PMMA圆环动态拉伸碎裂特征研究

摘要

脆性材料在冲击载荷下的碎裂问题是一个重要的研究课题。受实验技术的限制，脆性/准脆性材料的动态拉伸实验方法和测试手段仍待进一步提高和发展。膨胀环技术最初用于研究韧性金属材料动态拉伸的良好实验方法，为了研究脆性材料的动态拉伸，本文提出了一种用于准脆性/脆性材料的动态拉伸的液压膨胀环实验技术。 首先借助MTS810材料实验测试机对有机玻璃棒材在相同温度（室温12℃）不同应变率下进行准静态拉伸测试，测试表明其准静态拉伸断裂应变约为2.5%，静态强度约为65~75MPa，应变率越高其拉伸强度越大，断口未出现颈缩现象，呈现脆断特征。准静态拉伸实验为有机玻璃动态拉伸实验提供参考。 对液压冲击膨胀环实验装置的适用性改进和优化设计，对有机玻璃圆环试件进行了不同应变率下的一维均匀动态拉伸碎裂实验研究；实验过程采用超高速相机记录液压膨胀PMMA圆环的动态断裂过程；借助DISAR激光速度干涉仪获得了有机玻璃圆环外表面的粒子径向速度时程曲线；结果表明，对于PMMA膨胀环，DISAR激光速度干涉仪不能获得理想的速度历史曲线，从而无法进行进一步的力学行为分析。 为精确直接获得PMMA膨胀环的断裂信息，采用在圆环外侧粘贴应变片的方法精确记录了PMMA圆环的均匀周向拉伸的应变时程曲线。能够准确反映出试件局部的断裂应变。在载荷较小时试件未发生断裂，能够准确反映圆环试件周向往复拉压的弹性过程。此方法代替了用于韧性金属膨胀环数据采集的传统DISAR激光速度干涉法，为脆性材料的碎裂研究提供了新的测试方法。另外，为测试实验装置，对三种不同高度的有机玻璃短管进行了膨胀拉伸实验，并统计分析了其碎片特征。 借助光学显微镜，观察不同应变率下的试件断口形貌，无论是准静态还是动态拉伸，PMMA的断口基本都可以分为裂纹源区（镜面区）、雾状区和肋带区。应变率越高，裂纹源区所占面积比例越小，肋带区的粗糙程度越严重。回收碎片的内部含有较多的，产生此现象的原因正是碎片断口处发出的稀疏波将周围的拉伸应力卸载，从而抑制其他裂纹的进一步发展。拉伸断口未出现颈缩现象，明显区别于弯曲断口的形貌。进一步证明PMMA圆环是由周向拉应力产生的断裂。 实验回收的碎片显示，不同应变率下，PMMA的动态拉伸可以呈现不同数量的多个碎片。实验装置可以实现PMMA圆环在150~500s-1范围内的动态拉伸，PMMA材料的动态拉伸断裂应变低于准静态加载下的断裂应变（约为2.5%），体现出“动脆”现象；随着加载应变率的提高，有机玻璃材料的平均碎片尺寸减小；通过与理论模型相对比，无量纲化的有机玻璃圆环的平均碎片尺寸介于韧性碎裂模型和脆性碎裂模型的预测数值之间，反映出材料的准脆性特性。 PMMA液压膨胀环实验为脆性材料的动态拉伸实验研究提供了新的实验方法，为进一步研究玻璃、陶瓷等脆性材料的动态拉伸提供参考。

目录

声明

1绪论

1.1研究的目的和意义

1.2 PMMA材料粘弹性介绍

1.3 有机玻璃材料力学性能的研究现状

1.4拉伸试验技术的研究动态

1.5本文的主要工作内容

2 PMMA棒材的准静态拉伸实验

2.1MTS810材料拉伸试验机

2.2 PMMA棒材准静态单轴拉伸试件

2.3准静态单轴拉伸实验设计及实验过程

2.4 PMMA棒材准静态拉伸实验结果及数据分析

2.4.1准静态拉伸实验结果

2.4.2准静态拉伸实验数据分析

2.5韧性断口和脆性断口对比

2.6 本章小结

3.脆性膨胀环动态拉伸实验技术

3.1液压膨胀PMMA圆环基本原理

3.2 SHPB实验平台基础设施

3.3 PMMA膨胀环实验装置

3.4 回收装置及测速模块的改进和初步结果

3.5 本章小结

4液压膨胀PMMA环的动态拉伸碎裂实验

4.1 PMMA圆环试件

4.2 超高速相机记录试件的动态碎裂过程

4.2.1 Kirana超高速相机

4.2.2 实验装置布置及仪器调试

4.2.3超高速相机记录PMMA环碎裂过程

4.3 激光干涉仪测量PMMA圆环径向膨胀速度

4.3.1 DISAR激光干涉仪

4.3.2 测速关键技术及结果

4.4 利用应变片测试PMMA的动态拉伸断裂应变

4.4.1 PMMA膨胀环一维拉伸断裂应变

4.4.2 5mm高度PMMA膨胀管的断裂应变

4.5 实验研究过程中遇到的问题及各方面注意事项

4.6 本章小结

5实验结果分析和讨论

5.1 PMMA棒材准静态拉伸断口

5.2 PMMA膨胀环动态拉伸断口

5.3 PMMA断裂机理

5.4 不同应变率下PMMA环碎片统计

5.5 PMMA膨胀环的碎片特征

5.6 PMMA膨胀管的液压膨胀碎裂及结果分析

5.6.1 8mm高度PMMA膨胀管碎片统计

5.6.2 10mm高度PMMA膨胀管碎片统计

5.7 本章小结

6总结与展望

6.1主要结论

6.2研究展望

参考文献

在学研究成果

致谢