脆性材料动力学响应分析

本节以表4.4中脆性PTFE/Al/W活性毁伤材料为对象，通过SHPB测试系统，在应变率102～104 s-1范围内，分析其脆性动力学响应行为。

不同配方脆性PTFE/Al/W活性毁伤材料的动态应力-应变曲线如图4.30所示。从图中可以看出，显著区别于弹塑性PTFE/Al/W活性毁伤材料的动态应力-应变曲线，脆性PTFE/Al/W活性毁伤材料的动态应力-应变曲线均仅由弹性段及破坏段组成，呈现近似三角形特征。在加载初始阶段，应力随应变快速增加，曲线以较大斜率迅速线性增加至最高点。该段曲线斜率表征脆性材料的弹性模量，而应力最高点表征材料抗压强度。3种材料在不同应变率下的应力-应变曲线弹性段各自均基本重合，表明应变率对材料弹性响应影响不显著。强度点之后，应力快速下降，与应变呈近似线性关系，表明达到强度点之后，材料即开始发生破坏。下降至一定阶段后，应力的下降速率随应变增加而减缓，直至下降为零。在强度点附近，可观察到曲线的锯齿状抖动，原因主要是，在加载过程中，材料因内部缺陷及结构非均匀性产生初始破坏，形成微裂纹，导致材料承载能力下降。继续加载时，微裂纹因压实作用无法继续生长，材料结构变得密实，承载能力再次提升。而达到材料强度之后，微裂纹则会快速生长并贯穿整个试样，导致材料的最终破坏及粉碎。

在不同应变率加载条件下，脆性PTFE/Al/W活性毁伤材料的强度不同，随应变率增加，材料动态抗压强度显著提高，体现出三种材料的应变率增强效应。对脆性材料而言，强度随应变率增强的效应可通过动态增强因子DIF表征，其定义为材料在动态与准静态压缩条件下的强度比值

图4.30　脆性活性毁伤材料的动态压缩应力-应变曲线

式中，fcd和fsd分别代表材料的动态抗压强度和准静态压缩强度。DIF越大，表明材料强度的应变率效应越显著。

图4.31所示为不同PTFE/Al/W活性毁伤材料DIF与对数应变率之间的关系。从图中可以看出，B1、B2和B3三种材料的DIF均随对数应变率显著增加。在相同应变率下，B1材料的DIF值最大，应变率效应最显著，B2材料DIF值最小，B3材料DIF介于两者之间。这主要是因为，脆性PTFE/Al/W活性毁伤材料烧结温度低、保温时间短，无定形相向结晶相转变不充分，金属颗粒与基体材料无法形成本体式结合，导致三种材料DIF未与其组分配比呈现一定关联性。

图4.31　不同PTFE/AI/W活性毁伤材料DIF与对数应变率之间的关系

一般地，DIF因子和对数应变率之间的关系可采用分段函数来描述，如图4.32所示。随着加载条件从准静态向高应变率动态演变，DIF和对数应变率曲线上会出现一个转折点。在转折点前，DIF随对数应变率增加，呈近似线性增加趋势，且该线性段斜率较小，曲线较为平缓。在转折点之后，曲线斜率突然增加，DIF随对数应变率的增加快速增加，二者之间不再呈线性关系。(www.xing528.com)

图4.32　典型脆性材料DIF和对数应变率之间的关系

对于PTFE/Al/W活 性 毁伤材 料，在 转 折 点 之 后，动 态 加 载 应 变 率 为2 000～6 000 s-1时，DIF和对数应变率之间的关系可通过多项式拟合获得。

B1材料：

B2材料：

B3材料：

拟合所得方程为二次多项式。通过以上多项式，可定量对比不同脆性PTFE/Al/W活性毁伤材料的应变率增强效应。