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材料在冲击拉伸载荷的作用下常常会断裂成多个碎片,对材料动态碎裂机制的研究是力学、应用物理学、航空航天和兵器工程等多个领域共同关心的重要课题。关于材料的碎裂化现象,一个直观的问题是：在给定材料性能及载荷条件时,能否成功预测产生碎片的几何尺寸?而更进一步的问题则是：产生碎片的尺寸有没有统计特征?针对韧性金属材料,Grady和Kipp将一个与断裂能相关的内聚力断裂模型引入Mott卸载波传播分析中,推导出了一个预测韧性材料拉伸碎裂过程中产生碎片的平均尺度的公式。为检验该公式的适用性,本文利用ABAQUS/Explicit动态有限元软件模拟了一维应力状态下的弹塑性金属(45号钢杆和TU1无氧铜膨胀环)在高应变率拉伸变形过程中的碎裂现象,并研究了Grady-Kipp公式中的关键参数如应变率、材料断裂能和材料密度对碎裂过程的影响。研究结果表明：Grady-Kipp公式在广泛的材料参数和应变率范围内能较好地预测碎裂过程中产生的碎片的平均尺寸。为研究韧性碎片的分布规律,通过对具有不同初始膨胀速度的膨胀环断裂产生的碎片尺寸进行统计分析发现：1)无论初始膨胀速度如何,碎片归一化尺寸的分布具有相似性,可以用一个统一的具有初始阈值的Weibull分布来描述,这个分布还可以近似的简化为Rayleigh分布；2)碎片尺寸的累积分布曲线呈现阶梯特性,表现出较为明显的“量子化”特性。建立了一个Monte-Carlo模型,概率模拟结果表明：碎片尺寸分布的阶梯分布特性与初始颈缩间距的分布特性相关,初始颈缩间距分布所服从的Weibull分布的宽度决定了后期碎片尺寸分布的光滑程度,颈缩间距分布的跨度越小,碎片尺寸分布的“量子化”特性越明显。在材料制造和试件加工过程中不可避免地会引入初始缺陷,这些缺陷的空间分布往往具有一定规律。为研究初始缺陷对材料高应变率碎裂过程的影响,本文采用有限元方法模拟了具有周期性几何缺陷的韧性金属圆杆在高应变率拉伸过程中的碎裂现象。模拟结果表明：1)与无初始缺陷的韧性杆件相比,具有一定幅值的初始缺陷的杆件在同等拉伸速度下发生断(碎)裂的时刻一般提前；2)初始缺陷对碎片的尺寸和大小分布具有明显影响,在一定的应变率范围内,周期性缺陷完全控制了韧性材料碎裂过程中产生碎片的个数,可称这个碎裂过程为“缺陷控制碎裂”；3)改变初始缺陷的空间间距和幅值,出现“缺陷控制碎裂”的应变率窗口将发生明显变化。并进一步讨论了具有双幅值和双周期的复合缺陷对拉伸碎裂过程的影响。提出了一种基于分离式Hopkinson压杆(SHPB)的冲击膨胀环实验装置,为研究材料的动态拉伸碎裂问题提供了一种简单实用的加载方式。实验装置包括一个液压腔,一侧为驱动活塞,另一侧为圆环试件封闭。对活塞施加轴向冲击,利用液体体积近似不可压缩的特性,通过液压腔截面积的大比例缩小,将较低速度的对活塞冲击转化为高速的圆环试件沿径向膨胀,从而驱动试件发生拉伸变形直至断(碎)裂。利用此冲击膨胀环实验技术,获得了韧性金属环在不同速度下的碎裂结果。断口分析表明韧性金属环断口均是由周向拉伸应力拉伸断裂而成。随着子弹撞击速度增大,韧性金属的表观断裂应变呈增加的趋势,碎裂产生的碎片尺度呈减小趋势。采用理论方法分析了刚-理想塑性材料中,多个等间距裂纹同时开动时的卸载波(Mott波)传播、以及裂纹之间材料的卸载过程。模拟分析了中间位置包含缺陷的一维弹塑性杆的高应力率拉伸下的碎裂过程,计算结果显示初始长度和碎裂时间之间关系呈U型关系,即存在一个最优裂纹间距,对应于最快的裂纹体卸载过程。而最优裂纹间距的位置均落于Grady-Kipp公式给出的韧性碎片尺寸分布附近,即Grady-Kipp等给出的韧性材料碎片尺寸恰好对应着最快速卸载原理。数值方法模拟了二维弹塑性平板在高应变率拉伸过程中的碎裂现象,通过对碎裂过程产生碎片的平均尺度的分析来验证Grady二维韧性碎裂尺度公式的适用性。模拟结果表明,Grady推广的二维碎片尺度公式显著高估了碎片尺度,理论碎片面积值约为数值实验结果4-5倍。相对一维情况下,二维碎裂过程中两轴的拉伸载荷使得颈缩发展历程较短,材料提前断裂,从而Mott波传播距离相对较短了,进而碎片尺度更小。