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材料动态抗压力学横向围压对抗压强度的影响
发布时间:2022年06月05日


脆性材料的一个明显特征是围压对压缩强度的影响:我们引用美国 Sandia 试验室的研究报告[21]来说明脆性材料的围压效果。 侧向无约束的陶瓷(碳化硅)试件在 4.0 GPa 的轴向静态压缩下破坏,其最早出现的是沿轴向的劈裂裂纹,紧接着轴向细长的碎片向外侧崩塌,然后局部的弯曲和拉伸效应而破坏。由于破坏之前材料承受了很高的压缩载荷,一旦破坏试件内部储存的弹性应变能得到迅速释放,整个试件爆裂开来。当试件在围压为 350 MPa 和 200 MPa 的环境下,其压缩强度则分别是 6.5 GPa 和 6.3 GPa。可见相对于无侧向约束,200 MPa 的围压可以将试件压缩强度提高 2.0 GPa,而进一步增加围压对提高轴向压缩强度并没有明显的效果。试验表明,围压作用下的试件的破坏以轴向裂纹为主,没有侧向崩塌过程。

从上述观察,可以定性地解释这种“围压强化”原因:由于横向压力的存在,试件中沿轴向劈裂裂纹的发展受到有效抑制,随轴向裂纹贯通而出现的横向崩塌现象也得到控制,因此材料的压缩强度大大提高。 类似的试验结果在动态材料试验中也被发现[22],而且得到数值模拟[23]的证实。由此可见,为研究脆性材料的破坏机制,有必要对其内部裂纹的发生发展过程,包括从压缩载荷下从材料内部损伤引发的局部拉伸应力破坏(所谓翼形裂纹模型 wingcrack[24])到宏观裂纹出现,以及整体破坏后的崩裂过程,做深入细致的研究。值得注意的是,由于脆性材料内裂纹的传播速度极高( km/s),即便试件外部的载荷是静态的,材料的碎裂过程本身也是一个涉及材料惯性效果的动态过程,需要做动力学分析。