包 闊，張先鋒，王桂吉，鄧佳杰，韓 丹，談夢婷，魏海洋

（1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽621999；3.中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海200050）

裝甲車輛窗口、直升機(jī)擋風(fēng)玻璃、導(dǎo)彈整流罩等武器裝備的透明部件需要材料滿足輕量化、良好透光性能和優(yōu)秀抗沖擊破壞能力的要求。透明陶瓷兼具優(yōu)良的透光性能和力學(xué)性能，由其組成的透明裝甲比同面密度的防彈玻璃具有更強(qiáng)的抗彈性能，是透明裝甲的關(guān)鍵材料。YAG（yttrium aluminum garnet）（Y3Al5O12）是Y2O3與Al2O3反應(yīng)形成的立方體系氧化物，與其他透明材料[1-2]相比，YAG 透光性更好，制備工藝更簡單，制造成本更低，適合于大批量裝備，在透明裝甲領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在透明陶瓷組成的復(fù)合裝甲中，陶瓷承擔(dān)破碎、磨蝕彈體的作用[3-4]。沖擊載荷下陶瓷層的破壞特征和損傷演化過程反映了材料破壞機(jī)制，與復(fù)合靶抗彈性能有緊密聯(lián)系。通過特定加載條件下的沖擊破壞實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得陶瓷及其復(fù)合靶的加載響應(yīng)特性及破壞特征，厘清破壞機(jī)制，為透明裝甲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

在陶瓷材料的沖擊破壞實(shí)驗(yàn)中，陶瓷在宏觀尺度通常形成典型的徑向裂紋、環(huán)向裂紋和Hertz 錐裂紋以及由錐裂紋形成的陶瓷錐，同時(shí)伴隨著嚴(yán)重破壞的粉碎區(qū)。裂紋擴(kuò)展速度、粉碎區(qū)面積等是表征脆性材料損傷程度的重要特征量。La Salvia 等[5-6]在SiC、TiB2、B4C等陶瓷的沖擊破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果中觀察到粉碎區(qū)的面積、徑向裂紋及軸向裂紋的數(shù)量和長度均隨著撞擊速度的提高而增大。Mccauley 等[7]在AlON透明陶瓷EOI(edge on impact)實(shí)驗(yàn)中利用光彈儀觀察到，隨著撞擊速度的提高，破壞波和損傷前緣傳播速度基本保持恒定。Salem 等[2]在單層尖晶石透明陶瓷抗彈實(shí)驗(yàn)中觀察到，徑向裂紋以恒定速度擴(kuò)展，環(huán)向裂紋擴(kuò)展速度逐漸降低，而尖晶石復(fù)合靶與單層靶的裂紋擴(kuò)展速度-時(shí)間規(guī)律則有較大差異。目前關(guān)于YAG 透明陶瓷在沖擊破壞下?lián)p傷特征的研究仍然缺乏。作為實(shí)際工程應(yīng)用主體的復(fù)合靶結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下受到多層材料協(xié)變的作用，其裂紋擴(kuò)展特征與單層陶瓷可能有所差異。

在細(xì)觀尺度下，材料受載時(shí)主要的響應(yīng)形式有塑性變形、孿晶、斷裂、位錯(cuò)等。B4C的環(huán)形裂紋中具有穿晶斷裂以及局部剪切特征[8]。對Al2O3、SiC、尖晶石等陶瓷的大量實(shí)驗(yàn)表明，加載速率及加載應(yīng)力的提高會導(dǎo)致斷裂模式由沿晶斷裂主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)榇┚嗔阎鲗?dǎo)[9-13]。Haney 等[14]在尖晶石的EOI沖擊實(shí)驗(yàn)中觀察到斷裂面沿沖擊方向從穿晶過渡到沿晶的現(xiàn)象。Subhash 等[12]認(rèn)為，在低速率載荷作用下裂紋沿晶擴(kuò)展為最優(yōu)選擇，而慣性導(dǎo)致了高速率載荷作用下裂紋的穿晶擴(kuò)展。YAG透明陶瓷在準(zhǔn)靜態(tài)加載下表現(xiàn)出穿晶斷裂、塑性變形等特征，在高加載速率下出現(xiàn)較低速率加載下更多的裂紋[15]。而鮮有報(bào)道研究典型徑向、環(huán)向及錐裂紋斷面的細(xì)觀破壞特征，以及諸如加載速率、裂紋擴(kuò)展距離等因素對其的影響。因此，需要開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，為數(shù)值模擬和理論模型的分析研究提供基礎(chǔ)。

本文中擬開展撞擊速度范圍為20～300 m/s的碳化鎢球形破片撞擊YAG 透明陶瓷復(fù)合靶的沖擊破壞實(shí)驗(yàn)。利用高速攝影捕捉裂紋擴(kuò)展過程，獲得徑向、環(huán)向裂紋擴(kuò)展速度；回收加載后的樣品，觀測其宏、細(xì)觀破壞特征，分析撞擊速度對陶瓷層粉碎區(qū)、彈體回彈速度、裂紋擴(kuò)展速度、陶瓷錐的影響，以及細(xì)觀尺度下撞擊速度、裂紋擴(kuò)展距離對斷面破壞特征的影響。

1 YAG 透明陶瓷復(fù)合靶破片沖擊實(shí)驗(yàn)

1.1 靶體結(jié)構(gòu)及材料

YAG 透明陶瓷復(fù)合靶均為10 mm/6 mm/6 mm 的YAG/玻璃/聚碳酸酯(PC)結(jié)構(gòu)，相鄰層之間用0.6 mm 的聚氨酯(PU)通過熱壓工藝粘接，各層橫向尺寸均為80 mm×70 mm。為回收實(shí)驗(yàn)后復(fù)合靶，將復(fù)合靶嵌入鋁框，并在鋁框后面設(shè)置中空鋁板以限制復(fù)合靶邊界沿彈道方向位移，復(fù)合靶與鋁框之間通過環(huán)氧樹脂粘接。裝配的復(fù)合靶結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝配的YAG 透明陶瓷復(fù)合靶結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of an assembled YAG transparent ceramic compsitetarget

YAG 透明陶瓷由上海硅酸鹽研究所提供，通過干壓工藝燒結(jié)而成，其力學(xué)參數(shù)：密度，4 550 kg/m3；平均晶粒尺寸，10μm；透過率，99.5%；縱波聲速，8 626 m/s；楊氏模量，282 GPa；準(zhǔn)靜態(tài)壓縮強(qiáng)度，1.58 GPa；剪切模量，112.8 GPa；體積模量，188 GPa；橫波波速，4 949 m/s；體波波速，6 428 m/s。

該YAG 透明陶瓷熱腐蝕后的細(xì)觀特征圖2所示。玻璃為肖特技術(shù)公司生產(chǎn)，其密度為2 230 kg/m3，準(zhǔn)靜態(tài)壓縮強(qiáng)度為273 MPa，楊氏模量為3.5 GPa，泊松比為0.25。PC為沙比克公司生產(chǎn)。復(fù)合靶的透過率、霧度和分辨率見表1。

圖2 熱腐蝕后YAG 透明陶瓷的細(xì)觀特征Fig.2 Microcharacteristics of YAG transparent ceramic after thermal corrosion observed by scanning electron microscopy

表1 球形破片沖擊實(shí)驗(yàn)配置Table1 Experimental conditions of spherical fragment impact experiments

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及靶板結(jié)構(gòu)

破片沖擊YAG 透明陶瓷復(fù)合靶實(shí)驗(yàn)在內(nèi)徑為9 mm 的氣動沖擊實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行。該裝置由發(fā)射室、加速槍管、回收艙、靶架等部分組成，可發(fā)射直徑小于等于9 mm 的不同形狀侵徹體，可將100 g 的侵徹體加速到300 m/s。實(shí)驗(yàn)布局如圖3所示。破片采用直徑為9 mm、質(zhì)量為5.7 g 高硬度碳化鎢球。在氣壓作用下，球形破片在槍管中加速并撞擊固定在靶架中的復(fù)合靶。利用高速攝像機(jī)捕捉整個(gè)沖擊過程中靶體及其前方視場的圖像，獲得破片的沖擊速度、回彈速度及靶體陶瓷層的損傷演化過程。高速攝影的幀率為8×104～12×104s?1。將復(fù)合靶放入回收倉中以防止陶瓷碎片損壞相機(jī)，并在回收艙內(nèi)設(shè)置合適角度的鏡子將圖像反射到高速攝影中，獲得所觀測分辨率較高的斜向圖像。為了研究不同破片沖擊速度作用下靶體的破壞響應(yīng)，共進(jìn)行8發(fā)不同沖擊速度的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件見表1。

圖3 球形破片沖擊YAG 透明陶瓷復(fù)合靶實(shí)驗(yàn)布局Fig.3 Experimental layout for impact of a YAG transparent ceramic composite target by a spherical fragment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

回收到的部分碳化鎢破片如圖4所示。破片接觸陶瓷的部位出現(xiàn)表面磨蝕痕跡，其余部分均未產(chǎn)生塑性變形、破碎等現(xiàn)象。獲得破片的回彈速度、表面磨蝕面積與撞擊速度的關(guān)系如圖5所示。破片表面磨蝕面積隨著撞擊速度的增大而增加，反映了彈靶接觸面積在不斷增大。此外，破片回彈速度與發(fā)射速度呈線性增長關(guān)系，當(dāng)撞擊速度為300 m/s左右時(shí)，回彈速度的增加減緩，說明彈靶系統(tǒng)儲存的彈性能增量降低，該現(xiàn)象可能與背板變形導(dǎo)致彈道方向的回彈能量降低有關(guān)。圖6為高速攝影中捕捉到的陶瓷層裂紋擴(kuò)展圖像。陶瓷層裂紋的擴(kuò)展在撞擊后60μs趨于停止，因此，本文中主要分析撞擊后前60μs裂紋擴(kuò)展情況。從圖6可以看出，破片撞擊靶板后細(xì)小的陶瓷粉末噴濺產(chǎn)生亮光，隨著時(shí)間的增加或破片撞擊速度的提高，陶瓷碎片飛濺越嚴(yán)重。由于透明陶瓷具有良好的透光性，圖像中的高亮紋路反映了裂紋所在位置。裂紋表現(xiàn)為典型的徑向裂紋和環(huán)向裂紋。徑向裂紋在初始擴(kuò)展階段先迅速地從沖擊點(diǎn)沿直線路徑擴(kuò)展，然后在尖端分叉成幾個(gè)沿單獨(dú)方向擴(kuò)展的窄裂紋。整個(gè)裂紋路徑類似于由枝干和分支冠組成的掃帚。在徑向裂紋形成后，環(huán)形裂紋在間隔一定距離的位置瞬間產(chǎn)生，并將陶瓷分割成環(huán)形碎片。

圖4 碳化鎢破片表面磨蝕面積與撞擊速度的關(guān)系Fig.4 Erosion areas of spherical fragmentsat different impact velocities

圖7為裂紋擴(kuò)展距離r 與時(shí)間t 的關(guān)系，由此可以計(jì)算出裂紋擴(kuò)展速度v 與時(shí)間t 的關(guān)系，如圖8所示。在每個(gè)圖的裂紋擴(kuò)展距離計(jì)算過程中，至少取4個(gè)彈著點(diǎn)到裂紋前緣的距離的平均值以減小誤差。為了防止靶板邊界效應(yīng)對裂紋擴(kuò)展的影響，選擇遠(yuǎn)離靶板邊界即有較大擴(kuò)展空間的裂紋進(jìn)行計(jì)算。由于環(huán)向裂紋擴(kuò)展一定距離后就停止擴(kuò)展，且后續(xù)產(chǎn)生的亮光會對距離的取值造成影響，因此，主要將環(huán)向裂紋初始擴(kuò)展階段的數(shù)據(jù)點(diǎn)作為參考。對裂紋擴(kuò)展速度的計(jì)算結(jié)果表明，徑向裂紋的擴(kuò)展速度大于環(huán)向裂紋擴(kuò)展速度。在不同沖擊速度下裂紋擴(kuò)展速度差異很小，說明裂紋擴(kuò)展速度對沖擊速度不敏感，YAG 陶瓷的這種特性與尖晶石和AlON[1]的相似。同時(shí)，徑向裂紋和環(huán)裂紋的擴(kuò)展速度隨時(shí)間線性衰減，徑向裂紋擴(kuò)展速度衰減更快，兩種裂紋在25μs后均衰減至300 m/s 左右。對比尖晶石透明陶瓷復(fù)合靶破片沖擊實(shí)驗(yàn)中恒定的裂紋擴(kuò)展速度[2]，本文實(shí)驗(yàn)中擴(kuò)展速度衰減的原因可能為YAG 材料的特殊性，或?yàn)檩^低的撞擊速度導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力不足。

圖5 球形碳化鎢破片磨蝕面積、回彈速度與撞擊速度的關(guān)系Fig.5 Relationshipsof rebound velocity and crash area of sphericl tungsten carbide fragment with impact velocity

圖6 不同撞擊速度下，高速攝影捕捉到的彈靶撞擊過程Fig.6 Impact processes captured by high-speed photography under different imapct velocities

圖7 不同撞擊速度下裂紋擴(kuò)展距離隨時(shí)間的演化Fig.7 Evolution of crack propagation distance with time at different impact velocities

圖8 不同撞擊速度下裂紋擴(kuò)展速度隨時(shí)間的演化Fig.8 Evolution of crack propagation velocity with time at different impact velocities

3 YAG 透明陶瓷復(fù)合靶沖擊破壞特征

3.1 宏觀破壞特征

沖擊實(shí)驗(yàn)后回收到的復(fù)合靶的正面陶瓷層破壞特征如圖9所示。YAG 透明陶瓷中的徑向裂紋在圖中用紅色標(biāo)記了出來。撞擊點(diǎn)中心的陶瓷材料與膠層脫粘并崩落，陶瓷層在沿軸線截面上具有明顯的Hertzian 錐裂紋特征。與SiC[6]等大厚度非透明陶瓷沖擊實(shí)驗(yàn)中回收到的陶瓷錐體不同，YAG 在撞擊過程中陶瓷錐就已完全碎裂，未回收到較為完整的陶瓷錐體，該現(xiàn)象與B4C[8]陶瓷受撞擊下的情況類似。陶瓷錐碎裂的原因可能為，YAG 陶瓷力學(xué)性能相對于SiC等陶瓷較弱。同時(shí)，陶瓷厚度及背板支撐剛度也對陶瓷層破壞產(chǎn)生了影響。由于復(fù)合靶中各層較薄，破碎的玻璃層和變形的PC背板無法為陶瓷提供良好的支撐，使陶瓷層受到較大的彎矩，在宏觀錐裂紋形成后比起大厚度陶瓷更容易產(chǎn)生進(jìn)一步破碎。實(shí)驗(yàn)中陶瓷背面最外側(cè)的環(huán)向裂紋陶瓷錐底部輪廓，由圖9中藍(lán)圈表示。由于錐底直徑較大無法在靶面完全顯示，因此錐底直徑由遠(yuǎn)離邊界方向且能清晰辨認(rèn)的錐底輪廓尺寸確定。根據(jù)陶瓷層正面粉碎區(qū)直徑和陶瓷錐底部直徑及陶瓷層厚度，可以獲得不同撞擊速度下陶瓷錐角變化規(guī)律，如圖10所示。從圖10可以看出，隨著撞擊速度的提高，陶瓷錐角在22°～32°之間跳動，無明顯的變化規(guī)律。

圖9 沖擊實(shí)驗(yàn)后回收的標(biāo)記出正面陶瓷層裂紋的復(fù)合靶Fig.9 Recovered compositetargets marked with cracksin front ceramic layers after impact experiments

高速攝影中噴出的大量細(xì)小的陶瓷層粉末表明PC背板在撞擊過程中儲存了一定的彈性能，在撞擊完成后回彈并釋放為陶瓷碎片動能，使陶瓷層中心區(qū)域碎片全部噴出形成了粉碎區(qū)。將粉碎區(qū)面積除以復(fù)合靶面積，可以獲得圖10中歸一化的粉碎區(qū)面積與撞擊速度的關(guān)系。可以看出，隨著撞擊速度的提高，粉碎區(qū)面積逐漸增大，體現(xiàn)了輸入動能增加導(dǎo)致陶瓷層破壞程度增強(qiáng)。撞擊速度為250 m/s 左右的時(shí)粉碎區(qū)面積出現(xiàn)拐點(diǎn)。分析其原因可能是在大于該速度段的撞擊速度下，彈體對靶體沿直徑方向的破壞能力達(dá)到瓶頸，提高撞擊速度使陶瓷層進(jìn)一步碎裂的效果變?nèi)?。另一方面，由于徑向裂紋已經(jīng)擴(kuò)展到靶體邊緣，鋁框的約束導(dǎo)致的邊界效應(yīng)也可能是造成該現(xiàn)象的原因。因此，消除邊界條件的影響仍需大尺寸靶體的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

圖10 歸一化粉碎區(qū)中心面積及陶瓷半錐角隨破片撞擊速度的變化Fig.10 Variation of normalized central crash area and crack cone angle of YAG ceramic with fragment impact velocity

由于在所有撞擊實(shí)驗(yàn)中PC均保持彈性，從靶體背面透過PC可以清晰地看到玻璃層的破壞特征如圖11所示，其中用藍(lán)色標(biāo)記出玻璃層顯著破壞區(qū)域。與陶瓷層類似，玻璃層出現(xiàn)徑向及環(huán)向裂紋。由于受到陶瓷和PC的約束，玻璃中心區(qū)域無法飛出因而變?yōu)榉鬯闋顟B(tài)。相對于陶瓷層，玻璃各個(gè)方向裂紋密度均大幅增加。玻璃層最外側(cè)的環(huán)向裂紋直徑與陶瓷錐底直徑大致相同，說明玻璃層破壞區(qū)域與陶瓷錐尺寸之間有明顯聯(lián)系。由此可以推斷隨著侵徹速度的增加，典型透明陶瓷/玻璃/PC復(fù)合靶結(jié)構(gòu)抗彈性能增加的原因之一為：陶瓷錐角的增大使玻璃層受力面積增大，玻璃層破壞能耗增加，同時(shí)玻璃碎片作用于PC背板的面積增加使背板變形能耗增大，提升了復(fù)合靶抗沖擊破壞性能。同時(shí)，玻璃層裂紋中心與陶瓷層粉碎區(qū)中心在平行與靶面的平面內(nèi)的位置并不完全重合，說明先壓入玻璃層的陶瓷碎片位置并不統(tǒng)一，陶瓷錐底破壞順序具有隨機(jī)性。

圖11 沖擊實(shí)驗(yàn)后回收的標(biāo)記出背面玻璃層裂紋的復(fù)合靶Fig.11 Recovered composite targets marked with cracks in back glasslayersafter impact experiments

Strassburger 等[2]利用光彈儀獲得了子彈侵徹尖晶石單層靶中陶瓷應(yīng)變場及裂紋的演化，觀測結(jié)果顯示徑向裂紋是在擊靶點(diǎn)附近粉碎區(qū)形成后才出現(xiàn)的。據(jù)此可以推測徑向裂紋實(shí)際上是第一次裂紋分叉產(chǎn)生的。撞擊點(diǎn)形成的粉碎區(qū)是裂紋分叉形成的源頭，其形成大量預(yù)制細(xì)觀損傷為徑向裂紋擴(kuò)展創(chuàng)造前提條件，球面波產(chǎn)生的周向拉應(yīng)力則是形成Ⅰ型裂紋的驅(qū)動力。本文高速攝影中清晰的捕捉到了徑向裂紋在傳播一定距離后由二次分叉產(chǎn)生的裂紋簇(如圖12中藍(lán)色箭頭所指)特征。這些裂紋簇在相關(guān)侵徹實(shí)驗(yàn)中也能被觀察到[1-2]，然而少有研究關(guān)注于其破壞特征及數(shù)量變化規(guī)律。在本文實(shí)驗(yàn)中，沿周向分布的裂紋簇?cái)?shù)量可以由高速攝影確定。對于較偏離中心撞擊的幾發(fā)實(shí)驗(yàn)，總裂紋簇?cái)?shù)量由半周裂紋簇?cái)?shù)量乘以2獲得。這些裂紋簇具有以下3個(gè)典型特征：(1)沿周向均勻分布。(2)單個(gè)裂紋簇內(nèi)裂紋數(shù)量隨著撞擊速度的提高而增大，且裂紋簇?cái)?shù)量與撞擊速度相關(guān)。撞擊速度在(20～220 m/s)范圍內(nèi)，裂紋簇?cái)?shù)量隨著撞擊速度的提高而增大。當(dāng)撞擊速度提高到310 m/s時(shí)，裂紋簇?cái)?shù)量下降。(3)裂紋簇在單個(gè)徑向裂紋擴(kuò)展一定距離后才以分叉的形式出現(xiàn)?？梢钥闯?，這些裂紋簇是在撞擊產(chǎn)生的持續(xù)的拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。徑向裂紋和其分叉產(chǎn)生的裂紋簇良好的軸向均勻分布特性則體現(xiàn)了裂紋擴(kuò)展過程中應(yīng)力場從細(xì)觀尺度到宏觀尺度的轉(zhuǎn)變。由于裂紋擴(kuò)展階段存在競爭機(jī)制，優(yōu)勢微裂紋的擴(kuò)展勢必導(dǎo)致附近拉應(yīng)力場的釋放從而使附近微裂紋閉合，裂紋間距越小這種相互作用越強(qiáng)烈。由于優(yōu)勢微裂紋周圍應(yīng)力場的覆蓋范圍大小相似，在圓周范圍內(nèi)的形成了周期均勻的裂紋分布特征。裂紋簇?cái)?shù)量的增加體現(xiàn)了撞擊速度對應(yīng)力場的影響。接觸應(yīng)力的提高使得拉應(yīng)力升高，從而使?jié)M足擴(kuò)展條件的周向裂紋數(shù)量增加，因此裂紋更加密集。當(dāng)撞擊速度高于300 m/s時(shí)，裂紋簇?cái)?shù)量的降低可能與單個(gè)裂紋簇內(nèi)裂紋密度的增加有關(guān)。隨著徑向裂紋的擴(kuò)展，在均勻宏觀應(yīng)力場的作用下，裂紋之間間距增大使得相互作用減弱，裂紋擴(kuò)展不受相鄰裂紋應(yīng)力場影響，因此擴(kuò)展路徑較準(zhǔn)直。Strassburger 等[2]觀測到徑向裂紋之間均勻的應(yīng)變場體現(xiàn)了這點(diǎn)。

圖12 裂紋簇特征數(shù)量隨撞擊速度的變化Fig.12 Variation of number of crack crowns with impact velocity

3.2 細(xì)觀破壞特征

在3.1節(jié)的陶瓷層宏觀破壞特征中，存在典型的徑向、環(huán)向和陶瓷錐裂紋特征，形成這些破壞特征的宏觀驅(qū)動力有所區(qū)別。徑向裂紋在軸向拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生，環(huán)向裂紋在徑向壓縮載荷作用下產(chǎn)生，而錐裂紋在從陶瓷背面反射的拉伸波和邊界條件的綜合作用下產(chǎn)生。為探究這些裂紋在細(xì)觀尺度下的破壞特征及形成機(jī)理，同時(shí)探究諸如傳播距離、撞擊速度對這些裂紋的影響，將回收的陶瓷靶中包含這些裂紋的碎片取下利用掃描電鏡(scanning electron microscope，SEM)進(jìn)行細(xì)觀觀測。

圖13展示了典型的陶瓷斷面特征，首先在徑向、環(huán)向、錐裂紋斷面中均發(fā)現(xiàn)了A處的滑移帶、B 處塑性變形、C 處的沿晶、D處的穿晶斷裂特征，斷面上大部分特征為斷裂特征，塑性特征較少。圖14顯示了3種情況下由于斷面變向?qū)е铝鸭y擴(kuò)展模式由沿晶向穿晶轉(zhuǎn)變。不論是圖14(a)的兩斷面交叉、圖14(b)的單個(gè)斷面劇烈變向，還是圖14(c)的單個(gè)斷面緩和變向，均會出現(xiàn)明顯的破壞特征轉(zhuǎn)變。大多數(shù)斷裂面直接從沿晶主導(dǎo)區(qū)域變?yōu)榇┚е鲗?dǎo)區(qū)域，兩者的分界線一般是斷面交匯處。同時(shí)，觀察圖15的典型錐裂紋斷面，發(fā)現(xiàn)大面積碎片的斷面上穿晶斷裂的方向具有一致性，且與裂紋擴(kuò)展方向相同。在錐裂紋斷面中還可以觀察到明顯的宏觀波浪紋路特征，與圖14中斷裂面變向形成的破壞特征轉(zhuǎn)變相比，這些波浪峰兩邊的斷裂面模式?jīng)]有明顯差異(如圖15弧線峰處)，穿晶沿晶比例幾乎一致。在周期性交替的環(huán)向應(yīng)力的導(dǎo)引下，斷裂面產(chǎn)生了平滑的變向和波浪，最終又變?yōu)樵较蛐纬梢粋€(gè)完整的大斷面。該特征與細(xì)觀尺度下由應(yīng)力場改變產(chǎn)生的C形解理面相似，可見裂紋擴(kuò)展中應(yīng)力場對裂紋擴(kuò)展的影響是跨尺度的，使脆性陶瓷材料破壞特征具有分形的特性。

圖13 球形破片沖擊實(shí)驗(yàn)中YAG 陶瓷典型細(xì)觀斷面特征Fig.13 Typical microscopic fracture characteristics of YAG ceramic in spherical fragment impact experiment

圖14 不同情況下由于斷面變向?qū)е碌难鼐虼┚мD(zhuǎn)變Fig.14 Changes of intergranular and transgranular under three different conditions due to theturning of fracture surface

圖15 錐裂紋斷面特征Fig.15 Classical microscope characteristics of cone cracks

雖然3種裂紋擴(kuò)展過程中局部應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜且具有一定差異，局部破壞特征受到上述斷面方向等多種因素影響增大了隨機(jī)性，但在對大量碎片的觀測下，仍能發(fā)現(xiàn)破壞特征隨裂紋擴(kuò)展距離、撞擊速度的變化趨勢。圖15、16、17分別顯示了錐裂紋、環(huán)向和徑向裂紋斷面隨擴(kuò)展距離的變化。隨著裂紋擴(kuò)展距離的逐漸增大，斷裂面穿晶比例逐漸降低。該現(xiàn)象在靠近靶體自由面附近尤為明顯，如圖15中綠色線條指示部分所示。稀疏波的卸載使裂紋在碎片邊緣處的擴(kuò)展出現(xiàn)了大量的沿晶區(qū)。這種變化趨勢基本符合陶瓷斷裂耗能機(jī)制，隨著裂紋的擴(kuò)展和能量的消耗，裂紋擴(kuò)展能力減弱，材料破碎的劇烈程度降低。同時(shí)，圖16(a)中，在124 m/s撞擊速度下距撞擊點(diǎn)19.0 mm 處仍有大量穿晶斷裂，相較于尖晶石在加載速率更高的沖擊載荷下沿、穿晶斷裂分界面距撞擊點(diǎn)的距離（280 m/s下約18.0 mm）[14]，本文YAG陶瓷穿晶斷裂傳播距離更大。

圖16 124 m/s撞擊速度下，距撞擊中心3種不同距離處的環(huán)向裂紋斷面特征Fig.16 Fracture surfaces of ring cracks at three different distances from the impact point under the impact velocity of 124 m/s

圖17 124 m/s 的撞擊速度下，距撞擊中心3個(gè)不同距離處的徑向裂紋斷面特征Fig.17 Fracture surfacesof radial cracks at three different distancesfrom the impact point under the impact velocity of 124 m/s

撞擊速度對斷裂面破壞特性也有顯著影響，不同撞擊速度下徑向、環(huán)向、錐裂紋斷裂情況分別如圖18～20所示。從圖18～20可以清晰地看到，隨著撞擊速度的提高，到撞擊點(diǎn)距離相同的徑向、環(huán)向及錐裂紋沿晶斷裂減少，斷裂面更平直。撞擊速度的提高表明材料加載速率的提高，YAG 在高加載速率下裂紋擴(kuò)展慣性更強(qiáng)，裂紋趨于沿能耗更高的穿晶路徑擴(kuò)展，這與大多數(shù)陶瓷材料細(xì)觀觀測結(jié)果一致。

圖18 不同沖擊速度下，距離撞擊點(diǎn)20.0 mm 的徑向裂紋斷面特征Fig.18 Fracture surfaces of radial cracks at 20.0 mm away from impact points under different impact velocities

對比徑向、環(huán)向、錐裂紋的破壞特征，發(fā)現(xiàn)3種裂紋斷裂面沒有顯著的差別。在擴(kuò)展距離、撞擊速度、斷裂面變向等多種因素的影響下，斷裂面均出現(xiàn)了穿晶、沿晶等斷裂特征以及滑移帶等塑性變形痕跡，這些特征所占比例也在動態(tài)變化，這說明裂紋的宏觀驅(qū)動力并不會改變裂紋的細(xì)觀擴(kuò)展模式。透明陶瓷雖然孔隙度較低，但細(xì)觀尺度上仍包含大量初始缺陷，這些缺陷在局部拉伸載荷下會被激活并擴(kuò)展形成裂紋。在局部壓縮或者剪切載荷下，側(cè)向圍壓的存在會使裂紋閉合[16-17]，然而由于裂紋擴(kuò)展中細(xì)觀應(yīng)力場具有不均勻性，且拉伸擴(kuò)展的應(yīng)力閾值較低，利于拉伸擴(kuò)展的裂紋會優(yōu)先擴(kuò)展從而主導(dǎo)斷裂面的形成，因此在宏觀壓、剪載荷下斷裂面大部分細(xì)觀尺度的破壞特征均為拉伸斷裂特征。

圖19 不同沖擊速度下，距離撞擊點(diǎn)26.0 mm 的環(huán)向裂紋斷面特征Fig.19 Fracture surfaces of radial cracks at 26.0 mm away from impact points under different impact velocities

圖20 不同沖擊速度下，距離撞擊點(diǎn)17.0 mm 的錐裂紋斷面特征Fig.20 Intergranular and transgranular fracturesurfaces of cone cracksat 17.0 mm away from impact points under different impact velocities

4 結(jié) 論

開展了球形碳化鎢破片以20～310 m/s的速度撞擊YAG/玻璃/PC透明復(fù)合靶的實(shí)驗(yàn)，通過高速攝影捕捉了破片撞擊速度、回彈速度及撞擊過程中YAG陶瓷裂紋擴(kuò)展過程，獲得了裂紋擴(kuò)展速度曲線，利用回收實(shí)驗(yàn)后的靶體分析了粉碎區(qū)、陶瓷錐、裂紋簇等宏觀破壞特征與撞擊速度的關(guān)系，借助掃面電鏡觀察了典型徑向、環(huán)向及錐裂紋斷面的細(xì)觀破壞特征，獲得了斷面破壞特征與裂紋傳播距離、撞擊速度之間的關(guān)聯(lián)性，得到的主要結(jié)論如下；

（1）YAG 陶瓷層徑向裂紋和環(huán)向裂紋的擴(kuò)展速度均隨著時(shí)間的延長線性降低，且裂紋擴(kuò)展速度幾乎不受撞擊速度的影響。

（2）陶瓷層中心粉碎區(qū)面積隨撞擊速度的提高而增大，中間玻璃層顯著破壞區(qū)域與陶瓷錐底面積相關(guān)聯(lián)，陶瓷錐角與撞擊速度關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，破片回彈速度隨著撞擊速度的提高而提高。

（3）陶瓷層二次分叉形成的裂紋簇?cái)?shù)量隨著撞擊速度的提高而先增加后減少，且分布形式與細(xì)觀裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力場相互影響有關(guān)。

（4）裂紋變向會顯著改變細(xì)觀斷面破壞模式。裂紋擴(kuò)展過程中應(yīng)力場的變化使斷裂面在宏細(xì)觀尺度下均產(chǎn)生弧形破壞特征。3種裂紋的沿晶斷裂比例均隨著裂紋擴(kuò)展距離的增大而增加，且穿晶斷裂比例隨著撞擊速度的提高而增加。

本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為復(fù)合靶結(jié)構(gòu)抗沖擊破壞的實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)能夠?yàn)閿?shù)值模擬和理論分析提供研究基礎(chǔ)。