【摘 要】
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非均质脆性材料内含有大量的微裂纹、微孔洞等微缺陷,在冲击波压缩下,这些微缺陷可能由于局部的剪切应力作用而激活、扩展。与延性材料相比,脆性材料在冲击波压缩条件下表现
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非均质脆性材料内含有大量的微裂纹、微孔洞等微缺陷,在冲击波压缩下,这些微缺陷可能由于局部的剪切应力作用而激活、扩展。与延性材料相比,脆性材料在冲击波压缩条件下表现出许多异常的力学响应特性。论文回顾了脆性材料中破坏波的研究进展和存在的问题,并选用“强角闪石化橄榄二辉岩”(以下简称AOW岩石)作为非均质脆性介质的代表性材料,实验测量了AOW岩石在冲击应力低于Hugoniot弹性极限(σHEL)应力区内的压缩破坏特性,对破坏波现象进行了较为系统的研究。主要内容如下: (1).利用厚铜飞片撞击AOW岩石样品,在冲击加载应力分别为0.8±0.2GPa、3.9±0.1GPa的条件下,首次明确地测量到一种不同于玻璃介质中的破坏波现象。降低冲击加载应力,通过观察测量样品自由面速度历史中的二次加载信号,确定了AOW岩石产生破坏波的冲击应力阈值约为0.1~0.6GPa,远低于该岩石的σHEL(~7.8GPa)。同时,通过恰当地改变飞片厚度,对比测量了AOW岩石样品内压缩损伤区和未损伤区的层裂强度,结果表明未损伤区的层裂强度约为316.4MPa,而压缩损伤区的层裂强度近似为零,进一步支持和确认了受压岩石样品中破坏区的存在。 (2).通过独特的实验设计,研究了AOW岩石样品中破坏波的形成、传播和演化规律。保持冲击加载应力不变,通过改变岩石样品的厚度,分别测量了再压缩信号出现的时刻以及破坏区厚度,由此确定了不同厚度样品内的破坏区边界。在0.8±0.2GPa、3.9±0.1GPa两种加载应力下,三种厚度(6mm、8mm、10mm)样品内破坏区厚度x与时间t的关系式分别为t=0.15x+1.2、t=0.15x+0.5。这两条破坏区阵面的连接线不通过坐标原点,表明样品的破坏在冲击波阵面后有一个明显的驰豫时间。当冲击应力为0.8±0.2GPa时,破坏区形成的驰豫时间为1.2μs,该驰豫时间随冲击加载应力的增加而减少,当冲击应力达到3.9±0.1GPa(约为材料σHEL的一半)时,驰豫时间减少为0.5μs。破坏区阵面近似与冲击波阵面平行,表明AOW岩石中破坏波以接近冲击波的速度向样品内传播,远大于玻璃中的破坏波速度。 (3).根据实验得到的结果,对岩石介质中破坏波形成的物理机制进行了分析,指出样品内的原生微缺陷受到剪切应力的作用而“就位”激活、扩展,是形成破坏波的主要机制,该机制与已有文献对玻璃介质解释的“表面微裂纹扩展机制”不同,是对脆性介质中冲击压缩损伤破坏的一种重要认识。论文结果也进一步验证和支持了我们研究小组较早前提出的玻璃和岩石介质中可能存在
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