Page 102 - 《爆炸与冲击》2026年第2期

第 46 卷 蔡治城，等： 陶瓷材料Ⅰ型动态断裂韧性的新型测试方法 第 2 期

通过显微镜对预制裂纹进行了观测，以确保各试
样的裂纹长度与宽度保持一致。氧化铝陶瓷的 4 1.5
元素成分和力学性能参数分别见表 1 和表 2，其 Wire cutting, 0.5 mm Strain gauge
中：ρ 为密度，E 为杨氏模量，μ 为泊松比，σ 为弯
b
3 1
曲强度。
动态断裂实验的配套测试夹具包括与入射 18.4 1.5
杆连接的加载端和与透射杆连接的支撑端，材料 图 1 试样几何尺寸图（单位: mm）
均为高强度钢。加载端具有高度为 5 mm 的压 Fig. 1 Schematic diagram of the specimen (unit: mm)
头，其头部为半径为 2 mm 的圆弧；支撑端包括
表 1 氧化铝陶瓷的元素成分及质量分数
两个高 3 mm 的压头，头部圆弧半径均为 1 mm，
Table 1 Composition and mass fraction of
其间距即试样的跨距为 16 mm。两端夹具的底
alumina ceramic
座均为直径 19 mm，高度为 10 mm 的圆柱体。该 %
Na 2 O
Al 2 O 3 SiO 2 Fe 2 O 3 CaO MgO
夹具的设计可以确保在实验过程中试样始终与
≥99 0～2.8 0～0.025 0～0.06 0～1.5 0～0.05
其保持线接触。
如图 2 所示，试样放置于夹具的加载端与支 表 2 氧化铝陶瓷的力学性能参数
撑端之间，夹具与压杆端部通过滑套紧密连接。 Table 2 Mechanical properties of alumina ceramic
子弹撞击入射杆后在其中产生向右传播的压缩 ρ/(g·cm ) E/GPa μ σ b /MPa
−3
应力波。当应力波传播到试件左侧端面时对其 3.5～3.6 300 0.2 300
形成冲击载荷，在裂尖两侧产生垂直于裂纹方向
的拉伸应力并引发纯Ⅰ型断裂。实验产生的入射、反射和透射应力波均由粘贴在杆件上的应变片记
录。试件的起裂信号也采用应变片测得，其粘贴位置如图 1 所示。此外，本工作采用了单脉冲加载技术 [38]
以避免应力波的重复加载给实验造成影响。

Pulse shaper Incident bar Front side of specimen Strain gauge Energy absorber
Impact end Support end

Back side of specimen
Striker bar Strain gauge Light Transmitted bar
Strain gauge
High speed camera
图 2 SHPB 装置示意图
Fig. 2 Schematic diagram of the SHPB device
1.2 实验加载理论
根据一维应力波理论，压杆与试样接触面处的载荷和位移可由下式表达：

F in = AE [ε i (t)+ε r (t)], F out = AEε t (t) (1)
w t w t
[ε i (t)−ε r (t)]dt, ε t (t)dt (2)
U in = C 0 U out = C 0
0 0
式中：F 、F ou t 为入射杆与透射杆端部的载荷，U 、U ou t 为入射杆与透射杆端部的位移，A 为横截面积，
in
in
ε t (t) 为透射应变。
ε i (t) 为入射应变， ε r (t) 为反射应变，
图 3 展示了在动态加载中获得的原始电信号波形。可以看出，加载过程中大部分入射应力波在接

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