兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (4): 240020-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0020
收稿日期:
2024-01-08
上线日期:
2024-03-26
通讯作者:
基金资助:
CAI Zhicheng, XU Zejian*(), GUO Baoqiao, LIU Yan, HUANG Fenglei
Received:
2024-01-08
Online:
2024-03-26
摘要:
采用分离式霍普金森压杆装置,结合一套新设计的夹具对氧化锆陶瓷进行动态弯曲测试。通过应变片实测信号与有限元模拟结果确定试样的起裂时间,并结合透射信号获得试样的弯曲强度。研究结果表明,试样的起裂时间与透射波的波峰时刻具有良好的匹配性,因此能够用透射波峰值确定弯曲强度。通过实验数据的对比分析验证了试样在加载过程的受力平衡,并通过高速摄影技术验证了试样起裂时间的准确性。实验结果表明:在85.4~239.7TPa/s的加载速率范围内,试样弯曲强度呈现与加载速率正相关的变化趋势,而断裂时间则随加载速率的增加而减小;通过断口分析可知,随着加载速率的提高,氧化锆陶瓷由穿晶与沿晶并存的混合断裂模式转变为以穿晶断裂为主的失效模式。
中图分类号:
蔡治城, 许泽建, 郭保桥, 刘彦, 黄风雷. 氧化锆陶瓷的动态弯曲断裂行为[J]. 兵工学报, 2025, 46(4): 240020-.
CAI Zhicheng, XU Zejian, GUO Baoqiao, LIU Yan, HUANG Fenglei. Dynamic Bending Fracture Behavior of Zirconia Ceramic[J]. Acta Armamentarii, 2025, 46(4): 240020-.
ZrO2 | Y2O3 | Al2O3 | SiO2 | Fe2O3 | TiO2 | 灼烧后质 量损失 | 水分 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
≥95 | 0~ 5.31 | 0~ 0.23 | 0~ 0.0113 | 0~ 0.0008 | 0~ 0.0013 | 0~2.03 | 0~0.80 |
表1 氧化锆陶瓷的元素成分及质量分数
Table 1 Composition and mass fraction of zirconia ceramic %
ZrO2 | Y2O3 | Al2O3 | SiO2 | Fe2O3 | TiO2 | 灼烧后质 量损失 | 水分 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
≥95 | 0~ 5.31 | 0~ 0.23 | 0~ 0.0113 | 0~ 0.0008 | 0~ 0.0013 | 0~2.03 | 0~0.80 |
ρ/(g·cm-3) | E/GPa | μ | σb/MPa |
---|---|---|---|
5.9~6.1 | 210 | 0.3 | 950 |
表2 氧化锆陶瓷的力学性能参数
Table 2 Mechanical properties of zirconia ceramic
ρ/(g·cm-3) | E/GPa | μ | σb/MPa |
---|---|---|---|
5.9~6.1 | 210 | 0.3 | 950 |
图5 加载速率184.6TPa/s下试样两端受力对比 及力平衡因子
Fig.5 Comparison of the experimental forces at two ends of the specimen and the force equilibrium factor under a loading rate of 184.6TPa/s
图6 加载速率98.5TPa/s下试样两端受力对比及力平衡因子
Fig.6 Comparison of the experimental forces at two ends of the specimen and the force equilibrium factor under a loading rate of 98.5TPa/s
名称 | 材料 | ρ/(kg·m-3) | E/GPa | μ |
---|---|---|---|---|
入射杆 | 18Ni钢 | 8000 | 190 | 0.3 |
加载夹具 | 40Cr钢 | 7820 | 199 | 0.3 |
支撑夹具、透射杆 | 7075铝合金 | 2700 | 70 | 0.3 |
表3 入射杆、透射杆及夹具的力学性能参数
Table 3 Mechanical properties of the incident and transmission bars and fixture
名称 | 材料 | ρ/(kg·m-3) | E/GPa | μ |
---|---|---|---|---|
入射杆 | 18Ni钢 | 8000 | 190 | 0.3 |
加载夹具 | 40Cr钢 | 7820 | 199 | 0.3 |
支撑夹具、透射杆 | 7075铝合金 | 2700 | 70 | 0.3 |
图9 加载速率98.5TPa/s下试样应变信号与模拟试样应变信号对比
Fig.9 Comparison between experimental and FEA results of the strain signal from the specimen under a loading rate of 98.5TPa/s
编号 | 起裂时间/μs | 弯曲强度/MPa | 加载速率/(TPa·s-1) |
---|---|---|---|
T1 | 16.8 | 992 | 98.5 |
T2 | 15.8 | 1034 | 113.9 |
T3 | 16.0 | 1006 | 119.2 |
T4 | 15.0 | 1091 | 114.6 |
T5 | 16.6 | 878 | 85.4 |
T6 | 14.8 | 1615 | 184.6 |
T7 | 14.0 | 1863 | 239.7 |
T8 | 15.6 | 1084 | 117.5 |
T9 | 15.0 | 1155 | 135.0 |
T10 | 15.4 | 1126 | 133.3 |
T11 | 14.8 | 1431 | 166.7 |
表4 实验结果
Table 4 Experimental results
编号 | 起裂时间/μs | 弯曲强度/MPa | 加载速率/(TPa·s-1) |
---|---|---|---|
T1 | 16.8 | 992 | 98.5 |
T2 | 15.8 | 1034 | 113.9 |
T3 | 16.0 | 1006 | 119.2 |
T4 | 15.0 | 1091 | 114.6 |
T5 | 16.6 | 878 | 85.4 |
T6 | 14.8 | 1615 | 184.6 |
T7 | 14.0 | 1863 | 239.7 |
T8 | 15.6 | 1084 | 117.5 |
T9 | 15.0 | 1155 | 135.0 |
T10 | 15.4 | 1126 | 133.3 |
T11 | 14.8 | 1431 | 166.7 |
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