冰韧脆转变过程的单轴压缩实验研究

冰韧脆转变过程的单轴压缩实验研究

材料断裂行为及其转换机制是断裂物理和力学的中心科学问题之一。ricethomson（）在解释材料的脆弱性评价的物理机制方面取得了重要进展，但在定量预测材料的脆弱性变化过程中，尤其是脆弱性变化，中仍有许多工作需要进行。只有在极端加载条件下，大多数材料才能发生脆弱性转化过程，因此很难观察它们的脆弱性转化过程。自然界的冰是一种力学行为比较特殊的固体材料,最主要特征是在常规温度与加载状态下能出现韧脆转变行为,且由于冰为透明材料,可以直接观察冰在韧脆转变过程中内部的裂纹与损伤行为,是理想的研究韧脆转变行为的材料.冰的韧脆转变行为也有明确的工程应用背景.当冰与结构作用发生挤压破坏时,最大冰力与冰速分别对应韧脆转变点处的海冰强度与冰速.最新的现场观测表明,冰引起结构的自激振动也发生在冰的韧脆转变过渡区.许多学者测量了冰在韧脆转变过程中的宏观力学特征,这些工作主要集中在观察冰在韧脆转变过程中压缩强度的速率敏感性,以及韧脆转变点速度与强度.后来人们开始关注导致冰韧脆转变的物理机制.普遍的观点认为冰的韧脆转变与冰内部裂纹的演化有关.本文则利用渤海海冰的单轴压缩实验观察了冰在韧脆转变过程中的力学行为与破坏特征,进而对冰韧脆转变的判据进行了分析.1冰的加载速率及应变速率特性室内冰力学实验较现场实验能更好的控制温度、加载速率及保证测量精度.室内海冰实验经历取样、运输、保温、加工、恒温等过程.通常认为自然冰在-15℃以下可以进行长期保存与加工,且能基本保持自然冰的力学特性.实验样品被加工成若干10cm×10cm×25cm的长方体,加载方向垂直于冰的生长方向,即冰板的水平方向.由于海冰为横向各向同性材料,在实验加工过程中不必考虑水平方向的方向性.试件加工好后需要在恒定温度下放置24h,以保持冰试样的温度均匀性与所有实验温度的一致性.图1为试样尺寸形式与实验装置.所有实验在-7℃下进行,每个实验保持常应变加载速率.加载速率控制在˙ε=10-4—10-2/sε˙=10−4—10−2/s内进行.实验数据显示,海冰的单轴压缩强度具有明显的应变速率敏感性.实验结果绘在如图2所示的双对数坐标中.图中横坐标为应变速率的对数坐标,纵轴为压缩强度的对数坐标值.图中三角形符号点与圆形符号点为不同地点海冰取样实验结果.图中每一点对应常加载速率下的压缩强度值.在低加载速率下冰压缩强度随加载速率而增加,并呈韧性破坏.当加载速率到达一定值时,压缩强度随加载速率增加而降低,并呈脆性破坏.从图中可以看出,韧脆转变发生时的应变速率大约为6×10-4s-1,且在韧脆转变点处的压缩强度最大.图3分别为冰在韧性区、韧脆转变过渡区及脆性区的破坏试样.实验中可以观察到,在韧性区的低应变速率区,试样在加载过程中很少出现内部裂纹,主要以塑性破坏为主(图a);在接近韧脆转变点处,密集的内部裂纹汇集成宏观裂纹破坏(图b);在脆性区则为劈裂破坏(图c).2裂尖处位错发射的韧性许多学者围绕材料的韧脆转变判据进行了探讨,其中Rice和Thomson提出的裂纹尖端位错发射与解理断裂的竞争机制得到了普遍的认可.该模型的基本思想是材料在外部荷载作用下形成内部裂纹,位错沿着与裂纹面共面的滑移面,从裂纹尖端发射出来.图4是对竞争模型的说明.假定在裂纹前方倾角为ψ的一个位错滑移面上有一位错胚,该位错胚与裂纹尖端的距离为位错芯半径.裂纹在受力后有两种演化可能:(1)沿着裂纹面解理断裂,这时裂纹尖端保持原子级尖锐;(2)位错胚的发射,导致裂尖钝化.如果裂纹发射位错(其临界应力强度因子为KIe)比解理扩展(其临界值为KIC)更容易,即KIe<KIC,则通过发射位错,裂尖将钝化从而韧断.反之,如果裂纹解理扩展比发射位错更容易,即KIe>KIC,则裂纹首先解理扩展,从而脆断.Rice与Thomson用该模型计算了常见材料的韧脆属性,发现与实验结果定性符合.然而,利用位错发射与解理断裂竞争模型定量预测材料的韧脆转变过程是比较困难的,因为其中涉及到位错发射等因素,当位错较容易发射时,材料才表现出韧性,然而对位错及位错量的直接观察又是比较困难的,因此难以预测材料的韧脆转变过程.但是,我们可以应用裂尖处位错发射所形成的塑性区的大小来进行韧脆性的判定.这种观点与Schulson的观点不谋而合.文献在研究冰的韧脆转变行为中,提出了利用裂纹尖端塑性区大小来判定材料的韧脆性.如图5所示,由于裂纹尖端的位错发射形成了半径为rc的塑性区,利用塑性区半径的大小可以定义材料的韧脆性.加载条件下,裂纹尖端发生位错滑移,在裂尖处形成塑性区,其大小为半径为rp的圆形区域.在低应变率下,在裂尖处发生较多的位错,比较容易产生塑性流,形成较大的塑性区域,使裂尖钝化,总体表现为较大的韧性;高应变率下,在裂尖处发生较少的位错,形成的塑性区较小,较容易发生解理断裂,总体表现为脆性.由此可以看出,裂尖处塑性区半径rp的大小直接决定着材料的韧性与脆性,但对于冰这种材料其塑性区直径的大小目前并不清楚,这里我们不妨借用ASTM-E399中判定线弹性与弹塑性断裂力学的方法来判别材料的韧脆转变,令rp为受载裂纹附近滑移区域的半径,rc为发生韧脆转变时在裂尖形成的塑性区半径,由此得出转变的判据为:rp>rc时,材料表现为韧性;rp<rc时,材料表现为脆性;rp=rc时,材料表现为韧脆转变.根据ASTM-E399假定rc为聚集体最小规格的150150,再假定,最小规格的大小等于内部裂纹之间的间距,而在转变点,裂纹之间的间距等于微结构的大小a,即初始裂纹长度的一半,所以,对于塑性材料有:rc=a50(1)rc=a50(1)Riedel和Rice模拟了预先存在裂纹时的rc.根据他们取得的进展,并令KI=KIC,有rC≅Κ2ΙC2πE2[(n+1)2EnBt2nαn+1]2n-1F(2)F为确定滑移区域的参数,B,n是幂函数˙εc=Bσn中的常数,α为统一量级的无量纲参数,忽略μ对滑移速度的影响.时间t由下式给出:t=ΚΙC˙ΚΙ(3)˙ΚΙ是I型裂纹应力强度因子的增长率,可由下式给出:δΚΙδt=δΚΙδσ⋅δσδε⋅δεδt(4)其中δσδε是应变硬化率,大约由杨氏模量给出.δεδt=˙ε(5)即提供的应变率.另一个导数δΚΙδσ需要一个裂纹尖端应力场的模型.对于冰这种材料,我们使用一个短的,长度为2a的受载翼形裂纹模型,这时有:δΚΙδσ=(πa6)1/2[(1+μ2)1/2-μ](6)把上面这些项集合起来,代入值α=1,F=1,n=3,于是,相应于韧脆转变时的应变率可以表达为:˙εD/B=28Κ3ΙCBa3/2[(1+μ2)1/2-μ](7)其中a为初始裂纹长度的一半,B是幂函数˙ε=Bσn中的常数,μ为摩擦系数.式(7)对韧脆转变做出了定量的描述,KIC与μ为材料的固有属性,可以看出发生转变的应变速率与初始裂纹的长度相关,因此,只要我们从宏观上观测到裂纹的长度,便可预测出此种材料发生韧脆转变时的应变速率值.我们假设冰的裂纹沿晶粒边界形核,其大小与晶粒尺寸相关,即2a=0.65d,将其它参数代入相应数值,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,冰的韧脆转变速率为˙ε=1.4×10-3s-1.3维翼形裂纹扩展模型从式(7)可以看出,转变的应变率除与裂纹大小(晶粒尺寸)有关外,还与断裂强度因子KIC有关,为了对冰这种材料得出KIC值,我们在这里引入了冰的裂纹扩展模式——翼型裂纹模型.翼型裂纹也称为摩擦型裂纹滑移,无论在淡水冰实验还是海水冰实验中都被大量的观察到,并受到了广泛的关注.随着此模型的不断完善,翼形裂纹已经被广泛认为是裂纹扩展的主要形式,因此,它的形成机理得到了不断的完善.裂纹形核后继续加载,当给定的远场应力足够克服冰内摩擦抗力时,剪应力引起海冰内部沿裂纹面方向的滑移(图6中箭头所示),进而在初始裂纹的两端点附近产生拉伸区,在一定临界应力水平下,裂纹开始扩展,其方向垂直于原裂纹的端部,以后方向改变,与主压应力轴相平行,如此扩展成为翼型裂纹.如果翼纹相遇,就会相互连接导致轴向开裂.Ashby和Hallam对此模型进行了简化和分析,给出了理想二维翼形裂纹的扩展模型,裂纹长2a,与主应力成ψ角.当主应力σ11增长时,翼形裂纹形成并扩展至长度x,x与应力状况和冰的力学性质有关.ψ角在35—45°之间(这个角度最适宜滑移),如图6所示.总的分析结论是,翼纹形成后不断的生长,直到KI=KIC,得出关系式: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为翼纹扩展长度;对于单轴压缩问题,σ33=σ22=0,于是上式就变为:ΚΙC=σ11√πa(1-μ)(1+L)3/2[0.23L+1√3(1+L)1/2](9)对于翼形裂纹扩展的最后阶段,如果翼形裂纹比原始裂纹本身长,即在限制范围之内,x≫a,那么L≫1,上式可化为:ΚΙC~0.23σ11√πa(1-μ)√L=0.41(1-μ)σa√x(10)将式(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)上式即为单轴压缩条件下韧脆转变点处的应变速率表达式,其中x为翼纹长,a为初始裂纹长度的一半,从此式我们可以得出,转变的应变速率与裂纹初始长度成正比,与翼纹长度成反比,且通过实验对裂纹及翼纹长度进行观测,便可预测出韧脆转变的应变速率值.4各因素对的理论分析通过对海冰的实验及其机理的解释与研究,我们得出如下结论:(1)在实验过程中,随着应变速率的增加,海冰具有明显的韧脆转变性,在低应变速率下,冰体产生塑性流动变形,高应变速率下,冰体变形较小,破坏形式为脆性破坏,处于两者之间的即为韧脆转变区,既有大量的微裂纹存在,也有塑性变形.在韧脆转变处的强度值最大.实验中得出发生韧脆转变时,应变速率约为6×10-4s-1.(2)在整个实验加载过程中,无论在何种应变速率下,冰体都有微裂纹的存在,且随着应变速率的增加,微裂纹的数量也不断增加,在韧脆转变点处,微裂纹的数量达到最大值.(3)利用位错发射与解理竞争的理论模型,对冰韧脆转变的机理进行了定性的解释.但是,由于该理论控制材料韧脆性的参数不易获得,所以很难定量的计算出结果.(4)利用裂尖塑性区大小的判定方法推导出韧脆转变点应变速率与断裂韧性之间的关系,进而再利用翼型裂纹模型给出断裂韧性的具体数值,最终得出应变速率的表达式为˙εD/B=1.9σ3(1-μ)3a3/2Bx3/2[(1+μ2)1/2-μ](12)从表达式可以看出,转变的应变速率与裂纹初始长度成正比,与翼纹长度成反比,且通过实验对裂纹及翼纹长度进行观测,便可预测出韧脆转变的应变速率值.(5)在裂尖塑性区大小的判定方法中,应用了ASTM-E399中判定线弹性与弹塑性断裂力学的方法来判别材料的韧脆转变,得出rc=a/50,但对于这一关系式还需要通过实验来进一步的证明或修正.(6)根据量化得出的结论,并应用已有的数据得出-10℃下,冰的韧脆转变速率为˙ε=1.4×10-3s-1.在实验中,我们尽量模拟自然状态下冰的状态,但由于实验条件的局限性,致使与理想状态仍存在着一定的差别.由对韧脆转变的理论计算及实验结论的对比,我们可以看出,二者存在着一定的差距,原因有很多,一方面是因为实验条件的限制、实验方法合理性等造成的,另一方面是因