高應變率加載下金屬柱殼斷裂的實驗研究

任國武,郭昭亮,湯鐵鋼,蘇紅梅,溫上捷,金山

(中國工程物理研究院流體物理研究所,四川綿陽621999)

高應變率加載下金屬柱殼斷裂的實驗研究

任國武,郭昭亮,湯鐵鋼,蘇紅梅,溫上捷,金山

(中國工程物理研究院流體物理研究所,四川綿陽621999)

針對高應變率加載下金屬柱殼復雜動力學響應,采用高速分幅相機和多普勒探測系統陣列聯合測試了鈦合金柱殼在內置炸藥加載下膨脹、斷裂直至整體破碎的表面動態圖像和局部區域的速度歷史剖面。通過對比分析估算了表面裂紋萌生及爆轟產物泄露時刻的工程應變,觀察表面斷裂模式并獲得裂紋萌生擴展與速度剖面的關聯;并從回收破片斷口形貌確定柱殼整體失效的斷裂特征。

爆炸力學;柱殼;剪切斷裂;多普勒探測系統陣列;分幅

DOI:10.3969/j.issn.1000-1093.2016.01.012

0 引言

一直以來,高應變率加載下典型軸對稱結構的金屬柱殼力學響應是工業及軍事應用中最為引人關注的,比如內裝炸藥的武器結構。整個動力學過程[1-15]包含了柱殼的高應變率膨脹變形、裂紋萌生擴展及最終的破片形成等階段。其中,對于該過程的實驗診斷、物理模型發展和數值模擬主要集中于后期裂紋形成的物理機制、斷裂應變分析和破片統計分布規律。比如,Gurney[1]最早于1943年發展了經驗模型估算柱殼在炸藥加載后形成破片的最終速度;Taylor[2]提出柱殼內部應力狀態與裂紋形成擴展的物理機制;Hoggatt等[3]觀察到了隨著加載壓力的增加柱殼斷裂模式發生從拉伸型到剪切型的轉變;Mott[6]和Grady等[7-8]分別從統計學方法及能量守恒觀點全面地研究柱殼失效后形成大量破片的統計分布規律,給出破片數目與加載應變率及破片質量間的關系,基于對破片形成物理過程的認識發展相應的破片經驗模型,為該過程開展數值模擬奠定了基礎。

與金屬柱殼最終破片形成及統計規律的深入認識相比,對其早期裂紋萌生及擴展這樣一個高應變率的動態演化過程了解還相對較少,尤其以剪切型方式主導的柱殼斷裂。目前實驗上可用于觀測該動態過程的工具主要有:1)高速轉鏡式分幅相機[9-12],能獲得多幅微秒級金屬柱殼表面從膨脹、裂紋萌生直至爆轟產物泄露的演化圖像;2)多普勒速度測量儀[9-10],可精確地測得柱殼表面某個位置的膨脹速度歷史剖面。除此之外,回收破片的微觀表征[10,12,14]分析給出柱殼的斷裂特征,比如大量韌窩表明為延性斷裂或局域大變形帶意味著早期壓縮形成絕熱剪切帶。然而對于這樣一個與高加載應變率、柱殼結構及材料微觀缺陷有關的復雜斷裂過程,這些實驗測量的結果還不足以準確認識其物理機制、建立宏觀物理模型和數值模擬[16-18]。

本文基于內置炸藥加載的鈦合金(Ti-6Al-4V)柱殼裝置,利用高速轉鏡式分幅相機和新發展的陣列式多普勒探測系統(DPS,多普勒速度測量儀)聯合診斷以剪切型方式為主導的柱殼表面膨脹斷裂過程。比較分析實驗上測得的實時結果全面地給出了柱殼工程應變、裂紋萌生及失效應變等物理信息。從回收破片的微觀表征進一步確認鈦合金柱殼的斷裂模式。

1 實驗布局及診斷

金屬柱殼爆轟加載實驗的整體布局為圖1所示。實驗裝置為內裝炸藥的鈦合金(Ti-6Al-4V)柱殼,其中柱殼外直徑為52 mm,壁厚為6 mm,長度為140 mm,密度大約為4.43 g/cm3;炸藥為JOB-9003,直徑為40 mm,長度為120 mm,密度大約為1.87 g/cm3.實驗診斷工具主要包括高速轉鏡式分幅相機、DPS陣列及回收箱。

圖1 整個實驗布局圖(包括實驗裝置及測試工具)Fig.1 Schematic diagram of experimental layout,including metal case filled with high explosive and test tools

高速轉鏡式分幅相機可用于拍攝金屬柱殼表面的實時動力學過程,獲得40幅的圖像。依據對柱殼表面過程關注的時間及位置的要求,設置分幅相機不同的轉速,實現不同的幅頻間距,在這里選擇幅頻間距為0.5 μs.為獲得柱殼表面清晰圖像,實驗采用了以白紗布為后置背景的前照明照相。在柱殼尾部放置一時標雷管記錄柱殼膨脹過程分幅圖像的精確起始時刻。回收裝置為內裝潮濕鋸末的木箱,置于柱殼裝置的底部,回收部分破片用于微觀表征。

DPS是一種能準確測量高速運動物體速度歷史剖面的測速儀器,且已應用于爆轟加載下金屬柱殼的膨脹斷裂過程,但目前還僅限于單個測點。事實上從文獻[7-8]給出的加載應變率與形成破片平均長度的關系公式中發現該公式同樣適用于單個破片長度與其速度的關聯,這就意味著柱殼表面形成不等長的破片會造成其速度的不一致性。因此本文設計了一種新型DPS陣列布置于沿柱殼表面環向局域某個區域,保證光纖探針組能跨越多條宏觀裂紋,測得表面形成裂紋后速度歷史剖面的差異,獲得與金屬柱殼斷裂有關的實時信息。依據早前鈦合金柱殼實驗估算的裂紋平均長度以及DPS測試的有效距離,設計的DPS陣列如圖2(a)所示,為一半徑為76 mm的弧形支架,共考慮6個DPS探頭,探頭間距夾角為3°.測量DPS探頭在柱殼表面間距大約為1.36 mm,大于DPS探頭的焦斑,避免了不同探頭間光路重疊。6個探頭在柱殼表面跨越的弧度為15°,距離大約為6.8 mm.圖2(b)為實物圖。

2 結果分析及討論

2.1 分幅圖片

作為一種用于診斷金屬柱殼膨脹斷裂的傳統測試工具,高速轉鏡式分幅相機能直接拍攝多幅柱殼膨脹斷裂過程中的表面動態變化,獲得直觀的認識。圖3(a)和圖3(b)分別給出了 t=17 μs和t= 22.5 μs兩個時刻的分幅圖片,清楚地展示柱殼表面的裂紋萌生、擴展、貫穿及爆轟產物泄漏。通過定義工程應變ε=(D-D0)/D0,其中D0為初始柱殼外直徑,D為當前時刻某位置的直徑,由此計算出表面特征出現時柱殼某些位置的工程應變,比如,ε=0.19對應于表面裂紋萌生;ε=1.00為爆轟產物開始出現,表明柱殼在該位置已完全斷裂。從另一方面來講,這也意味著柱殼表面裂紋的出現并不代表著柱殼的最終失效,這一結論印證了Taylor判據,即早期柱殼在炸藥加載下靠近外壁區域處于環向拉伸狀態,而內壁區域是壓縮狀態;隨著加載時間增加柱殼表面有裂紋萌生,但是內壁區域還處于壓縮狀態;直到柱殼的環向完全進入拉伸區域后,柱殼才最終失效。注意到不論是產物大量泄漏對應的工程應變還是裂紋萌生的工程應變都不是材料真正的失效應變。

依據同一位置不同時刻的工程應變近似估算柱殼的膨脹速度,如圖3(a)所示t=17 μs時刻ε= 0.40和圖3(b)中t=22.5 μs時刻ε=0.77,可估算出平均膨脹速度為1.9 km/s.而利用Gurney公式,計算出的極限速度為1.986 km/s,其中M(柱殼質量)/C(炸藥質量)大約為1.6336,(2E)1/2近似等于炸藥爆速的1/3.兩個速度差異的原因在于極限速度對應于破片的自由飛行狀態,平均膨脹速度計算的時間間隔內柱殼破片還處于約束狀態。實際由DPS測量給出的破片最終速度為1.85 km/s.通過觀察柱殼表面的斷裂狀態,判斷其斷裂模式是剪切型且破片的特征是環向寬度較窄。

從圖3(b)觀察到較亮的區域為破片間滑移出的斷口,與圖3(a)比較發現不同時刻破片滑移出的距離不同,為此,可估算出破片間的相對滑移速度。為方便計算該值,首先分別變換圖3(a)和圖3(b)得到對應的負片圖3(c)、圖3(d),此時白色區域為破片表面,黑色區域為滑移出斷口。由于圖像放大后區域邊界不易標定,為較準確獲得黑色區域寬度的值,選擇3個標識區域取其平均值。為避免柱殼表面的圓弧效應,被估算的區域最好靠近柱殼中心附近。計算圖3(c)和圖3(d)中被標識區域(1-1＇、2-2＇、3-3＇)所示的黑色寬度變化得到黑色長條寬度的差值大約為4個像素點。以圖像中支架寬度作為參考(在圖像中對應的像素點位58個,實際寬度為12 mm),得出黑色寬度變化大約為0.83 mm.利用兩個圖像的時間差(5.5 μs),近似估算出破片間沿徑向的相對滑移速度約為150 m/s.

圖2 DPS陣列布局圖Fig.2 Schematic diagram of DPS array

圖3 分幅圖片不同時刻特征位置處的工程應變Fig.3 Engineering strains at different positions

采用類似計算黑條寬度的方法,計算其近鄰區域白條的寬度。從圖3所示的兩個時刻發現白色區域的寬度(破片)基本沒變化,原因在于圖3(c)和圖3(d)中所被估算的破片周圍已出現大量裂紋,此時沿破片環向的Mott卸載波基本上已經被釋放完,在破片內不再形成新的裂紋。這些白條的平均寬度為大約14個像素點,對應的破片寬度值為2.89 mm.實際測得的回收部分破片寬度平均近似為2.7 mm,二者吻合較好。

2.2 DPS陣列速度剖面

圖4(a)給出DPS陣列測得的速度歷史剖面,a～f曲線分別對應為圖2(a)中標記的位置。在速度剖面上第3個極值前,6條曲線重合的非常好,說明這段時間內被測區域的膨脹變形完全一致。速度剖面上第一峰值對應的時刻分別為11.1 μs、11 μs,11.02 μs、11.09 μs、11.01 μs和11.06 μs,速度分別為1.158 km/s、1.193 km/s、1.183 km/s、1.165 km/s、1.173 km/s和1.188 km/s,對應的初始加載應變率大約為4.5×104s-1.利用沖擊波在壁厚振蕩的時間間隔,估算出鈦合金內的沖擊波速度為5.91 km/s,粒子速度則是第一峰值速度的一半,為0.588 km/s.速度剖面上第3個極值對應時刻大約為15 μs,速度積分后得到該時刻此位置的工程應變ε=0.18,對應的分幅圖像為如圖4(b)所示。從該時刻分幅圖像的觀察發現在DPS測量位置的地方剛好有裂紋萌生,表明速度的分散指向該測點位置萌生出裂紋,因此從速度剖面得到柱殼表面有裂紋萌生的時間間隔大約為4 μs.更進一步發現測點c的測量有效時間達到37 μs,遠超過分幅拍攝到柱殼圖像的最大時間31.5 μs,如圖4(c)所示。事實從圖4(c)分幅圖中發現DPS支架區域已有從裂紋間明顯泄漏的爆轟產物,但該測點的速度剖面絲毫沒有影響,表明這個測點的DPS光斑對著破片表面,沒受到爆轟產物的干擾。整體上來看,圖4(a)給出的速度歷史剖面在測量時間范圍內沒有明顯的跳躍,意味著DPS測點沿環向沒有跨越橫向或縱向斷口(DPS測點固定),但是不同測點附近爆轟產物的先后出現則影響速度測量的有效時間。

圖4 速度歷史及分幅圖像Fig.4 Velocity history and framing images

對速度剖面第三極值后速度分散區進行分析,該區域跨越的時間間隔大約從15 μs到32 μs.明顯地速度分散性主要來源于表面裂紋出現。依據Grady對于破片建立的能量守恒準則,高應變率加載下(＞104s-1)裂紋的動能近似等于斷裂能,由此給出破片的長度lf與斷裂能Gc、加載應變率ε·0的關系:

對于柱殼破裂該特征長度為指破片的環向寬度。盡管特征長度lf是指破片的平均寬度(柱殼),但事實上該公式推導是基于每個破片的能量守恒關系而得到的,因此該公式對每個破片同樣適用。每個破片在形成后的斷裂能都相同,意味著每個破片的寬度只與加載應變率有關,呈-2/3的冪指數關系。加載應變率等于速度除以半徑,由此得到破片速度v與寬度lf的關系式v∝lf-3/2.因此速度分散區中的速度值越大表明形成的破片尺寸越小(寬度窄)。其次,從圖4中看出速度差異不是很大,表明形成的裂紋寬度差異較小。利用速度值,估算破片寬度的最大比值大約為1.034.依據以上分析,進一步可得到分散區早期階段(15～21 μs),測點e的速度最小,還有明顯的速度振蕩存在,意味著該速度指向的表面點附近區域還未出現裂紋。而整個速度分散區不同測點速度的增加或減小,是由于測點對應的破片寬度不同而造成的(整個速度測量過程中,測點是固定的,但柱殼是動態膨脹且沿軸向向下移動)。

2.3 回收破片表征

圖5展示了回收箱中其中一個破片的微觀掃描電鏡表征。從圖5(a)所示回收破片的斷口特征觀察發現破片的斷裂方式完全是剪切型,但沿壁厚方向存在一臺階面,暗示柱殼斷裂是外壁與內壁貫穿,但都是剪切型斷口。進一步分別表征靠近柱殼外壁的位置A和內壁區域位置B(圖5(a)中標記),表征圖像分別為圖5(b)和圖5(c)。圖5(b)展示大量的韌窩特征,表明鈦合金的失效模式為韌性斷裂,這與早期關于鈦合金的斷裂行為實驗結果相一致。圖5(c)展示了有明顯方向性的流狀結構特征,沒有出現圖5(b)中的韌窩結構,這是由于靠近內壁的區域處于壓縮狀態,造成局域區域溫升,生成絕熱剪切帶。而外壁的區域,由于自由面的存在一直處于環向拉伸狀態,造成外壁的區域直接剪切斷裂導致韌窩特征。由如上結果可以看出,鈦合金柱殼的斷裂方式為外壁是剪切斷裂,內壁區域則形成絕熱剪切帶誘發的剪切斷裂,柱殼內外貫穿,導致其最終失效。

圖5 金相表征Fig.5 Metallographic characterization

3 結論

本文開展了內置炸藥加載鈦合金柱殼膨脹斷裂的實驗研究,利用新發展的DPS陣列及高速分幅相機聯合測試了金屬柱殼的膨脹斷裂過程,著重于對比分析柱殼斷裂過程的物理信息,主要的結果如下:

1)利用分幅圖像計算的裂紋萌生工程應變吻合了DPS陣列測得速度歷史剖面發散開始時刻的應變。

2)分幅圖像觀察發現的剪切斷裂特征符合實驗回收破片結果,但進一步掃描電鏡表征表明鈦合金柱殼的斷裂過程為外壁是剪切斷裂,內壁區域則形成絕熱剪切帶誘發的剪切斷裂,柱殼內外貫穿,導致其最終失效。

3)新發展的DPS陣列準確地獲得裂紋萌生后速度發散行為,速度值的差異來源于不等寬的破片。

4)基于不同時刻分幅圖像的裂紋張開位移估算出破片間相對滑移速度約為150 m/s.

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Experimental Research on Fracture of Metal Case under Loading at High Strain Rate

REN Guo-wu,GUO Zhao-liang,TANG Tie-gang,SU Hong-mei,WEN Shang-jie,JIN Shan
(Institute of Fluid Physics,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621999,Sichuan,China)

A new Dopple detection system(DPS)array and a high-speed framing camera are used to test the surface dynamics and local velocity profiles of the expansion,fracture propagation and rupture of TC4 case initiated by high explosive for the research on complex dynamic response of metal case at high-strain rate.The engineering strain at the moment of surface crack initiation and explosion product leakage is estimated through comparative analysis,and the surface crack mode and the influence of crack initiation on velocity profiles are observed.Furthermore,The fracture property of metal case is confirmed from the fracture morphologies of recovered fragments.

explosive mechanics;metal case;shear fracture;DPS array;framing

O38;O346.1

A

1000-1093(2016)01-0077-06

2015-05-22

國家自然科學基金項目(11172279)

任國武(1981—)男,助理研究員,博士。E-mail:guowu.ren@yahoo.com