CN103018123B - 一种高速加载材料动态压痕实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速加载材料动态压痕实验方法，特点是先在圆截面压杆的前端端面固定设置圆柱形被测试件，并在压杆上粘贴应变片，将应变片与超动态应变仪电连接，然后在被测试件的前方固定安装光触发测速装置，再用弹丸发射装置发射弹丸，弹丸穿过光触发测速装置撞击被测试件，最终通过关系式得到被测试件的压入力、压入速度和压入位移时程；优点是通过该实验方法可测得被测试件在受撞击过程中的动态力学特性（如：压入力、压入速度和压入位移的时程），以便于更深入地研究材料的动态力学性能，而且本方法可适用于较高的冲击速度，其冲击速度可达100m/s；同时，该实验方法的测量精度高、数据处理方法简单。

Description

一种高速加载材料动态压痕实验方法

技术领域

本发明涉及一种材料动态特性的实验方法，尤其涉及一种高速加载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。

而在高速度加载条件下的动压痕实验，目前基本上是直接采用弹丸撞击被测试物，然后通过撞击结束后的压痕深度及弹丸初速来估计被测材料的动态力学性能，其无法测得材料在受撞击过程中的动态力学特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可测得材料在受高速冲击过程中的动态力学特性的高速加载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：一种高速加载材料动态压痕实验方法，包括以下具体步骤：

（1）、在圆截面压杆的前端端面固定设置圆柱形被测试件，并使被测试件的半径等于或略小于压杆的半径；

（2）、在压杆上粘贴应变片，并将应变片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；

（3）、在被测试件的前方固定安装光触发测速装置；

（4）、用弹丸发射装置发射弹丸，并控制弹丸的初速度不大于100m/s，弹丸穿过光触发测速装置撞击被测试件，光触发测速装置测得弹丸初速度同时粘贴在压杆上的应变片测得应变信号ε_t(t)；

（5）、将所测得的弹丸初速度应变信号ε_t(t)代入关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_t(x_I,t)={\mathrm{\ϵ}}_t(t+x_1/C_0)\\ \stackrel{\·}{u}\left(t\right)={\stackrel{\·}{u}}_0-{\∫}_0^t\frac{A_0{E}_0}{m_b}{\mathrm{\ϵ}}_t(x_I,\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}\\ u\left(t\right)={\∫}_0^t({\stackrel{\·}{u}}_0-{\∫}_0^{\mathrm{\ξ}}\frac{A_0{E}_0}{m_b}{\mathrm{\ϵ}}_t(x_I,\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ})\mathrm{d\ξ}\\ P\left(t\right)=A_0{E}_0{\mathrm{\ϵ}}_t(x_I,t)\end{array}\right.---\left(1\right)$

得到被测试件的压入力、压入速度和压入位移时程，上述关系式（1）中，P表示弹丸压入过程中的压入力、表示弹丸的压入速度，u表示弹丸的压入位移，A₀表示压杆的横截面面积，E₀表示压杆材料的杨氏模量，C₀表示压杆中的一维应力波波速，m_b表示弹丸的质量，ε_t(xI,t)表示被测试件与压杆接触端面处的应力波应变信号，x₁表示应变片至被测试件与压杆接触端面的距离。

所述的弹丸的直径为1～2mm，所述的被测试件的直径大于等于所述的弹丸直径的4倍，所述的被测试件的厚度大于等于所述的弹丸直径的2倍。

所述的光触发测速装置包括触发计时器、两根并排设置的激光管和两根位置与所述的激光管上下对应的光敏管，所述的光敏管位于所述的激光管的下方，所述的光敏管与所述的触发计时器电连接。

所述的弹丸的材料为硬质合金。

所述的弹丸发射装置为高压气炮。

在压杆的尾端固定设置吸能块，所述的吸能块的材料为铅，以防止压杆在撞击的过程中被损坏。

与现有技术相比，本发明的优点是通过该实验方法可测得被测试件在受撞击过程中的动态力学特性（如：压入力、压入速度和压入位移的时程），以便于更深入地研究材料的动态力学性能，而且本方法可适用于较高的冲击速度，其冲击速度可达100m/s；同时，该实验方法的测量精度高、数据处理方法简单。

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为本发明的实验测试信号；

图3为本发明测试得到的压入力和压入位移的关系曲线图；

图4为本发明得到的压入力时程曲线图；

图5为本发明得到的压入速度时程曲线图；

图6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，一种高速加载材料动态压痕实验方法，包括以下具体步骤：

(1)、在圆截面压杆3的前端端面固定设置圆柱形被测试件7，并使被测试件7的半径略小于压杆3的半径；

(2)、在压杆3上粘贴应变片31，并将应变片31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，然后在压杆3的尾端固定设置材料为铅的吸能块32；

(3)、在被测试件7的前方固定安装光触发测速装置，光触发测速装置包括触发计时器10、两根并排设置的激光管8和两根位置与激光管8上下对应的光敏管9，光敏管9位于激光管8的下方，光敏管9与触发计时器10电连接；

(4)、用高压气炮1发射材料为硬质合金的弹丸2，并控制弹丸2的初速度不大于100m/s，弹丸2穿过光触发测速装置撞击被测试件7，光触发测速装置测得弹丸初速度同时粘贴在压杆3上的应变片31测得应变信号ε_t(t)；

(5)、将所测得的弹丸初速度应变信号ε_t(t)代入关系式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_t(x_I,t)={\mathrm{\ϵ}}_t(t+x_1/C_0)\\ \stackrel{\·}{u}\left(t\right)={\stackrel{\·}{u}}_0-{\∫}_0^t\frac{A_0{E}_0}{m_b}{\mathrm{\ϵ}}_t(x_I,\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}\\ u\left(t\right)={\∫}_0^t({\stackrel{\·}{u}}_0-{\∫}_0^{\mathrm{\ξ}}\frac{A_0{E}_0}{m_b}{\mathrm{\ϵ}}_t(x_I,\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ})\mathrm{d\ξ}\\ P\left(t\right)=A_0{E}_0{\mathrm{\ϵ}}_t(x_I,t)\end{array}\right.---\left(1\right)$

得到被测试件的压入力、压入速度和压入位移时程，上述关系式（1）中，P表示弹丸2压入过程中的压入力、表示弹丸2的压入速度，u表示弹丸2的压入位移，A₀表示压杆3的横截面面积，E₀表示压杆3材料的杨氏模量，C₀表示压杆3中的一维应力波波速，m_b表示弹丸2的质量，ε_t(x_I,t)表示被测试件7与压杆3接触端面处的应力波应变信号，x₁表示应变片31至被测试件7与压杆3接触端面的距离。

上述实施例中，弹丸2的直径在1～2mm的范围内选择，被测试件7的直径大于等于弹丸2直径的4倍，被测试件7的厚度大于等于弹丸2直径的2倍。

Claims (5)

1.一种高速加载材料动态压痕实验方法，其特征在于包括以下具体步骤：

(1)、在圆截面压杆的前端端面固定设置圆柱形被测试件，并使被测试件的半径等于或略小于压杆的半径；

(2)、在压杆上粘贴应变片，并将应变片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；

(3)、在被测试件的前方固定安装光触发测速装置，所述的光触发测速装置包括触发计时器、两根并排设置的激光管和两根位置与所述的激光管上下对应的光敏管，所述的光敏管位于所述的激光管的下方，所述的光敏管与所述的触发计时器电连接；

(4)、用弹丸发射装置发射弹丸，并控制弹丸的初速度不大于100m/s，弹丸穿过光触发测速装置撞击被测试件，光触发测速装置测得弹丸初速度，同时粘贴在压杆上的应变片测得应变信号ε_t(t)；

(5)、将所测得的弹丸初速度、应变信号ε_t(t)代入关系式：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_t(x_I,t)={\mathrm{\ϵ}}_t(t+x_1/C_0)\\ \stackrel{\·}{u}\left(t\right)={\stackrel{\·}{u}}_0-{\∫}_0^t\frac{A_0{E}_0}{m_b}{\mathrm{\ϵ}}_t(x_I,\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}\\ u\left(t\right)={\∫}_0^t({\stackrel{\·}{u}}_0-{\∫}_0^{\mathrm{\ξ}}\frac{A_0{E}_0}{m_b}{\mathrm{\ϵ}}_t(x_I,\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ})\\ P\left(t\right)=A_0{E}_0{\mathrm{\ϵ}}_t(x_I,t)\end{array},\mathrm{d\ξ}---\left(1\right)$

得到被测试件的压入力、压入速度和压入位移时程，上述关系式(1)中，P表示弹丸压入过程中的压入力、表示弹丸的压入速度，u表示弹丸的压入位移，A₀表示压杆的横截面面积，E₀表示压杆材料的杨氏模量，C₀表示压杆中的一维应力波波速，m_b表示弹丸的质量，ε_t(x_Ⅰ,t)表示被测试件与压杆接触端面处的应力波应变信号，x₁表示应变片至被测试件与压杆接触端面的距离。

2.如权利要求1所述的一种高速加载材料动态压痕实验方法，其特征在于所述的弹丸的直径为1～2mm，所述的被测试件的直径大于等于所述的弹丸直径的4倍，所述的被测试件的厚度大于等于所述的弹丸直径的2倍。

3.如权利要求1所述的一种高速加载材料动态压痕实验方法，其特征在于所述的弹丸的材料为硬质合金。

4.如权利要求1所述的一种高速加载材料动态压痕实验方法，其特征在于所述的弹丸发射装置为高压气炮。

5.如权利要求1所述的一种高速加载材料动态压痕实验方法，其特征在于在压杆的尾端固定设置吸能块，所述的吸能块的材料为铅。