2016年2月会刊主题:颗粒材料的变形力学:高应变率加载下聚合物结合糖的局部变形

颗粒材料的变形力学:

高应变率加载下聚合物结合糖的局部变形

阿迪斯·基丹，苏拉·拉文德兰

南卡罗来纳大学机械工程系，300 Main Street, Columbia, SC 29208

介绍

长期以来，研究混凝土、聚合物粘结炸药(PBX)、砂土、装甲防护材料等颗粒状材料在动载荷作用下的损伤机理一直是人们关注的问题。总的来说，颗粒材料的力学在过去四十年中得到了研究，例如[1-9]，并提出了许多模型。在软聚合物粘合硬材料(如PBX)的情况下，由于显著的性能不匹配和存在空洞和裂纹，破坏机制是复杂的。计算模型是多年来发展起来的，用于预测这些材料的变形行为。

另一方面，缺乏高时间和高空间分辨率的方法，阻碍了实验界对非均质材料在高速加载下的局部变形机制的理解。最近，Lu等人利用x射线DIC系统测量了硼硅玻璃微珠(粒状材料)在冲击载荷作用下的面内变形。虽然该方法有些复杂，但在了解非均质材料的损伤机制方面具有潜在的重要作用。一种替代和补充的方法，基于光学的高速数字图像相关，最近被用于测量亚晶粒尺度下铜的局部变形。最近，我们使用高速相机和高放大光学系统，能够以高达100万/秒的帧速率和10 μ m/像素的空间分辨率测量PBS中的局部变形。

我们想问的问题是

主要的局部变形机制是什么?

在本月的iMechanica J万博manbetx平台ournal Club中，我们将重点介绍最近在量化PBS局部损伤机制方面所做的努力。这个简短的概述，只关注基于DIC的表面测量结果细观，但我们希望它能在该领域引发进一步的讨论，包括不同的方法和模拟。

PBS是一种聚合物键合糖，已知模拟的交换机。它是由较硬的糖晶体通过软粘合剂粘合而成。糖的晶粒大小在300 ~ 500µm之间。样品的制备和详细的实验步骤可以在其他地方获得[12]。试件采用Split Hopkinson压杆加载压缩，图像处理采用Vic二维数字图像相关软件。

实验结果表明，变形高度局部化，如图1所示。大多数变形局限于聚合物粘结剂丰富的区域和晶体相距较远的地方。更重要的是，在非常小的轴向应变下，变形形成了明显的局部带状结构。观察到的局部损伤起裂机制为:

晶体旋转

在准静态和动态加载条件下，颗粒材料中可以观察到晶体的旋转和滑动[13,14]。图2显示了每个晶体的旋转作为施加的全局应变的函数。旋转的大小和方向因粒而异。还观察到，在某些情况下，两个或两个以上的颗粒形成一组并一起旋转，直至一定的加载时间。例如，C2, C4和C5形成一对，并沿逆时针方向旋转，最大应变为0.8%。在此之前，C2, C4和C5之间没有相对旋转。另一方面，与另一个旋转晶体接触的一些晶体被证明是静止的或在不同的方向上旋转，这可能会在相邻晶体之间产生滑动和摩擦。例如，C1与C2接触，旋转方向相反，但不明显，这可能导致与C2的潜在滑动摩擦。此外，相邻晶体之间的相对旋转会导致界面上的分层，这可能是PBX的潜在失效模式。

剪切带形成

在这种材料中形成的剪切带已被捕获，如图3所示。在PBX中，在中等应变速率下，剪切带的形成主要有两种机制:1)由于损伤积累(微裂纹)而产生的软化;2)由于塑性应变作为热量消散而产生的热软化。在金属中，由于热软化而形成的剪切带需要总应变在10-50%之间。但在PBX中，形成剪切带所需的应变比由于热软化所需的应变小一个数量级。在较小的总应变下，局部应变高一个数量级，引起热软化，微裂纹引起机械软化。因此，剪切带的形成可能是由于两者的共同作用;热软化是由聚合物粘结剂局部形成的高应变引起的，而软化是由材料中的损伤积累引起的。

晶体断裂

在大的界面变形中，捕获到晶体断裂。令人惊讶的是，只有少数晶体断裂，而且它们的位置似乎是任意的。很难知道是什么原因导致一些晶体失效，而另一些却没有，但仔细观察晶体和它们的邻居可能会有更深入的了解。例如，一个大晶体如果被另一个大晶体包围，则是晶体断裂的有利条件。在这种情况下，晶体与晶体接触点的数量会减少，从而增加应力集中的可能性。从图4a中可以清楚地看到，C14和C13是晶体，具有单点接触，其中C14的一个尖角撞击C13。因此，这些条件导致应力集中，最终导致C13断裂。材料制备过程中形成的初始裂纹也是晶体断裂的有利条件。在晶体、C4、C6和C19中存在明显的初始裂纹。从变形图中可以看出，随着加载的进行，初始裂纹开始扩展，导致C6和C19断裂，而不是C4断裂。 The large polymer-rich region ahead of crystal C4, might cause a possible force chain mechanism or rigid body rotation. In any way, having a think region of polymer binder between adjacent crystals will effectively reduce the probability of crystal fracture.

挑战与机遇。

·在动态负载下捕获PBX中的热点形成仍然是一个很大的挑战

·在高时间和高空间分辨率下测量温度有助于确认导致热点形成的机制。

·使用目前的方法，可以实现10 μ m/像素，这个长度尺度对于100 μ m数量级的晶体来说是非常好的。为了研究细颗粒的材料，需要更高的放大倍率系统。由于高倍率下的低景深，光学系统可能不足以捕捉高应变率载荷下的纳米级长度变形……任何替代方法或解决方案都可以帮助社会……

注:该领域的其他相关研究可从19-34处获得。

参考

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