基于数字图像相关技术的楔形缺口圆端试样在脆性材料高速动态裂纹扩展测试中的创新应用

针对脆性材料在极端动态载荷下高速裂纹扩展机制不清的问题，Weiting Gao团队开发了楔形缺口圆端(WNCE)试样，结合分体式霍普金森压杆(SHPB)系统和350 kfps超高速数字图像相关(DIC)技术，首次实现了PMMA材料从启裂至近瑞利波速(1211.99 m/s)的全过程定量测量，为防护材料设计和动态断裂模型校准提供了新范式。

　　

脆性材料在冲击、爆炸等极端载荷下的高速裂纹扩展行为，是决定防护结构安全性的核心问题。当裂纹速度接近材料瑞利波速(Rayleigh wave speed)时，会引发灾难性破坏，但传统实验方法受限于试样几何设计，难以捕捉这一关键阶段的定量数据。现有三类点弯梁、巴西圆盘等试样普遍存在有效裂纹路径短(<50 mm)、无法避免二次冲击干扰等缺陷，导致对近瑞利波速区裂纹动力学特性的认知空白。这一瓶颈严重制约了超高性能混凝土、装甲陶瓷等关键防护材料的研发。

针对这一挑战，四川大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，创新性提出楔形缺口圆端(Wedge-Notch Circular-End, WNCE)试样设计。该设计通过20°自触发楔形缺口实现纯I型断裂，75 mm无障碍韧带提供充足加速距离，半圆形尾部则实现与加载杆的被动解耦。结合分体式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB)和350,000帧/秒超高速数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)系统，首次完整记录了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)从启裂至0.96倍瑞利波速(1210.99 m/s)的全过程应变场演化。

关键技术包括：(1)WNCE试样的几何优化设计，实现单脉冲加载下的自解耦；(2)SHPB系统施加255-790 GPa/s的应力率斜坡；(3)350 kfps DIC系统配合1%应变阈值法精确追踪裂纹尖端；(4)基于波速测量验证一维应力波平衡假设。实验选用PMMA因其较低波速(纵向波速2382 m/s)便于在有限时间窗口内观测近极限速度现象。

【3.1 试样冲击加载全过程】高速影像显示WNCE试样的断裂分为三阶段：楔形缺口处的应力集中引发单裂纹启裂；75 mm韧带区实现稳定加速；半圆形尾部确保试样完全分离前即与杆件解耦，避免了占比达38%的二次冲击干扰。

【3.2 应力波结果】在255-790 GPa/s四个加载速率下，入射波与反射波始终保持平衡(波动系数<5%)，验证了WNCE试样与SHPB系统的兼容性。超高速率组(790 GPa/s)首次观测到双速度峰现象：启裂初期达到1023 m/s，经短暂减速后因累积应变能释放再度加速至1211 m/s。

【3.3 位移与应变场】DIC分析显示X向位移场幅值从启裂时的0.015 mm增至0.743 mm，Y向位移梯度对称性证实纯I型断裂。裂纹张开位移(COD)曲线显示，在x=2.5-50 mm监测点处斜率一致性误差<7%，表明稳态扩展阶段能量耗散均衡。主应变场呈现自相似的"火焰状"演化，过程区宽度恒定(2.1±0.3 mm)，满足J积分应用条件。

【3.4 裂纹扩展速度】采用1%应变阈值法提取的瞬时速度显示，随着加载率从255 GPa/s提升至790 GPa/s，最大裂纹速度从624.78 m/s(0.5C_R)增至1210.99 m/s(0.96C_R)，其中C_R=1261 m/s为PMMA的瑞利波速。相较传统试样(如三点弯梁0.47C_R、巴西圆盘0.3C_R)，WNCE首次使脆性材料裂纹在实验室尺度逼近理论极限速度。

讨论指出，WNCE试样的核心突破在于解决了"长韧带"与"单脉冲"这对矛盾需求：75 mm韧带提供比SCSC试样(50 mm)更长的加速距离，而半圆形尾部设计使二次冲击能量降低至常规试样的1/5。该设计为建立包含近瑞利波速区的动态断裂本构模型提供了三类关键数据：裂纹速度-应力率关系、过程区尺寸演化规律、以及COD速率相关性。在工程应用层面，研究揭示当裂纹速度超过0.8C_R时，PMMA的比断裂能消耗骤增2.7倍，这对陶瓷装甲的碎片云控制、深地工程岩爆预警具有直接指导价值。

这项研究创立了脆性材料超高速断裂测试的新标准，其方法论可推广至玻璃、陶瓷等高波速材料。未来通过结合X射线高速成像，有望进一步揭示微观缺陷与宏观裂纹加速度的跨尺度关联规律。