冰韌脆轉(zhuǎn)變過程的單軸壓縮實驗研究

冰韌脆轉(zhuǎn)變過程的單軸壓縮實驗研究

材料斷裂行為及其轉(zhuǎn)換機制是斷裂物理和力學的中心科學問題之一。ricethomson（）在解釋材料的脆弱性評價的物理機制方面取得了重要進展，但在定量預(yù)測材料的脆弱性變化過程中，尤其是脆弱性變化，中仍有許多工作需要進行。只有在極端加載條件下，大多數(shù)材料才能發(fā)生脆弱性轉(zhuǎn)化過程，因此很難觀察它們的脆弱性轉(zhuǎn)化過程。自然界的冰是一種力學行為比較特殊的固體材料,最主要特征是在常規(guī)溫度與加載狀態(tài)下能出現(xiàn)韌脆轉(zhuǎn)變行為,且由于冰為透明材料,可以直接觀察冰在韌脆轉(zhuǎn)變過程中內(nèi)部的裂紋與損傷行為,是理想的研究韌脆轉(zhuǎn)變行為的材料.冰的韌脆轉(zhuǎn)變行為也有明確的工程應(yīng)用背景.當冰與結(jié)構(gòu)作用發(fā)生擠壓破壞時,最大冰力與冰速分別對應(yīng)韌脆轉(zhuǎn)變點處的海冰強度與冰速.最新的現(xiàn)場觀測表明,冰引起結(jié)構(gòu)的自激振動也發(fā)生在冰的韌脆轉(zhuǎn)變過渡區(qū).許多學者測量了冰在韌脆轉(zhuǎn)變過程中的宏觀力學特征,這些工作主要集中在觀察冰在韌脆轉(zhuǎn)變過程中壓縮強度的速率敏感性,以及韌脆轉(zhuǎn)變點速度與強度.后來人們開始關(guān)注導(dǎo)致冰韌脆轉(zhuǎn)變的物理機制.普遍的觀點認為冰的韌脆轉(zhuǎn)變與冰內(nèi)部裂紋的演化有關(guān).本文則利用渤海海冰的單軸壓縮實驗觀察了冰在韌脆轉(zhuǎn)變過程中的力學行為與破壞特征,進而對冰韌脆轉(zhuǎn)變的判據(jù)進行了分析.1冰的加載速率及應(yīng)變速率特性室內(nèi)冰力學實驗較現(xiàn)場實驗?zāi)芨玫目刂茰囟?、加載速率及保證測量精度.室內(nèi)海冰實驗經(jīng)歷取樣、運輸、保溫、加工、恒溫等過程.通常認為自然冰在-15℃以下可以進行長期保存與加工,且能基本保持自然冰的力學特性.實驗樣品被加工成若干10cm×10cm×25cm的長方體,加載方向垂直于冰的生長方向,即冰板的水平方向.由于海冰為橫向各向同性材料,在實驗加工過程中不必考慮水平方向的方向性.試件加工好后需要在恒定溫度下放置24h,以保持冰試樣的溫度均勻性與所有實驗溫度的一致性.圖1為試樣尺寸形式與實驗裝置.所有實驗在-7℃下進行,每個實驗保持常應(yīng)變加載速率.加載速率控制在˙ε=10-4—10-2/sε˙=10?4—10?2/s內(nèi)進行.實驗數(shù)據(jù)顯示,海冰的單軸壓縮強度具有明顯的應(yīng)變速率敏感性.實驗結(jié)果繪在如圖2所示的雙對數(shù)坐標中.圖中橫坐標為應(yīng)變速率的對數(shù)坐標,縱軸為壓縮強度的對數(shù)坐標值.圖中三角形符號點與圓形符號點為不同地點海冰取樣實驗結(jié)果.圖中每一點對應(yīng)常加載速率下的壓縮強度值.在低加載速率下冰壓縮強度隨加載速率而增加,并呈韌性破壞.當加載速率到達一定值時,壓縮強度隨加載速率增加而降低,并呈脆性破壞.從圖中可以看出,韌脆轉(zhuǎn)變發(fā)生時的應(yīng)變速率大約為6×10-4s-1,且在韌脆轉(zhuǎn)變點處的壓縮強度最大.圖3分別為冰在韌性區(qū)、韌脆轉(zhuǎn)變過渡區(qū)及脆性區(qū)的破壞試樣.實驗中可以觀察到,在韌性區(qū)的低應(yīng)變速率區(qū),試樣在加載過程中很少出現(xiàn)內(nèi)部裂紋,主要以塑性破壞為主(圖a);在接近韌脆轉(zhuǎn)變點處,密集的內(nèi)部裂紋匯集成宏觀裂紋破壞(圖b);在脆性區(qū)則為劈裂破壞(圖c).2裂尖處位錯發(fā)射的韌性許多學者圍繞材料的韌脆轉(zhuǎn)變判據(jù)進行了探討,其中Rice和Thomson提出的裂紋尖端位錯發(fā)射與解理斷裂的競爭機制得到了普遍的認可.該模型的基本思想是材料在外部荷載作用下形成內(nèi)部裂紋,位錯沿著與裂紋面共面的滑移面,從裂紋尖端發(fā)射出來.圖4是對競爭模型的說明.假定在裂紋前方傾角為ψ的一個位錯滑移面上有一位錯胚,該位錯胚與裂紋尖端的距離為位錯芯半徑.裂紋在受力后有兩種演化可能:(1)沿著裂紋面解理斷裂,這時裂紋尖端保持原子級尖銳;(2)位錯胚的發(fā)射,導(dǎo)致裂尖鈍化.如果裂紋發(fā)射位錯(其臨界應(yīng)力強度因子為KIe)比解理擴展(其臨界值為KIC)更容易,即KIe<KIC,則通過發(fā)射位錯,裂尖將鈍化從而韌斷.反之,如果裂紋解理擴展比發(fā)射位錯更容易,即KIe>KIC,則裂紋首先解理擴展,從而脆斷.Rice與Thomson用該模型計算了常見材料的韌脆屬性,發(fā)現(xiàn)與實驗結(jié)果定性符合.然而,利用位錯發(fā)射與解理斷裂競爭模型定量預(yù)測材料的韌脆轉(zhuǎn)變過程是比較困難的,因為其中涉及到位錯發(fā)射等因素,當位錯較容易發(fā)射時,材料才表現(xiàn)出韌性,然而對位錯及位錯量的直接觀察又是比較困難的,因此難以預(yù)測材料的韌脆轉(zhuǎn)變過程.但是,我們可以應(yīng)用裂尖處位錯發(fā)射所形成的塑性區(qū)的大小來進行韌脆性的判定.這種觀點與Schulson的觀點不謀而合.文獻在研究冰的韌脆轉(zhuǎn)變行為中,提出了利用裂紋尖端塑性區(qū)大小來判定材料的韌脆性.如圖5所示,由于裂紋尖端的位錯發(fā)射形成了半徑為rc的塑性區(qū),利用塑性區(qū)半徑的大小可以定義材料的韌脆性.加載條件下,裂紋尖端發(fā)生位錯滑移,在裂尖處形成塑性區(qū),其大小為半徑為rp的圓形區(qū)域.在低應(yīng)變率下,在裂尖處發(fā)生較多的位錯,比較容易產(chǎn)生塑性流,形成較大的塑性區(qū)域,使裂尖鈍化,總體表現(xiàn)為較大的韌性;高應(yīng)變率下,在裂尖處發(fā)生較少的位錯,形成的塑性區(qū)較小,較容易發(fā)生解理斷裂,總體表現(xiàn)為脆性.由此可以看出,裂尖處塑性區(qū)半徑rp的大小直接決定著材料的韌性與脆性,但對于冰這種材料其塑性區(qū)直徑的大小目前并不清楚,這里我們不妨借用ASTM-E399中判定線彈性與彈塑性斷裂力學的方法來判別材料的韌脆轉(zhuǎn)變,令rp為受載裂紋附近滑移區(qū)域的半徑,rc為發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變時在裂尖形成的塑性區(qū)半徑,由此得出轉(zhuǎn)變的判據(jù)為:rp>rc時,材料表現(xiàn)為韌性;rp<rc時,材料表現(xiàn)為脆性;rp=rc時,材料表現(xiàn)為韌脆轉(zhuǎn)變.根據(jù)ASTM-E399假定rc為聚集體最小規(guī)格的150150,再假定,最小規(guī)格的大小等于內(nèi)部裂紋之間的間距,而在轉(zhuǎn)變點,裂紋之間的間距等于微結(jié)構(gòu)的大小a,即初始裂紋長度的一半,所以,對于塑性材料有:rc=a50(1)rc=a50(1)Riedel和Rice模擬了預(yù)先存在裂紋時的rc.根據(jù)他們?nèi)〉玫倪M展,并令KI=KIC,有rC?Κ2ΙC2πE2[(n+1)2EnBt2nαn+1]2n-1F(2)F為確定滑移區(qū)域的參數(shù),B,n是冪函數(shù)˙εc=Bσn中的常數(shù),α為統(tǒng)一量級的無量綱參數(shù),忽略μ對滑移速度的影響.時間t由下式給出:t=ΚΙC˙ΚΙ(3)˙ΚΙ是I型裂紋應(yīng)力強度因子的增長率,可由下式給出:δΚΙδt=δΚΙδσ?δσδε?δεδt(4)其中δσδε是應(yīng)變硬化率,大約由楊氏模量給出.δεδt=˙ε(5)即提供的應(yīng)變率.另一個導(dǎo)數(shù)δΚΙδσ需要一個裂紋尖端應(yīng)力場的模型.對于冰這種材料,我們使用一個短的,長度為2a的受載翼形裂紋模型,這時有:δΚΙδσ=(πa6)1/2[(1+μ2)1/2-μ](6)把上面這些項集合起來,代入值α=1,F=1,n=3,于是,相應(yīng)于韌脆轉(zhuǎn)變時的應(yīng)變率可以表達為:˙εD/B=28Κ3ΙCBa3/2[(1+μ2)1/2-μ](7)其中a為初始裂紋長度的一半,B是冪函數(shù)˙ε=Bσn中的常數(shù),μ為摩擦系數(shù).式(7)對韌脆轉(zhuǎn)變做出了定量的描述,KIC與μ為材料的固有屬性,可以看出發(fā)生轉(zhuǎn)變的應(yīng)變速率與初始裂紋的長度相關(guān),因此,只要我們從宏觀上觀測到裂紋的長度,便可預(yù)測出此種材料發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變時的應(yīng)變速率值.我們假設(shè)冰的裂紋沿晶粒邊界形核,其大小與晶粒尺寸相關(guān),即2a=0.65d,將其它參數(shù)代入相應(yīng)數(shù)值,取μ=0.5,B=1.6×10-7MPa-3·s-1,d=10-3m,KIC=0.1MPa·m-1/2,得出-10℃下,冰的韌脆轉(zhuǎn)變速率為˙ε=1.4×10-3s-1.3維翼形裂紋擴展模型從式(7)可以看出,轉(zhuǎn)變的應(yīng)變率除與裂紋大小(晶粒尺寸)有關(guān)外,還與斷裂強度因子KIC有關(guān),為了對冰這種材料得出KIC值,我們在這里引入了冰的裂紋擴展模式——翼型裂紋模型.翼型裂紋也稱為摩擦型裂紋滑移,無論在淡水冰實驗還是海水冰實驗中都被大量的觀察到,并受到了廣泛的關(guān)注.隨著此模型的不斷完善,翼形裂紋已經(jīng)被廣泛認為是裂紋擴展的主要形式,因此,它的形成機理得到了不斷的完善.裂紋形核后繼續(xù)加載,當給定的遠場應(yīng)力足夠克服冰內(nèi)摩擦抗力時,剪應(yīng)力引起海冰內(nèi)部沿裂紋面方向的滑移(圖6中箭頭所示),進而在初始裂紋的兩端點附近產(chǎn)生拉伸區(qū),在一定臨界應(yīng)力水平下,裂紋開始擴展,其方向垂直于原裂紋的端部,以后方向改變,與主壓應(yīng)力軸相平行,如此擴展成為翼型裂紋.如果翼紋相遇,就會相互連接導(dǎo)致軸向開裂.Ashby和Hallam對此模型進行了簡化和分析,給出了理想二維翼形裂紋的擴展模型,裂紋長2a,與主應(yīng)力成ψ角.當主應(yīng)力σ11增長時,翼形裂紋形成并擴展至長度x,x與應(yīng)力狀況和冰的力學性質(zhì)有關(guān).ψ角在35—45°之間(這個角度最適宜滑移),如圖6所示.總的分析結(jié)論是,翼紋形成后不斷的生長,直到KI=KIC,得出關(guān)系式:ΚΙC=σ11√πa(1+L)3/2[1-λ-μ(1+λ)-4.3λL]×[0.23L+1√3(1+L)1/2](8)λ=σ33/σ11;L=x/a;x為翼紋擴展長度;對于單軸壓縮問題,σ33=σ22=0,于是上式就變?yōu)?ΚΙC=σ11√πa(1-μ)(1+L)3/2[0.23L+1√3(1+L)1/2](9)對于翼形裂紋擴展的最后階段,如果翼形裂紋比原始裂紋本身長,即在限制范圍之內(nèi),x?a,那么L?1,上式可化為:ΚΙC~0.23σ11√πa(1-μ)√L=0.41(1-μ)σa√x(10)將式(10)代入式(7)得出:˙εD/B=1.9σ3(1-μ)3BL3/2[(1+μ2)1/2-μ]=1.9σ3(1-μ)3a3/2Bx3/2[(1+μ2)1/2-μ](11)上式即為單軸壓縮條件下韌脆轉(zhuǎn)變點處的應(yīng)變速率表達式,其中x為翼紋長,a為初始裂紋長度的一半,從此式我們可以得出,轉(zhuǎn)變的應(yīng)變速率與裂紋初始長度成正比,與翼紋長度成反比,且通過實驗對裂紋及翼紋長度進行觀測,便可預(yù)測出韌脆轉(zhuǎn)變的應(yīng)變速率值.4各因素對的理論分析通過對海冰的實驗及其機理的解釋與研究,我們得出如下結(jié)論:(1)在實驗過程中,隨著應(yīng)變速率的增加,海冰具有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變性,在低應(yīng)變速率下,冰體產(chǎn)生塑性流動變形,高應(yīng)變速率下,冰體變形較小,破壞形式為脆性破壞,處于兩者之間的即為韌脆轉(zhuǎn)變區(qū),既有大量的微裂紋存在,也有塑性變形.在韌脆轉(zhuǎn)變處的強度值最大.實驗中得出發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變時,應(yīng)變速率約為6×10-4s-1.(2)在整個實驗加載過程中,無論在何種應(yīng)變速率下,冰體都有微裂紋的存在,且隨著應(yīng)變速率的增加,微裂紋的數(shù)量也不斷增加,在韌脆轉(zhuǎn)變點處,微裂紋的數(shù)量達到最大值.(3)利用位錯發(fā)射與解理競爭的理論模型,對冰韌脆轉(zhuǎn)變的機理進行了定性的解釋.但是,由于該理論控制材料韌脆性的參數(shù)不易獲得,所以很難定量的計算出結(jié)果.(4)利用裂尖塑性區(qū)大小的判定方法推導(dǎo)出韌脆轉(zhuǎn)變點應(yīng)變速率與斷裂韌性之間的關(guān)系,進而再利用翼型裂紋模型給出斷裂韌性的具體數(shù)值,最終得出應(yīng)變速率的表達式為˙εD/B=1.9σ3(1-μ)3a3/2Bx3/2[(1+μ2)1/2-μ](12)從表達式可以看出,轉(zhuǎn)變的應(yīng)變速率與裂紋初始長度成正比,與翼紋長度成反比,且通過實驗對裂紋及翼紋長度進行觀測,便可預(yù)測出韌脆轉(zhuǎn)變的應(yīng)變速率值.(5)在裂尖塑性區(qū)大小的判定方法中,應(yīng)用了ASTM-E399中判定線彈性與彈塑性斷裂力學的方法來判別材料的韌脆轉(zhuǎn)變,得出rc=a/50,但對于這一關(guān)系式還需要通過實驗來進一步的證明或修正.(6)根據(jù)量化得出的結(jié)論,并應(yīng)用已有的數(shù)據(jù)得出-10℃下,冰的韌脆轉(zhuǎn)變速率為˙ε=1.4×10-3s-1.在實驗中,我們盡量模擬自然狀態(tài)下冰的狀態(tài),但由于實驗條件的局限性,致使與理想狀態(tài)仍存在著一定的差別.由對韌脆轉(zhuǎn)變的理論計算及實驗結(jié)論的對比,我們可以看出,二者存在著一定的差距,原因有很多,一方面是因為實驗條件的限制、實驗方法合理性等造成的,另一方面是因