

3.2 裂紋擴(kuò)展與斷裂模式

圖5 圓柱管在不同加載應(yīng)變率下裂紋擴(kuò)展形式與斷口形貌Fig.5 The route of crack propagation and fracture surface morphology of cylinder shells at different strain rates

實(shí)驗(yàn)加載應(yīng)變率范圍內(nèi)，當(dāng)加載應(yīng)變率較低（1.3×103s－1，內(nèi)壓載荷峰值134 MPa）時(shí)，萌生的拉伸裂紋先沿徑向擴(kuò)展一段距離后，轉(zhuǎn)而沿剪切方向向內(nèi)壁面擴(kuò)展，如圖5（a）所示。裂紋張開寬度在外壁面比內(nèi)壁面大，這也再次表明，圓柱管在膨脹斷裂過程中，裂紋起始于外壁面。當(dāng)裂紋貫穿整個(gè)壁厚，圓柱管完全斷裂后，斷口呈拉剪混合型，如圖5（b）所示，斷裂時(shí)間t＝160μs，對(duì)應(yīng)斷裂應(yīng)變?yōu)?.21。圖5（a）～（b）中剪切斷口部分均沒有觀察到晶粒嚴(yán)重滑移帶，進(jìn)一步表明拉剪混合斷裂過程中，并沒有絕熱剪切帶的存在。由于載荷能量限制，斷口處產(chǎn)生的卸載波迅速對(duì)整個(gè)圓柱體進(jìn)行卸載，其余部位來不及積累更多的損傷產(chǎn)生裂紋，從而抑制了多裂紋的產(chǎn)生。提高加載應(yīng)變率到某臨界值附近（1.5×103s－1，內(nèi)壓載荷峰值145 MPa），萌生的剪切裂紋將一直沿剪切方向向內(nèi)壁面擴(kuò)展，直至貫穿壁厚，如圖5（c）所示。同樣，裂紋張開寬度在外壁面比內(nèi)壁面大。當(dāng)裂紋貫穿整個(gè)壁厚，圓柱管發(fā)生斷裂后，斷口呈純剪切型斷口，如圖5（d）所示。斷裂時(shí)間t＝150μs，斷裂應(yīng)變?yōu)?.23。圖5（c）～（d）的純剪切斷口剖面中均未觀察到晶粒嚴(yán)重滑移帶，進(jìn)一步表明純剪切斷裂過程中，并沒有絕熱剪切帶的存在。斷裂模式從拉剪混合向純剪切過渡的臨界加載應(yīng)變率在1.5×103s－1左右，說明薄壁金屬圓柱管在沖擊膨脹斷裂過程中，斷裂模式隨加載應(yīng)變率的提高存在從拉剪混合斷裂模式向純剪切斷裂模式的轉(zhuǎn)變，但此處的剪切斷裂并不是絕熱剪切斷裂。而這種斷裂演化模式隨加載應(yīng)變率的提高發(fā)生轉(zhuǎn)變的具體機(jī)理原因還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

通過基于SHPB裝置的凍結(jié)回收實(shí)驗(yàn)技術(shù)，研究了45鋼圓柱管在內(nèi)部動(dòng)載下的膨脹斷裂特性。在中應(yīng)變率范圍內(nèi)，得出以下結(jié)論：

（1）通過凍結(jié)回收實(shí)驗(yàn)技術(shù)，觀察到了包含裂紋萌生、擴(kuò)展直至斷裂的圓柱管沖擊膨脹全過程。

（2）圓柱管在膨脹斷裂過程中，裂紋萌生于外壁面。隨著加載應(yīng)變率的提高，裂紋萌生形式由拉伸裂紋逐漸向剪切裂紋轉(zhuǎn)變；在較低應(yīng)變率下，拉伸裂紋萌生于外壁面后，先沿徑向擴(kuò)展，而后轉(zhuǎn)而沿剪切方向擴(kuò)展，最終斷裂模式為拉剪混合斷裂；在較高應(yīng)變率下，剪切裂紋在外壁面萌生后，會(huì)一直沿剪切方向向內(nèi)壁面擴(kuò)展，最終斷裂模式為純剪切斷裂模式。圓柱管斷裂模式由拉剪混合向純剪切轉(zhuǎn)變的臨界加載應(yīng)變率在1.5×103s－1左右。

（3）圓柱管膨脹變形及斷裂過程中未見絕熱剪切帶的孕育，與高應(yīng)變率下圓柱管的膨脹斷裂機(jī)制存在顯著差異。

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