不同沖擊速度下泡沫鋁變形和應(yīng)力的不均勻性

章 超,徐松林,王鵬飛,張 磊

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026)

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不同沖擊速度下泡沫鋁變形和應(yīng)力的不均勻性

章 超,徐松林,王鵬飛,張 磊

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026)

利用常規(guī)Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置和改進(jìn)的Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)泡沫鋁試件進(jìn)行沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，同時(shí)用高速攝影裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行全程跟蹤拍攝。通過改變沖擊速度，觀測(cè)到了3種不同的變形模式。將得到的高速攝影圖像用數(shù)字圖像相關(guān)方法進(jìn)行分析，討論了3種模式下全場(chǎng)應(yīng)變不同的發(fā)展過程，并依此討論應(yīng)力的不均勻性，為研究不同沖擊速度下變形不均勻?qū)ε菽X動(dòng)態(tài)力學(xué)行為的影響提供了新的方法。

固體力學(xué)；應(yīng)力不均勻性；Hopkinson桿；泡沫鋁；變形不均勻性；數(shù)字圖像相關(guān)方法；沖擊速度

多孔材料由胞孔組成，不同沖擊速度下胞孔的變形特性不同，導(dǎo)致多孔材料宏觀動(dòng)態(tài)力學(xué)性能也不同。S.Lee等[1]和P.J.Tan等[2-3]指出，沖擊速度高時(shí)多孔材料以沖擊波模式變形。Zheng Zhi-jun等[4]和劉耀東等[5]通過數(shù)值模擬總結(jié)出隨著速度提高，多孔材料分別呈現(xiàn)出準(zhǔn)靜態(tài)模式、過渡模式和沖擊模式等3種變形模式。隨著速度的提高，試件的變形均勻性和兩端應(yīng)力均勻性都越來越差，如何測(cè)量變形和應(yīng)力的不均勻性以及討論兩者的關(guān)系成為了解多孔材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的難題。王鵬飛等[6]利用改進(jìn)的Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)得了不同沖擊速度下泡沫鋁試件兩端的應(yīng)力。在變形不均勻性方面，Z.Zou等[7]和S.Pal等[8]根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果直接給出了沖擊模式下試件中一維和二維的應(yīng)變分布，但用此法得出的結(jié)果誤差較大。Liao Shen-fei等[9]將數(shù)值模擬結(jié)果結(jié)合最佳局部變形梯度原理推導(dǎo)出了更精確的應(yīng)變場(chǎng)。如何在實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)確測(cè)量泡沫鋁試件壓縮過程中的變形特性成了難題，雖然通過數(shù)值模擬能夠從規(guī)律上進(jìn)行解釋，但是與實(shí)驗(yàn)仍有一定差距。采用常規(guī)的電測(cè)方法僅能測(cè)試試件的平均應(yīng)變，無法測(cè)量其中的不均勻性。高速攝影只能提供一種直觀判斷，是一種定性的測(cè)量手段，而且對(duì)于微小的變形無法判斷。W.H.Peters等[10]提出的數(shù)字圖像相關(guān)法(digital image correlation method, DICM)是光測(cè)力學(xué)中的一種簡(jiǎn)單方便精度高的測(cè)試手段，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)在生物力學(xué)、巖石力學(xué)、納米力學(xué)等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來，這一方法也用于多孔材料研究，但主要集中在準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)方面[11-12]，而動(dòng)態(tài)性能方面研究較少，主要有：Wang Li-li等[13]利用DICM測(cè)試了泡沫鋁的泰勒桿實(shí)驗(yàn)中試件的速度隨撞擊時(shí)間的變化；S.Lee等[1]和I.Elnasri等[14]分別研究了開孔和閉孔泡沫鋁高速變形過程中的全場(chǎng)應(yīng)變；H.Luo等[15]在試件表面粘上帶有格子的標(biāo)簽，測(cè)量了泡沫非晶金屬材料。然而上述研究并未對(duì)3種模式下的變形場(chǎng)作比較，也沒有給出全場(chǎng)應(yīng)變發(fā)展的過程，更沒有進(jìn)一步討論變形均勻性與應(yīng)力均勻性的關(guān)系?；诖?，本文中，將結(jié)合Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)和高速攝影技術(shù)，研究不同沖擊速度下泡沫鋁的全場(chǎng)應(yīng)變及其變化趨勢(shì)，并依此研究泡沫鋁試件中的應(yīng)力不均勻性。

1 沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)

試件為直徑為32 mm、高度為32 mm的閉孔泡沫鋁，密度為0.320～0.340 g/cm3。實(shí)驗(yàn)在直徑為37 mm的Hopkinson壓桿裝置上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，桿材為鋁。共進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn)，子彈速度分別為12、50和110 m/s，對(duì)應(yīng)3種不同的變形模式：即準(zhǔn)靜態(tài)模式、過渡模式和沖擊模式。為了研究準(zhǔn)靜態(tài)模式下試樣的應(yīng)力均勻性，利用常規(guī)Hopkinson桿裝置進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)模式下的實(shí)驗(yàn)，見圖1(a)。由于子彈速度過高會(huì)導(dǎo)致打擊桿屈服，采用改進(jìn)的Hopkinson桿裝置(圖1(b))進(jìn)行后2種模式的實(shí)驗(yàn)，即將試件放在支撐桿與子彈之間，讓子彈直接撞擊試件。圖中的Wheatstone電橋接法中含有2套單獨(dú)的應(yīng)變片系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)中含有2片應(yīng)變片且使用的電橋接法為半橋接法。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

實(shí)驗(yàn)所用高速攝影相機(jī)為Phantom V12.1,全畫幅分辨率為1 280 Pixel×800 Pixel，全畫幅拍攝速率可達(dá)6 242 s-1，最高拍攝速率可達(dá)到1 000 000 s-1，3組實(shí)驗(yàn)的拍攝頻率皆為74 000 s-1，此時(shí)幀間隔時(shí)間為13.5 μs，3種模式對(duì)應(yīng)的實(shí)際圖像分辨率見表1。實(shí)驗(yàn)中使用了2個(gè)脈沖氙燈來提高曝光量。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 變形均勻性

根據(jù)高速攝影圖像可以分別得到準(zhǔn)靜態(tài)模式、沖擊模式和過渡模式下試件的變形過程,如圖2～4所示。其中高速攝影的第1張圖像都對(duì)應(yīng)著試件剛開始發(fā)生變形的前一時(shí)刻，并將該時(shí)刻定為0 μs。

采用自編的程序處理高速攝影圖像，即可得到變形過程中每一個(gè)時(shí)刻相對(duì)于上一時(shí)刻試件的增量應(yīng)變場(chǎng)，如處理0和13.5 μs的2張圖像即可得到0 μs時(shí)刻試件的增量應(yīng)變場(chǎng)。本文中高速攝影的圖像間隔時(shí)間均為13.5 μs，所以本文中采用DICM得到的計(jì)算結(jié)果的間隔時(shí)間也是13.5 μs。對(duì)于沖擊模式下的圖像，在沖擊波波陣面附近的區(qū)域由于應(yīng)變過大，同時(shí)伴有翻轉(zhuǎn)和彎折，區(qū)域內(nèi)大部分點(diǎn)的灰度值在相鄰2張圖像中已不存在聯(lián)系。這就違背了數(shù)字圖像相關(guān)方法的假定，使該區(qū)域無法與變形前圖像進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。因此在計(jì)算過程中只計(jì)算沖擊波波陣面前方的區(qū)域，如圖4(g)所示。圖5～7分別表示3種模式下試件沿著加載方向全場(chǎng)應(yīng)變的變化過程。本方法的標(biāo)定可參見文獻(xiàn)[16]。

圖2 準(zhǔn)靜態(tài)模式下試件的變形過程Fig.2 Deformation progress of the specimenin the quasi-static mode

圖3 沖擊模式下試件的變形過程Fig.3 Deformation progress of the specimen in the dynamic mode

從高速攝影圖像上來看，準(zhǔn)靜態(tài)模式下(圖2)試件變形較均勻，在變形的前半段試件的變形以均勻變形為主，沒有產(chǎn)生局部變形。在變形的后半段，試件開始產(chǎn)生局部變形并發(fā)展為如圖2(h)虛線所示的局部變形帶。沖擊模式下(圖3)，試件從一開始就變形不均勻。由于沖擊端速度很高，泡沫鋁試件中與沖擊端緊挨著的胞孔很快被壓潰，隨后壓潰區(qū)前方的胞孔也被壓潰并發(fā)生逐層垮塌，以一種壓實(shí)波[17]的形式向支撐端發(fā)展。表現(xiàn)在圖像中為試件從靠近打擊桿開始變形，并快速形成了密實(shí)帶，然后密實(shí)帶(圖3中箭頭所指)快速向前傳播，直至整個(gè)試件壓實(shí)。過渡模式下(圖4)，試件的變形模式介于準(zhǔn)靜態(tài)模式和沖擊模式之間，先在靠近沖擊端的區(qū)域以密實(shí)帶的形式發(fā)展，隨后密實(shí)帶前方的區(qū)域的變形以局部變形帶為主。

采用DICM得到的計(jì)算結(jié)果反映了與高速攝影圖像完全一樣的變形趨勢(shì)，然而計(jì)算結(jié)果是量化的，并且揭示了更多變形過程的細(xì)節(jié)。高速攝影圖像中相鄰時(shí)刻的圖像之間變形較小，無法判斷其應(yīng)變變化。采用DICM得到的計(jì)算結(jié)果則可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，能夠展示整個(gè)變形過程中應(yīng)變場(chǎng)的變化。

圖4 過渡模式下試件的變形過程Fig.4 Deformation progress of the specimen in the transition mode

準(zhǔn)靜態(tài)模式下試件的變形過程如圖5所示，按變形均勻性可以將整個(gè)過程分為2部分：均勻變形階段A和不均勻變形階段B。在階段A中整個(gè)試件的變形較均勻，塑形變形遍布整個(gè)試件而且較均勻。隨著變形的發(fā)展，試件的變形逐漸局部化，塑形應(yīng)變開始集中。在162 μs時(shí)，即圖中A、B區(qū)域的臨界點(diǎn)，塑形應(yīng)變的集中最終形成了局部變形帶。隨后試件的變形主要集中在局部變形帶上，形狀和方向與圖2(h)中的局部變形帶一致。在壓縮過程中，試件中的局部變形帶不斷發(fā)展，在試件變形的最后階段試件的變形逐漸變小直至不變。值得一提的是，試件中的局部變形帶并不是一直發(fā)展的，其變形到一定密實(shí)程度后又會(huì)逐漸停止發(fā)展，并在試件的其他薄弱區(qū)域產(chǎn)生新的局部變形帶[16]。在整個(gè)變形過程中，開始段和結(jié)束段的應(yīng)變率都較小，而中間段的應(yīng)變率較高。這是由于采用了常規(guī)SHPB裝置，沖擊端處的入射波是一個(gè)梯形波，應(yīng)力幅值在加載和卸載段均較低造成的。

沖擊模式下應(yīng)變場(chǎng)變化見圖6，從一開始試件的變形就集中在靠近沖擊端附近，形成一個(gè)很小的局部變形區(qū)域，而其他區(qū)域的應(yīng)變很小。隨著壓縮的發(fā)展，局部變形區(qū)快速向前發(fā)展，直至整個(gè)試件壓潰。

為了更好地觀測(cè)沖擊波波陣面前方的應(yīng)變場(chǎng)，對(duì)應(yīng)變場(chǎng)作進(jìn)一步處理。將圖7中增量應(yīng)變場(chǎng)換算成全量應(yīng)變場(chǎng)，再沿著y方向求和并求平均，即可得到整個(gè)試件沿著加載方向的平均應(yīng)變分布如圖8所示。結(jié)果表面：波陣面前方仍存在變形區(qū)且應(yīng)變較大，應(yīng)變沿加載方向的分布與沖擊波波陣面附近的應(yīng)變分布類似。這與文獻(xiàn)[7-9]的結(jié)果相似但仍存在區(qū)別，這是因?yàn)楸疚闹械脑嚰^短，在變形的開始段和結(jié)束段應(yīng)變分布在很大程度上受到邊界條件的影響。在起始段(0～67.5 μs)，應(yīng)力波還未作用到?jīng)_擊波前端所在地區(qū)，此時(shí)沖擊波前端的應(yīng)變較小；中間段(67.5～121.5 μs)，沖擊波前端的應(yīng)變分布與文獻(xiàn)[7-9]的結(jié)果一致，即只在沖擊波前端約一個(gè)胞孔距離的區(qū)域有應(yīng)變，而遠(yuǎn)離沖擊端的地方無應(yīng)變；末尾段(135μs)，此時(shí)沖擊波距離支撐端很近，整個(gè)試件都產(chǎn)生了較大的應(yīng)變。圖8中變形中間段存在較清晰的應(yīng)變下降段，可認(rèn)為是沖擊波波陣面。根據(jù)其數(shù)據(jù)可以算出壓實(shí)波波陣面分別相差17.9和19.6像素，本實(shí)驗(yàn)中圖像與真實(shí)試件的比例為5.625像素/毫米，即可得波陣面的傳播速度為236和258 m/s，此結(jié)果略大于理論值，其原因還有待研究。

過渡模式下的應(yīng)變場(chǎng)變化如圖7所示。試件的變形過程可以分為2部分：局部致密區(qū)變化階段和局部變形帶變化階段。在試件變形的前段，由于沖擊端速度較高但又未達(dá)到?jīng)_擊模式的臨界速度，靠近沖擊端部分的胞孔很快被壓潰并形成了致密區(qū)，但沒有形成沖擊波。試件的變形集中在靠近沖擊端的位置，并逐漸形成了致密區(qū)，此時(shí)遠(yuǎn)離沖擊端部分未發(fā)生變形。在變形后半段，由于子彈速度降低和試件中存在缺陷等原因，試件進(jìn)入了一個(gè)局部變形帶變形期。此時(shí)的變形由試件中的缺陷主導(dǎo)，在有缺陷處產(chǎn)生局部變形帶直到整個(gè)試件壓實(shí)。

圖5 準(zhǔn)靜態(tài)模式下試件變形過程中的應(yīng)變場(chǎng)Fig.5 Strain field of deformation progress under quasi-static mode

圖6 沖擊模式下試件變形過程中的應(yīng)變場(chǎng)Fig.6 Strain field of deformation progress under dynamic mode

泡沫鋁試件由于其本身的結(jié)構(gòu)特性在沖擊載荷下會(huì)產(chǎn)生局部化變形，不同沖擊速度下對(duì)應(yīng)著不同的變形模式。本文利用數(shù)字圖像相關(guān)方法，從實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了3種不同模式下試件的變形特征。準(zhǔn)靜態(tài)模式下，試件先經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)的變形均勻區(qū)，隨著外加載荷超過試件臨界失穩(wěn)載荷，試件在薄弱處發(fā)生失穩(wěn)坍塌，形成了局部變形帶。沖擊模式下，整個(gè)變形過程都是不均勻的，試件的變形主要以壓實(shí)波的形式發(fā)展。過渡模式下試件的變形過程是沖擊模式和準(zhǔn)靜態(tài)模式變形過程的綜合，前半部分與沖擊模式相似，是一個(gè)局部致密化的過程，后半部分與準(zhǔn)靜態(tài)模式相似，變形集中在局部變形帶上。

綜上所述，可知：(1)低速?zèng)_擊時(shí)，試件的局部化變形源于試件中含初始缺陷區(qū)域的失穩(wěn)。在此情況下，試件兩端的載荷可基本達(dá)到均衡，可認(rèn)為整個(gè)試件受力均勻。試件中含缺陷區(qū)域最薄弱，一定載荷下，該區(qū)域開始產(chǎn)生局部化變形，此時(shí)局部化變形以局部變形帶為主。該區(qū)域的失穩(wěn)發(fā)展到一定程度后，由于變形導(dǎo)致該區(qū)域強(qiáng)度增大而停止失穩(wěn)。此時(shí)變形轉(zhuǎn)移到試件中其他薄弱的區(qū)域并形成新的局部變形帶，這可由文獻(xiàn)[16]中給出的多個(gè)局部變形帶證實(shí)。(2)高速?zèng)_擊時(shí)，試件的局部化變形源于沖擊端區(qū)域的壓縮失穩(wěn)。當(dāng)沖擊速度達(dá)到一定值時(shí)，試件兩端的載荷很難達(dá)到均衡。此情況下，沖擊波的強(qiáng)度即可使材料發(fā)生破壞，局部化變形發(fā)生在靠近沖擊端的位置。因此，對(duì)應(yīng)試件的局部化變形由慣性效應(yīng)決定，表現(xiàn)為劇烈體積壓縮的致密區(qū)。由此可見，低速和高速?zèng)_擊下材料的破壞分別對(duì)應(yīng)著泡沫鋁材料的整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)兩種不同的機(jī)制。在這里，應(yīng)力的均勻性有重要作用。

圖7 過渡模式下試件變形過程中的應(yīng)變場(chǎng)Fig.7 Strain field of deformation progress under transition mode

圖8 沖擊模式下沿著沖擊方向的應(yīng)變分布Fig.8 Strain distribution along the impact direction under dynamic mode

3 應(yīng)力均勻性

為了討論試件的應(yīng)力均勻性，在準(zhǔn)靜態(tài)模式下做了另外一組試件密度接近，子彈速度、試件厚度等其他參數(shù)都相同的實(shí)驗(yàn)。利用石英片測(cè)出沖擊端和支撐端的應(yīng)力-時(shí)間曲線，如圖9(a)所示?？梢钥吹皆嚰冃芜^程中存在2個(gè)區(qū)域：應(yīng)力均勻區(qū)A和應(yīng)力不均勻區(qū)B。在A區(qū)中沖擊端應(yīng)力大于支撐端應(yīng)力，而在B區(qū)中兩端應(yīng)力平衡。

在A區(qū)中兩端應(yīng)力不均勻的原因是2條曲線存在時(shí)間差，即應(yīng)力波在試件中傳播的時(shí)間，t=L/c。現(xiàn)在將2條曲線對(duì)齊來判斷應(yīng)力波在試件中傳播的耗散性。圖9(b)中曲線可以分為2部分:非耗散區(qū)C和耗散區(qū)D。非耗散區(qū)C中，前后端應(yīng)力相同，說明應(yīng)力在試件中的傳播沒有耗散。應(yīng)力耗散區(qū)D內(nèi)，沖擊端的應(yīng)力明顯大于支撐端的應(yīng)力，即應(yīng)力發(fā)生了耗散。

同時(shí)可以看到，應(yīng)力開始發(fā)生耗散的時(shí)刻(165 μs)恰好是試件中產(chǎn)生局部變形帶的時(shí)刻(162 μs)，即非耗散區(qū)對(duì)應(yīng)著變形均勻區(qū)，耗散區(qū)對(duì)應(yīng)著變形非均勻區(qū)。當(dāng)試件均勻變形時(shí)，應(yīng)力波相當(dāng)于在一個(gè)均勻的物體中傳播，此時(shí)應(yīng)力不發(fā)生耗散。而當(dāng)胞孔發(fā)生了坍塌，試件中形成了局部變形帶。局部變形帶所在區(qū)域的波阻抗大于其附近區(qū)域的波阻抗，當(dāng)應(yīng)力波傳播到這個(gè)界面上時(shí)會(huì)發(fā)生反射，導(dǎo)致透射應(yīng)力低于入射應(yīng)力，即應(yīng)力發(fā)生耗散。這就說明變形的不均勻性影響到應(yīng)力的不均勻性。

圖9 泡沫鋁試件兩端的應(yīng)力均勻性Fig.9 Stress uniformity of the two ends of the aluminum foam specimen

為了更好地說明上述問題，建立了如下的簡(jiǎn)化模型，即假設(shè)在試件中存在一個(gè)垂直加載方向的局部變形帶。假設(shè)彈性波在局部變形帶中傳播速度、密度和彈性模量分別為c2、ρ2和E2，在試件其他部分的參數(shù)對(duì)應(yīng)為c1、ρ1和E1，顯然有ρ1c1<ρ2c2。根據(jù)彈性波在不同介質(zhì)界面上的傳播規(guī)律，有：

(1)

由于n<1，即可得σ3/σ1<1。隨著局部變形帶的發(fā)展，波阻抗不匹配度增大，n越小時(shí)，σ3/σ1越小，即應(yīng)力波的耗散越大。這就解釋了隨著局部變形帶的發(fā)展，兩端應(yīng)力不均勻性越來越大的原因。

隨著速度的增大，變形模式變成過渡模式和沖擊模式，過渡模式和沖擊模式下兩端的應(yīng)力不均勻性顯著增高[6]。從上文中所得到的應(yīng)變場(chǎng)分析可以看到，過渡模式和沖擊模式下試件沒有均勻變形的時(shí)期，而是在靠近沖擊端位置直接產(chǎn)生了密實(shí)區(qū)。局部變形帶和密實(shí)區(qū)對(duì)于波傳播的影響是一致的，而且密實(shí)區(qū)相對(duì)密度更大，與其余部分的波阻抗不匹配度更高。應(yīng)力波經(jīng)過界面后產(chǎn)生了更低的透射應(yīng)力。此時(shí)沖擊端和吸收端的應(yīng)力差距更大，這也從另一角度解釋了隨著速度提高，試件兩端的應(yīng)力不均勻性更大的原因。

因?yàn)閚=ρ1c1/(ρ2c2)?1，所以σ2<σ1，即密實(shí)區(qū)和試件其他部分的波阻抗不匹配度很高時(shí)，支撐端應(yīng)力遠(yuǎn)小于沖擊端的應(yīng)力。

綜上所述：當(dāng)試件變形均勻時(shí)，其兩端應(yīng)力是均勻的；當(dāng)局部變形區(qū)域產(chǎn)生時(shí)，試件變形開始不均勻，此時(shí)試件兩端應(yīng)力也開始不均勻。這是由于局部變形不均勻的區(qū)域與其他部分波阻抗不匹配，導(dǎo)致波在試件中的傳播發(fā)生了反射，即波在試件中傳播發(fā)生了耗散，使沖擊端和吸收端的應(yīng)力不均勻。

圖10 應(yīng)力波傳播模型Fig.10 Modes of stress wave transformation

4 結(jié) 論

利用Hopkinson桿裝置對(duì)泡沫鋁試件進(jìn)行了不同沖擊速度的壓縮實(shí)驗(yàn)，利用高速攝影機(jī)對(duì)所有實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了跟蹤拍攝。采用數(shù)字圖像相關(guān)方法程序?qū)Ω咚贁z影圖像進(jìn)行處理，得到了不同變形模式下試件的應(yīng)變場(chǎng)發(fā)展過程。

(1)不同沖擊速度下試件中的變形模式完全不同：準(zhǔn)靜態(tài)模式下，試件開始段變形較均勻，隨后在試件中產(chǎn)生了局部變形帶；過渡模式下，開始段變形集中在靠近沖擊端的區(qū)域并形成了局部致密區(qū)，結(jié)束段試件中的變形以局部變形帶的方式發(fā)展；沖擊模式下，試件變形主要以胞孔壓實(shí)的模式向前發(fā)展。

(2)不同速度下試件的變形機(jī)理也不同：低速下,產(chǎn)生局部變形帶的機(jī)理是試件中含缺陷胞孔的失穩(wěn)；高速下,產(chǎn)生局部致密區(qū)主要是由慣性效應(yīng)引起的。

(3)材料不均勻性所導(dǎo)致的失穩(wěn)(整體效應(yīng))和慣性效應(yīng)(局部效應(yīng))是應(yīng)力不均勻和變形不均勻的原因。在泡沫鋁試件均勻變形時(shí)，應(yīng)力波在試件中的傳播沒有耗散。當(dāng)試件中產(chǎn)生了局部變形帶或致密區(qū)這樣的局部變形區(qū)時(shí)，由于局部變形帶和致密區(qū)對(duì)波的反射作用，使應(yīng)力波產(chǎn)生了耗散。而且隨著速度增高，局部變形區(qū)與均勻變形區(qū)波阻抗不匹配程度增大，反射波也越來越大，這就導(dǎo)致了應(yīng)力不均勻的加劇。

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(責(zé)任編輯 張凌云)

Deformation and stress nonuniformity of aluminum foam under different impact speeds

Zhang Chao, Xu Song-lin, Wang Peng-fei, Zhang Lei

(CASKeyLaboratoryforMechanicalBehaviorandDesignofMaterials,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,Anhui,China)

A split Hopkinson pressure bar apparatus (SHPB) and a modified SHPB apparatus were employed to investigate the dynamic responses of aluminum foam. During the experiments, a high-speed camera was used to record the deformation process of specimens. Three deformation patterns were observed with the increase of the impact speed. All photographs recorded were analyzed by the digital imaging correlation method. The analytical results were used to illustrate the strain field progressing and the stress nonuniformity of these three deformation patterns. And they are helpful in the revealing of the intrinsic mechanisms of these three deformation patterns. This method offers a new and reliable method to study the influence of deformation nonuniformity on dynamic mechanical behaviors of aluminum foam under different impact speeds.

solid mechanics; stress nonuniformity; split Hopkinson pressure bar; aluminum foam; deformation nonuniformity; digital imaging correlation method; impact speed

10.11883/1001-1455(2015)04-0567-09

2014-03-31；

2014-05-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11272304,11472264); 高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20113402110008)

章 超(1989— )，男，碩士研究生; 通訊作者： 徐松林,slxu99@ustc.edu.cn。

O347 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13015

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