电磁加载下7075铝环的膨胀断裂模式转变研究*

2021-03-22刘明涛汤铁钢郭昭亮

爆炸与冲击 2021年3期

杨晨，刘明涛，汤铁钢，郭昭亮，范诚

（中国工程物流研究院流体物理研究所，四川绵阳621999）

断裂是金属构件最危险的一种失效形式，极易造成安全事故和经济损失，研究金属材料的断裂行为在军事、民用、基础科学等领域具有重要价值。金属的断裂根据裂纹的受力情况，可分为3种基本类型：Ⅰ型为拉伸裂纹，裂纹受垂直于断裂面的正应力作用，裂纹两表面相对张开；Ⅱ（Ⅲ）型为剪切裂纹，裂纹受平行于断裂面且垂直于（平行于）裂纹前缘的剪应力作用，裂纹两表面相对滑开（撕开）。

金属的断裂模式不仅受材料自身的力学特性影响，还与样品结构、外界的加载条件密切相关。Feng 等[1]使用MTS机对2034铝样品进行拉扭混合加载，发现通过调节拉伸力和扭转力的比例，断裂模式发生Ⅰ型到Ⅲ型的转变。针对此现象，Liu 等[2]提出了一种材料强度比断裂准则，此准则将最大正应力准则和最大剪应力准则结合，解释了不同加载比例下，延性材料从拉伸断裂到剪切断裂转变的原因。Boyce等[3]利用标准拉伸实验研究了Ti-6Al-4V 材料的断裂行为，发现当拉伸加载速度由25.4µm/s提高至25.4 mm/s后，断口由拉伸裂纹变成剪切裂纹。Okazawa 等[4]发现标准拉伸试样的宽厚比越高，越容易发生剪切断裂。Xue等[5]系统梳理了众多学者开展的紧凑拉伸试样实验结果，发现随着试样厚度的减小、材料硬化指数的减小、加载速率的升高，紧凑拉伸试样的断裂模式将从拉伸断裂转变为剪切断裂。为了解释此现象，Xue等[5]提出了连续塑性损伤理论，该理论主要考虑了压力和罗德角对损伤累计速度的影响，通过应用此理论，用数值模拟方法再现了实验中观察到的一些典型断裂模式转变现象。

上述研究都是针对受迫断裂问题，即断裂位置、断口数量由初始加载条件或样品构型决定。而对称结构在对称加载条件下会发生自发断裂（spontaneousfracture），即断裂位置、断口数量未知，如爆轰加载下金属柱壳的膨胀断裂问题[6-9]。胡八一等[10]研究发现，低爆轰压力加载下金属柱壳为拉伸断裂，高爆轰压力加载下为剪切断裂；汤铁钢等[11]对不同壁厚的45钢进行爆轰加载，发现随着壁厚减小，断裂模式从拉剪混合转变为纯剪切。这种自发断裂过程不仅存在各类断裂模式之间的竞争，而且在样品各个位置之间也存在着断裂的竞争，因此能更深层次的反映材料的断裂特性。但由于爆轰加载下柱壳膨胀断裂过程中应力状态复杂、加载应变率难以精确调节、破片难以有效回收等问题给物理机制的分析带来了极大困难。

电磁膨胀环是一种目前较为成熟的材料动态拉伸加载技术，主要应用于铜、铝等高电导率金属材料动态拉伸行为研究，其具有样品内应力状态简单、加载应变率可调可控、实验防护和破片回收难度小等优点[12-15]。本文利用该加载技术研究7075 铝环在不同拉伸加载应变率下的自发断裂行为，主要关注点为7075铝环的断裂模式、断裂应变和破片数量的应变率效应。

1 实验装置

电磁膨胀环实验技术由Niordson[16]于1965年提出，其原理如图1所示。实验加载的能量来源是电容器，开关K1闭合的瞬间，已充满电的电容器快速放电，高强度的电流流经螺线管，在其周围产生急剧变化的高强度磁场。高电导率金属样品环位于螺线圈的外侧，磁场的急剧变化在金属圆环内激发高强度的感应电流，同时样品环自身又处在螺线圈所产生的高强度磁场内，从而样品环受安培力驱动向外高速膨胀运动。

本实验采用的电磁膨胀环装置实物如图2所示。螺线管采用直径为1.8 mm 的铜丝缠绕而成，铜丝缠绕直径为38 mm，缠绕匝数为14，相邻匝间距为2.0 mm。7075铝样品环的外径为46 mm，内径为40 mm，高度为0.5 mm，由于试样环的直径远大于其高度和厚度，因此试样环可认为其处于一维应力状态。实验使用Rogowski 线圈测量螺线圈中的电流历史，利用多普勒测速技术测量7075铝环的径向运动速度。

图1 电磁膨胀环装置示意图Fig.1 Schematic of electromagnetic expansion ring device

图2 电磁膨胀环实验装置Fig.2 Electromagnetic expansion ring experimental device

2 实验结果与分析

共开展了10发有效实验，实验的充电电压不同，7075铝金属环的膨胀运动速度和应变率也均不同，选取其中4发典型结果做详细介绍。这四发实验电容器的充电电压分别为5.0、5.5、6.0、7.0 kV，测得螺线圈中的电流历史曲线如图3所示，膨胀环的运动速度历史曲线如图4所示。

图3 螺线圈中的电流历史曲线Fig. 3 Current history curves in the solenoid

图4 速度历史曲线Fig.4 Velocitieshistory curves

对破片进行回收，并测量回收破片的总质量，通过与实验前总质量进行比较，以确保回收了所有破片。利用回收破片组装还原样品环，结果如图5所示。观察回收破片的断裂模式，并对典型的拉伸断裂和剪切断裂进行断口金相分析和SEM扫描，表征结果如图6所示。当充电电压为5 kV 时，样品只有一个断口，在断口附近观察到了局部的颈缩现象，但颈缩不严重，断口处的截面积稍小于未颈缩区域的横截面积且断裂面沿样品径向，为拉伸裂纹，断裂由最大拉应力控制，断口SEM 分析发现了大量韧窝的存在（图6(b)），表明断裂形式为延性断裂；当充电电压为5.5 kV 时，产生了7个断口，一些裂纹沿样品径向，而另一些裂纹与样品径向成45°夹角，为剪切断裂，这表明断裂由最大拉应力和最大剪应力共同控制，SEM 断口分析结果表明拉伸断口和剪切断口内均存在韧窝（图6(b)和图6(d)），表明这两种断裂都属于延性断裂，但金相分析未发现“河流状”变形区域存在，表明此剪切裂纹并不是绝热剪切带；当电压提升到6和7 kV 时，所有裂纹都沿最大剪应力方向，断裂受最大剪应力控制。

图5 7075铝环膨胀断裂后破片回收Fig. 5 Recycled fragmentations of 7075 aluminum ring expansion fracture

计算得到10发实验样品的断裂应变如图7所示。可以看出随着加载应变率的提升，断裂应变一直在增加，断裂模式的改变并未对其造成影响。但破片的数量不是单调递增，如图8所示。在低拉伸加载应变率下，样品环断裂受拉应力控制，随加载应变率升高碎片数量增加；在中应变率下，断裂模式控制因素发生转变，同时受最大拉应力和最大剪应力控制，随应变率升高破片数量反而减少；在高应变率下，断裂模式控制因素又一次发生了转变，受最大剪应力控制，破片数量随应变率升高而增加，破片数量的两个拐点与断裂模式的转变点吻合。