CN103091251A - 基于激光冲击波技术的材料屈服强度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光冲击波技术的材料屈服强度检测方法，利用应变片检测激光冲击加载材料的动态应变数据，根据采集的动态应变数据和材料的Johnson-Cook动态本构模型求解材料的动态应力-时间曲线，曲线中动态应力不随时间变化的数值即为材料的屈服强度。本发明与现有的测量方法相比，方法简单，不需要专门的设备和标准试样，测量原理明显，能直接进行理论求解。激光冲击波瞬时冲击加载为非接触式加载，作用力大，材料变形量较大，测量结果为加载部位材料的屈服强度，尤其适用于受冲击载荷材料的力学性能参数标定。

Description

基于激光冲击波技术的材料屈服强度检测方法

技术领域

本发明涉及材料检测技术领域，具体涉及材料屈服强度检测方法，特指一种基于激光冲击波技术的材料屈服强度检测方法。

背景技术

激光冲击波技术利用短脉冲（几十纳秒）的高峰值功率密度（大于10⁹W/cm²）激光束产生高强度压力冲击波，作用于金属材料表面并向内部传播，使材料发生特定的效应，实现对材料的处理、加工、成形和检测。目前，激光冲击波技术在工程领域的主要应用包括激光冲击强化技术、激光冲击成形技术、激光冲击打标、激光冲击波检测膜基界面结合强度等。然而，关于激光冲击波技术在材料屈服强度检测方面的运用未见报道。

材料力学性能是评价材料质量的主要指标，也是进行工程设计与计算的主要依据，随着工业技术发展，对材料的各种力学性能要求越来越高，这就要求对材料进行精确的试验。目前单轴拉伸测量法和压入测量法是获得材料力学性能最常用的测量手段。前者需要制备专门的标准拉伸试样，得到的是材料的平均力学性能参数。后者测量过程中压头与材料接触，材料变形量小，且处于复杂的三轴应力状态，很难直接进行理论求解。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于激光冲击波技术的材料屈服强度检测方法；该基于激光冲击波技术的材料屈服强度检测方法方法简单，不需要专门的设备和标准试样；测量原理明显，能直接进行理论求解。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于激光冲击波技术的材料屈服强度检测方法，包括以下步骤：

（1）利用激光冲击波冲击材料表面，同时采用动态应变仪采集不同时间时三个应变片的动态应变数据；所述三个应变片粘贴在材料冲击面的背面，三个应变片轴线交于一点，交点与冲击面的光斑中心对应，三个应变片的粘贴位置与交点的距离不小于激光冲击光斑半径；所述材料受冲击区域涂有吸收层，吸收层上覆盖约束层；

（2）利用某一时间点的动态应变数据，求解该时间点的最大主应变ε₁和最小主应变ε₂；

将步骤（1）采集的动态应变数据代入公式（1）和公式（2）求解ε₁和ε₂；

${\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\α}}_i}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x+{\mathrm{\ϵ}}_y}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_y}{2}{\cos 2\mathrm{\α}}_i-\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}}{2}{\sin 2\mathrm{\α}}_i---\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{1,2}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x+{\mathrm{\ϵ}}_y}{2}\±\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_y}{2}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}}{2}\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，i分别为1、2和3；

和分别为相邻两个应变片的夹角，α₁、α₂和α₃分别为三个应变片的动态应变数据；

（3）求解等效应变；

将步骤（2）中的得到的最大主应变ε₁和最小主应变ε₂代入公式（3）求解等效应变ε；

$\mathrm{\ϵ}=\frac{2}{3}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1^2-{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_2^2}---\left(3\right)$

（4）根据材料的Johnson-Cook动态本构模型求解动态应力；所述Johnson-Cook动态本构模型表达式为：

$\mathrm{\σ}=[A+B{\mathrm{\ϵ}}^n][1+C\ln {\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{*}]---\left(4\right)$

其中，σ为动态应力，A、B、C为材料强度相关系数，

为无量纲化应变率变量，n为应变硬化指数，ε为步骤（3）中得到的等效应变；

（5）重复执行步骤（2）-（4），直至遍历所有时间点；

（6）将动态应力σ绘制成动态应力-时间曲线，所述动态应力-时间曲线中动态应力不随时间变化的数值即为材料的屈服强度。

本发明的进一步设置在于，所述激光冲击波的压力大于材料动态屈服强度的2.5倍。

本发明所述的基于激光冲击波技术的材料屈服强度检测方法，利用应变片检测激光冲击加载材料的动态应变数据，根据采集的动态应变数据和材料的Johnson-Cook动态本构模型求解材料的动态应力-时间曲线，曲线中动态应力不随时间变化的数值即为材料的屈服强度。本发明与现有的测量方法相比，具有以下优点：

（1）方法简单，不需要专门的设备和标准试样，测量原理明显，能直接进行理论求解。

（2）激光冲击波瞬时冲击加载为非接触式加载，作用力大，材料变形量较大，测量结果为加载部位材料的屈服强度，尤其适用于受冲击载荷材料的力学性能参数标定。

（3）采集试样背面的动态应变数值，应变片不受激光能量的影响，同时激光冲击波压力大，作用时间短，Johnson-Cook动态本构模型不考虑温度变化的影响，简化了温度参数的测定。

附图说明

图1是本发明的实验装置的结构示意图；

图2是2024铝合金试样背面应变片粘贴位置图；

图3是厚度为1.3mm的2024铝合金薄板背面动态应力--时间曲线；

图4是厚度为1.7mm的2024铝合金薄板背面动态应力--时间曲线；

1、激光器；2、激光光束3、反射镜；4、材料；5、约束层；6、吸收层；7、应变片；8、工作台；9、动态应变仪；10、计算机；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

本发明所述基于激光冲击波技术的材料屈服强度检测方法利用激光冲击波单次冲击加载薄板试样，试样厚度为1mm至2mm，同时通过动态应变仪实时在线采集试样背面应变花的动态应变数据，根据采集的动态应变数据和材料的Johnson-Cook动态本构模型求解材料的动态应力-时间曲线，曲线中动态应力不随时间变化的数值即为材料的屈服强度。其中，所述激光冲击波的压力应大于薄板试样材料动态屈服强度的2.5倍，且可根据薄板试样的厚度适当增加激光冲击波压力。其中，所述应变花由三个应变片组成，且粘贴于试样背面，三个应变片轴线交于一点，交点与冲击面光斑中心对应，三个应变片粘贴位置与交点的距离不小于激光冲击光斑半径，相邻应变片的夹角分别设为

所述Johnson-Cook动态本构模型不考虑温度变化的影响。由于采集的动态应变数值是试样背面的，且激光冲击波压力作用时间短，温升不影响测量结果的精度。

一种基于激光冲击波技术的材料屈服强度检测方法，具体包括以下步骤：

（1）采集动态应变数据。如图1所示，材料4安装在工作台8上，材料背面（未收冲击一面）粘有应变片7，应变片粘贴方式如图2所示。材料受冲击区域涂有吸收层6，吸收层6上覆盖约束层5，激光器1发射激光光束2经反射镜3反射至材料4，同时动态应变仪9采集应变片7在不同时间下的动态应变数据并传至计算机10记录数据。

（2）在某一时间点，求解该时间点的最大主应变ε₁和最小主应变ε₂。将采集的动态应变数据代入公式（1）和公式（2）求解ε₁和ε₂，式中的i分别为1，2，3，α₁、α₂和α₃分别为三个应变片的动态应变数据；

${\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\α}}_i}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x+{\mathrm{\ϵ}}_y}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_y}{2}{\cos 2\mathrm{\α}}_i-\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}}{2}{\sin 2\mathrm{\α}}_i---\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{1,2}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x+{\mathrm{\ϵ}}_y}{2}\±\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_y}{2}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}}{2}\right)}^2}---\left(2\right)$

（3）求解等效应变数据。将求解的最大主应变ε₁和最小主应变ε₂代入公式（3）求解等效应变ε。

$\mathrm{\ϵ}=\frac{2}{3}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1^2-{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_2^2}---\left(3\right)$

（4）根据材料的Johnson-Cook动态本构模型求解动态应力。公式（4）是不考虑温升的Johnson-Cook动态本构模型表达式。

$\mathrm{\σ}=[A+B{\mathrm{\ϵ}}^n][1+C\ln {\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{*}]---\left(4\right)$

式中σ为等效应力（即求解的动态应力），A、B、C为材料强度相关系数，

为无量纲化应变率变量，

为参考应变率，n为应变硬化指数，ε为等效应变。A、B、C、

n等相关参数均可查表得到。

（5）重复执行步骤（2）-（4），直至遍历所有时间点；

（6）分析材料的屈服强度。将求解的动态应力绘制成动态应力-时间曲线，曲线中动态应力不随时间变化的数值即为材料的屈服强度。

实施例1

采用本发明的原理及方法对1.3mm的2024铝合金薄板进行激光单次冲击处理，求解2024铝合金的屈服强度。

实施例采用的设备条件为：激光器1为Gaia-R系列高能量脉冲灯泵浦YAG激光器，激光脉冲能量10J，冲击光斑直径6mm，激光波长1064nm，脉宽10ns，根据激光能量与功率密度的关系计算得激光功率密度为3.5×10⁹W/cm²。激光冲击时采用0.1mm的美国3M公司专用铝箔（其中一面为粘贴剂，与试样表面粘贴）作为激光能量吸收层6，K9玻璃作为约束层5。

动态应变仪9为济南Sigmar生产的STSS-1应力检测模块，动态应变信号最高输出频率为1200Hz，动态应变分辨率为0.5×10^-6，量程为±30000×10^-6。

应变片7为BX120-1AA型电阻应变片，应变片7粘贴方式如图1所示，三个应变片距离交点3mm，相邻应变片的夹角为60°。

（1）采集的动态应变数据见表1。

表1

（2）将表1中的一组数据代入公式（1）和公式（2）求解最大主应变ε₁和最小主应变ε₂。

（3）将求解的最大主应变ε₁和最小主应变ε₂代入公式（3）求解等效应变数据。

（4）2024铝合金Johnson-Cook动态本构模型参数见表2。将表2中的参数代入得到2024铝合金的Johnson-Cook模型表达式为：

σ=[369+684ε^0.73][1+0.0083 ln(10³)]

表2

（5）重复执行步骤（2）-（4），直至遍历所有时间点；

（6）绘制动态应力-时间曲线如图3所示。由图3看出，曲线中动态应力到达392MPa时，动态应力不随时间变化，所以2024铝合金屈服强度为392MPa。

实施例2

采用本发明的原理及方法对1.7mm的2024铝合金薄板进行激光单次冲击处理，求解2024铝合金的屈服强度。

实施例条件为：激光器1为Gaia-R系列高能量脉冲灯泵浦YAG激光器，激光脉冲能量10J，冲击光斑直径6mm，激光波长1064nm，脉宽10ns，根据激光能量与功率密度的关系计算得激光功率密度为3.5×10⁹W/cm²。激光冲击时采用0.1mm的美国3M公司专用铝箔（其中一面为粘贴剂，与试样表面粘贴）作为激光能量吸收层6，K9玻璃作为约束层5。

动态应变仪9为济南Sigmar生产的STSS-1应力检测模块，动态应变信号最高输出频率为1200Hz，动态应变分辨率为0.5×10^-6，量程为±30000×10^-6。

应变片7为BX120-1AA型电阻应变片，应变片粘贴方式如图1所示，三个应变片距离交点3mm，相邻应变片的夹角为60°。

（1）采集的动态应变数据见表3。

表3

（2）将表3中的数据代入公式（1）和公式（2）求解最大主应变ε₁和最小主应变ε₂。

（3）将求解的最大主应变ε₁和最小主应变ε₂代入公式（3）求解等效应变数据。

（4）2024铝合金Johnson-Cook动态本构模型参数见表2。将表2中的参数代入得到2024铝合金的Johnson-Cook模型表达式为：

σ=[369+684ε^0.73][1+0.0083 ln(10³)]

（5）重复执行步骤（2）-（4），直至遍历所有时间点；

（6）绘制动态应力-时间曲线如图4所示。由图4看出，曲线中动态应力到达392MPa时，动态应力不随时间变化，所以2024铝合金屈服强度为392MPa。

Claims (2)

1.一种基于激光冲击波技术的材料屈服强度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）利用激光冲击波冲击材料表面，同时采用动态应变仪采集不同时间时三个应变片的动态应变数据；所述三个应变片粘贴在材料冲击面的背面，三个应变片轴线交于一点，交点与冲击面的光斑中心对应，三个应变片的粘贴位置与交点的距离不小于激光冲击光斑半径；所述材料受冲击区域涂有吸收层，吸收层上覆盖约束层；

（2）利用某一时间点的动态应变数据，求解该时间点的最大主应变ε₁和最小主应变ε₂；

将步骤（1）采集的动态应变数据代入公式（1）和公式（2）求解ε₁和ε₂；

${\mathrm{\ϵ}}_{{\mathrm{\α}}_i}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x+{\mathrm{\ϵ}}_y}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_y}{2}{\cos 2\mathrm{\α}}_i-\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}}{2}{\sin 2\mathrm{\α}}_i---\left(1\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{1,2}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x+{\mathrm{\ϵ}}_y}{2}\±\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x-{\mathrm{\ϵ}}_y}{2}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}}{2}\right)}^2}---\left(2\right)$

其中，i分别为1、2和3；

和

分别为相邻两个应变片的夹角，α₁、α₂和α₃分别为三个应变片的动态应变数据；

（3）求解等效应变；

将步骤（2）中的得到的最大主应变ε₁和最小主应变ε₂代入公式（3）求解等效应变ε；

$\mathrm{\ϵ}=\frac{2}{3}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1^2-{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_2^2}---\left(3\right)$

（4）根据材料的Johnson-Cook动态本构模型求解动态应力；所述Johnson-Cook动态本构模型表达式为：

$\mathrm{\σ}=[A+{\mathrm{B\ϵ}}^n][1+{C\ln \stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}}}^{*}]---\left(4\right)$

其中，σ为动态应力，A、B、C为材料强度相关系数，

为无量纲化应变率变量，n为应变硬化指数，ε为步骤（3）中得到的等效应变；

（5）重复执行步骤（2）-（4），直至遍历所有时间点；

（6）将动态应力σ绘制成动态应力-时间曲线，所述动态应力-时间曲线中动态应力不随时间变化的数值即为材料的屈服强度。

2.根据权利要求1所述的基于激光冲击波技术的材料屈服强度检测方法，其特征在于，所述激光冲击波的压力大于材料动态屈服强度的2.5倍。

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