CN102928309B - 一种材料动态压痕实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料动态压痕实验方法，特点是先在入射杆上朝向透射杆的一端端面以及透射杆上朝向入射杆的一端端面分别固定设置被测试件，并在两个被测试件之间夹装压力球，然后在入射杆上粘贴第一应变片，在透射杆上粘贴第二应变片，并将第一应变片和第二应变片分别与超动态应变仪电连接，再撞击杆撞击入射杆，使得两个被测试件与压力球相互挤压形成压坑过程，最终通过处理后得到被测试件的压入力和压入位移的时程曲线；优点是通过该实验方法来测量材料的动态力学性能，避免了传统方法在压头与压杆联接处的阻抗失配现象以及动态加载时入射杆-压头联接处局部产生塑性变形的问题，故其测量精度高，实验的压入速度最高可达30m/s以上。

Description

一种材料动态压痕实验方法

技术领域

本发明涉及一种材料性能的实验测试方法，尤其涉及一种材料动态压痕实验方法。

背景技术

工程材料的力学行为受到其应力状态的明显影响，而在动态加载条件下，材料的力学行为更与加载的速度（具体度量为应变率）相关。材料硬度实验是工程界广泛采用的材料力学性能的测试方法，其简单有效，而仪器化压痕、纳米压痕实验技术则是传统硬义测量的进一步发展，可以测得压入过程的变形与受力，但现有技术仅限于材料的静态性能测试。虽然也有采用动态压入的实验技术如常见的里氏、肖氏硬度计等，但它们仅具有形式上的“动态”，并不能真正测得材料的动态力学特性。

目前也有采用霍普金森压杆来进行材料的动压痕实验测试，但现有的方法存在压头与压杆的波阻抗失配、压头与压杆联接处在冲击加载时会产生局部塑性变形等问题，使得其实验中压入量时程的测量误差较大；又由于动态力传感器的支承方式，使得压入力的测量不可避免地含有附加振荡，从而影响到测量精度并且限制了其在较高加载速度下的运用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量精度高且方法简单的材料动态压痕实验方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种材料动态压痕实验方法，包括以下具体步骤：

（1）、取满足一维应力波条件的入射杆和透射杆，入射杆和透射杆的材料相同、直径相等，在入射杆上朝向透射杆的一端端面以及透射杆上朝向入射杆的一端端面分别设置被测试件，并使被测试件与入射杆或透射杆满足波阻抗匹配条件ρ_sC_sA_s=ρ₀C₀A₀，其中：ρ_s表示被测试件的密度，C_s表示被测试件的一维应力波波速，A_s表示被测试件的横截面面积，ρ₀表示入射杆或透射杆的密度，C₀表示入射杆或透射杆的一维应力波波速，A₀表示入射杆或透射杆的横截面面积；

（2）、在两个被测试件之间夹装压力球；

（3）、在入射杆上粘贴第一应变片，在透射杆上粘贴第二应变片，并将第一应变片和第二应变片分别与超动态应变仪电连接，将超动态应变仪和计算机处理系统分别与数字示波器电连接；

（4）、用气炮发射撞击杆，撞击杆撞击入射杆，使得两个被测试件与压力球相互挤压形成压坑过程，同时粘贴在入射杆上的第一应变片测得入射波的应变信号ε_i(t)和反射波的应变信号ε_r(t)，粘贴在透射杆上的第二应变片测得透射波的应变信号ε_t(t)；

（5）、将所测得的入射波的应变信号ε_i(t)、反射波的应变信号ε_r(t)和透射波的应变信号ε_t(t)通过以下关系式及处理过程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_i(x_I,t)={\mathrm{\ϵ}}_i(t-x_1/C_0)\\ {\mathrm{\ϵ}}_r(x_I,t)={\mathrm{\ϵ}}_r(t+x_1/C_0)\\ {\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t)={\mathrm{\ϵ}}_t(t+x_2/C_0)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：x₁为第一应变片到入射杆与被测试件接触端面I的距离，x₂为第二应变片到透射杆与被测试件接触端面II的距离，ε_i(x_I,t)表示入射杆与被测试件接触端面I处的入射波应变信号，ε_r(x_I,t)表示入射杆与被测试件接触端面I处的反射波应变信号，ε_t(x_II,t)表示透射杆与被测试件接触端面II处的透射波应变信号；

P^*＝A₀E₀(ε_i(x_I,t)+ε_r(x_I,t))    (2)

其中：P*表示在压入过程开始后，入射杆与被测试件接触端面I处的压力，在某一时刻将有P*=0，记此时刻为t*；

当t≤t*时：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{.}{u}\left(t\right)=\frac{1}{2}{C}_0({\mathrm{\ϵ}}_i(x_I,t)-{\mathrm{\ϵ}}_r(x_I,t)-{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t))\\ u\left(t\right)=\frac{1}{2}{C}_0{\∫}_0^t({\mathrm{\ϵ}}_i(x_I,t)-{\mathrm{\ϵ}}_r(x_I,t)-{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t))\mathrm{dt}\\ P\left(t\right)=A_0{E}_0{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t)\end{array}\right.---\left(3\right)$

当t>t*时：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_0^{*}=C_0({\mathrm{\ϵ}}_i(x_I,t^{*})-{\mathrm{\ϵ}}_r(x_I,t^{*}))\\ \stackrel{.}{u}\left(t\right)=\frac{1}{2}(V_0^{*}-{\∫}_{t^{*}}^t(A_0{E}_0{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},\mathrm{\τ})/M)\mathrm{d\τ})\\ u\left(t\right)={\∫}_0^t\stackrel{.}{u}\left(t\right)\mathrm{dt}\\ P\left(t\right)=A_0{E}_0{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t)\end{array}\right.---\left(4\right)$

最终得到被测试件的压入力、压入速度和压入位移的时程曲线，从而用以进行材料的动态力学性能分析和研究；上述关系式（2）、（3）、（4）中，P表示作用在被测试件上的压入力、表示压力球压入被测试件的速度，u表示压力球压入被测试件的位移，E₀表示入射杆或透射杆材料的杨氏模量，M表示被测试件的质量，表示t*时刻的接触端面I的速度，ε_i(x_I,t^*)表示t*时刻入射杆与被测试件接触端面I处的入射波应变信号，ε_r(x_I,t^*)表示t*时刻入射杆与被测试件接触端面I处的反射波应变信号。

所述的被测试件的形状为圆柱形，所述的被测试件的直径大于所述的压力球直径的五倍，所述的被测试件的高度大于所述的压力球半径的五倍。

所采用的压力球的材料为硬质合金，如碳化钨。

在透射杆的尾端设置吸收杆，并在吸收杆的后侧设置吸能块，用以防止透射杆在撞击过程中被损坏。

所述的吸能块的材料为铅。

与现有技术相比，本发明的优点是通过该实验方法来测量材料的动态力学性能，避免了传统方法在压头与压杆联接处的阻抗失配现象以及动态加载时入射杆-压头联接处局部产生塑性变形的问题，故其测量精度高，实验的压入速度最高可达30m/s以上；且采用本方法，实验简单、成本低、可靠性高。

附图说明

图1为本发明中所使用的实验装置的结构示意图；

图2为图1中A处的放大示意图；

图3为本发明的实验测试信号；

图4为本发明得到的压入力和压入位移的关系曲线图；

图5为本发明得到的压入力时程曲线图；

图6为本发明得到的压入速度时程曲线图；

图7为本发明得到的压入位移时程曲线图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图所示，一种材料动态压痕实验方法，包括以下具体步骤：

（1）、取满足一维应力波条件的入射杆2和透射杆3，入射杆2和透射杆3的材料相同、直径相等，在入射杆2上朝向透射杆3的一端端面以及透射杆3上朝向入射杆2的一端端面分别设置圆柱形的被测试件7，并使被测试件7与入射杆2或透射杆3满足波阻抗匹配条件ρ_sC_sA_s=ρ₀C₀A₀，其中：ρ_s表示被测试件的密度，C_s表示被测试件的一维应力波波速，A_s表示被测试件的横截面面积，ρ₀表示入射杆或透射杆的密度，C₀表示入射杆或透射杆的一维应力波波速，A₀表示入射杆或透射杆的横截面面积；

（2）、在两个被测试件7之间夹装材料为硬质合金的压力球8；

（3）、在透射杆3的尾端设置吸收杆9，在吸收杆9的后侧设置材料为铅的吸能块10；

（4）、在入射杆2上粘贴第一应变片21，在透射杆3上粘贴第二应变片31，并将第一应变片21和第二应变片31分别与超动态应变仪4电连接，将超动态应变仪4和计算机处理系统6分别与数字示波器5电连接；

（5）、用气炮发射撞击杆1，撞击杆1撞击入射杆2，使得两个被测试件7与压力球8相互挤压形成压坑过程，同时粘贴在入射杆2上的第一应变片21测得入射波的应变信号ε_i(t)和反射波的应变信号ε_r(t)，粘贴在透射杆3上的第二应变片31测得透射波的应变信号ε_t(t)；

（6）、将所测得的入射波的应变信号ε_i(t)、反射波的应变信号ε_r(t)和透射波的应变信号ε_t(t)通过以下关系式及处理过程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_i(x_I,t)={\mathrm{\ϵ}}_i(t-x_1/C_0)\\ {\mathrm{\ϵ}}_r(x_I,t)={\mathrm{\ϵ}}_r(t+x_1/C_0)\\ {\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t)={\mathrm{\ϵ}}_t(t+x_2/C_0)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：x₁为第一应变片21到入射杆2与被测试件7接触端面I的距离，x₂为第二应变片31到透射杆3与被测试件7接触端面II的距离，ε_i(x_I,t)表示入射杆2与被测试件7接触端面I处的入射波应变信号，ε_r(x_I,t)表示入射杆2与被测试件7接触端面I处的反射波应变信号，ε_t(x_II,t)表示透射杆3与被测试件7接触端面II处的透射波应变信号；

P^*＝A₀E₀(ε_i(x_I,t)+ε_r(x_I,t))    (2)

其中：P*表示在压入过程开始后，入射杆2与被测试件7接触端面I处的压力，在某一时刻将有P*=0，记此时刻为t*；

当t≤t*时：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{.}{u}\left(t\right)=\frac{1}{2}{C}_0({\mathrm{\ϵ}}_i(x_I,t)-{\mathrm{\ϵ}}_r(x_I,t)-{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t))\\ u\left(t\right)=\frac{1}{2}{C}_0{\∫}_0^t({\mathrm{\ϵ}}_i(x_I,t)-{\mathrm{\ϵ}}_r(x_I,t)-{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t))\mathrm{dt}\\ P\left(t\right)=A_0{E}_0{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t)\end{array}\right.---\left(3\right)$

当t>t*时：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_0^{*}=C_0({\mathrm{\ϵ}}_i(x_I,t^{*})-{\mathrm{\ϵ}}_r(x_I,t^{*}))\\ \stackrel{.}{u}\left(t\right)=\frac{1}{2}(V_0^{*}-{\∫}_{t^{*}}^t(A_0{E}_0{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},\mathrm{\τ})/M)\mathrm{d\τ})\\ u\left(t\right)={\∫}_0^t\stackrel{.}{u}\left(t\right)\mathrm{dt}\\ P\left(t\right)=A_0{E}_0{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t)\end{array}\right.---\left(4\right)$

最终得到被测试件的压入力、压入速度和压入位移的时程曲线，从而用以进行材料的动态力学性能分析和研究；上述关系式（2）、（3）、（4）中，P表示作用在被测试件上的压入力、表示压力球压入被测试件的速度，u表示压力球压入被测试件的位移，E₀表示入射杆或透射杆材料的杨氏模量，M表示被测试件的质量，表示t*时刻的接触端面I的速度，ε_i(x_I,t^*)表示t*时刻入射杆2与被测试件7接触端面I处的入射波应变信号，ε_r(x_I,t^*)表示t*时刻入射杆2与被测试件7接触端面I处的反射波应变信号。

上述实施例中，被测试件7的直径大于压力球8直径的五倍，被测试件7的高度大于压力球8半径的五倍。

Claims (5)

1.一种材料动态压痕实验方法，取满足一维应力波条件的入射杆和透射杆，入射杆和透射杆的材料相同、直径相等，其特征在于包括以下具体步骤：

(1)、在入射杆上朝向透射杆的一端端面以及透射杆上朝向入射杆的一端端面分别设置被测试件，并使被测试件与入射杆或透射杆满足波阻抗匹配条件ρ_sC_sA_s＝ρ₀C₀A₀，其中：ρ_s表示被测试件的密度，C_s表示被测试件的一维应力波波速，A_s表示被测试件的横截面面积，ρ₀表示入射杆或透射杆的密度，C₀表示入射杆或透射杆的一维应力波波速，A₀表示入射杆或透射杆的横截面面积；

(2)、在两个被测试件之间夹装压力球；

(3)、在入射杆上粘贴第一应变片，在透射杆上粘贴第二应变片，并将第一应变片和第二应变片分别与超动态应变仪电连接，将超动态应变仪和计算机处理系统分别与数字示波器电连接；

(4)、用气炮发射撞击杆，撞击杆撞击入射杆，使得两个被测试件与压力球相互挤压形成压坑过程，同时粘贴在入射杆上的第一应变片测得入射波的应变信号ε_i(t)和反射波的应变信号ε_r(t)，粘贴在透射杆上的第二应变片测得透射波的应变信号ε_t(t)；

(5)、将所测得的入射波的应变信号ε_i(t)、反射波的应变信号ε_r(t)和透射波的应变信号ε_t(t)通过以下关系式及处理过程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_i(x_I,t)={\mathrm{\ϵ}}_i(t-x_1/C_0)\\ {\mathrm{\ϵ}}_r(x_I,t)={\mathrm{\ϵ}}_r(t+x_1/C_0)\\ {\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t)={\mathrm{\ϵ}}_t(t+x_2/C_0)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：x₁为第一应变片到入射杆与被测试件接触端面I的距离，x₂为第二应变片到透射杆与被测试件接触端面II的距离，ε_i(x_Ⅰ,t)表示入射杆与被测试件接触端面I处的入射波应变信号，ε_r(x_Ⅰ,t)表示入射杆与被测试件接触端面I处的反射波应变信号，ε_t(x_II,t)表示透射杆与被测试件接触端面II处的透射波应变信号；

P^*＝A₀E₀(ε_i(x_I,t)+ε_r(x_I,t))                      (2)

其中：P*表示在压入过程开始后，入射杆与被测试件接触端面I处的压力，在某一时刻将有P*＝0，记此时刻为t*；

当t≤t*时：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{u}\left(t\right)=\frac{1}{2}{C}_0({\mathrm{\ϵ}}_i(x_I,t)-{\mathrm{\ϵ}}_r(x_I,t)-{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t))\\ u\left(t\right)=\frac{1}{2}{C}_0{\∫}_0^t({\mathrm{\ϵ}}_i(x_I,t)-{\mathrm{\ϵ}}_r(x_I,t)-{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t))\mathrm{dt}\\ P\left(t\right)=A_0{E}_0{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t)\end{array}\right.---\left(3\right)$

当t>t*时：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_0^{*}=C_0({\mathrm{\ϵ}}_i(x_I,t^{*})-{\mathrm{\ϵ}}_r(x_I,t^{*}))\\ \stackrel{\·}{u}\left(t\right)=\frac{1}{2}(V_0^{*}-{\∫}_{t^{*}}^t(A_0{E}_0{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},\mathrm{\τ})/M)\mathrm{d\τ})\\ u\left(t\right)={\∫}_0^t\stackrel{\·}{u}\left(t\right)\mathrm{dt}\\ P\left(t\right)=A_0{E}_0{\mathrm{\ϵ}}_t(x_{\mathrm{II}},t)\end{array}\right.---\left(4\right)$

最终得到被测试件的压入力、压入速度和压入位移的时程曲线，从而用以进行材料的动态力学性能分析和研究；上述关系式(2)、(3)、(4)中，P表示作用在被测试件上的压入力、表示压力球压入被测试件的速度，u表示压力球压入被测试件的位移，E₀表示入射杆或透射杆材料的杨氏模量，M表示被测试件的质量，表示t*时刻的接触端面I的速度，ε_i(x_Ⅰ,t^*)表示t*时刻入射杆与被测试件接触端面I处的入射波应变信号，ε_r(x_Ⅰ,t^*)表示t*时刻入射杆与被测试件接触端面I处的反射波应变信号。

2.如权利要求1所述的一种材料动态压痕实验方法，其特征在于所述的被测试件的形状为圆柱形，所述的被测试件的直径大于所述的压力球直径的五倍，所述的被测试件的高度大于所述的压力球半径的五倍。

3.如权利要求1所述的一种材料动态压痕实验方法，其特征在于所采用的压力球的材料为硬质合金。

4.如权利要求1所述的一种材料动态压痕实验方法，其特征在于在透射杆的尾端设置吸收杆，并在吸收杆的后侧设置吸能块。

5.如权利要求4所述的一种材料动态压痕实验方法，其特征在于所述的吸能块的材料为铅。