蓝宝石的应变率效应和破坏模式研究

作     者：牛欢欢 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫晓鹏;李志强

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0826[工学-兵器科学与技术] 

主      题：蓝宝石 抗压强度 应变率效应 破坏过程 微观表征 轴向裂纹扩展 断口形貌 

摘      要：随着科学技术的进步和现代战争的多样化,透明装甲的发展和应用成为了一个国家军事实力的象征,蓝宝石因其优良的力学性能和光学性能,在透明装甲中有着很大的应用前景,同时具有很大的研究价值。本文利用Zwick万能材料试验机进行了准静态压缩试验,利用霍普金斯压杆进行了动态加载试验。试验过程中用高速摄像机记录了蓝宝石的破坏过程,将蓝宝石的强度变化和破坏过程联系了起来,并用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对破坏后的试样微观结构进行了表征分析,重点讨论了抗压强度的应变率的敏感性,并用LS-DYNA模拟了蓝宝石在单轴压缩下破坏模式,得到结果如下:（1）在准静态压缩和动态压缩下,蓝宝抗压强度会随着应变率的提高而提高,具有明显应变率效应;根据不同应变率下蓝宝石破坏过程,分析得出在高应变率下,试样的加载速率远高于裂纹扩展速率,所以蓝宝石在极短时间内产生多处裂纹源,这就需要更多能量去使裂纹成形、扩展,宏观上就表现为应变率效应。（2）对蓝宝石破坏过程研究中得到了蓝宝石失效是在加载的过程中,蓝宝石会在承载能力最低的区域出现裂纹源,然后裂纹成形并且沿着加载方向扩展,裂纹相互交错达到饱和状态,最终达到抗压强度破坏失效。（3）针对蓝宝石在动态压缩下破坏模式研究发现,在不同应变率下,试样的破坏模式不同,在700/s应变率下主导蓝宝石破坏裂纹与轴向的夹角近似为45°,属于剪切破坏;随着应变率的提高,裂纹方向逐渐平行于轴向,在1000/s应变率下,蓝宝石试样是劈裂破坏;在1300/s甚至更高的应变率下,试样属于劈裂和弯曲失稳破坏,这个过程中,主导试样破坏裂纹逐渐由斜向转为平行与轴向;在动态压缩载荷下,从微观结构看,蓝宝石呈“穿晶破坏。（4）由仿真模拟得到蓝宝石在轴向压缩下的应力云图和裂纹扩展过程,蓝宝石冲击面破坏,是从边界往圆心以环向裂纹的形式扩展,而背面破坏,是从中间区域以径向裂纹的形式向边界扩展,侧表面裂纹都是沿着轴向扩展,且在扩展过程中轴向裂纹由周向裂纹相互连接。（5）蓝宝石在拉伸态下试样也表现为脆性,且随着应变率提高,试样抗拉强度也随之提高,试样的破坏是呈“川字型破坏,导致蓝宝石破坏裂纹沿着试样的径向。