CN107389476B - 一种材料大变形冲击压缩实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料大变形冲击压缩实验方法，特点是在透射杆的右端面固定连接支承块，在透射杆的左端面固定被测试件，被测试件与透射杆的左端面紧密接触，然后在透射杆靠近左端的外表面上固定两片沿轴向中心面对称的应变片，再选取材质、长度、直径均与透射杆相同的撞击杆，并调整使撞击杆、被测试件、透射杆三者同轴，然后发射撞击杆，固定在透射杆上的两个应变片测得透射杆上的应变信号，将所测得的透射杆的应变信号代入关系式处理后，得到试件在实验中的轴向工程应力、工程应变和工程应变率时程曲线；优点是实现了持续稳定的实验应变率；且在与传统霍普金森压杆实验同样最大应变下，本方法的应变率可达到10S^‑1量级。

Description

一种材料大变形冲击压缩实验方法

技术领域

本发明涉及一种用于测试材料动态性能的实验方法，尤其涉及一种材料大变形冲击压缩实验方法。

背景技术

工程材料在动态加载条件下的的力学特性通常采用应变率相关的本构方程来描述，材料的动态力学特性的差异则通过其本构参数来体现，而材料的应变率相关的本构参数无法用理论分析的方式得到而必需通过材料动态加载实验来确定。

分离式霍普金森压杆或Kolsky杆是现今最为广泛使用并被认为有效的测试材料高应变率下力学特性的实验装置，可用来测试各种工程材料在10²～10⁴S^-1量级应变率范围内的动态应力－应变曲线。与其它测试技术相比，霍普金森压杆实验具有加载平稳可控、测试精度高、装置耐用可靠等优点。但是传统的霍普金森压杆在装置总长度有限的情况下，其只能在较高应变率下实现实验应变，而在10S^-1量级的应变率下不能或很难实现满足需要的试件变形。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可实现在10S^-1量级应变率下试件变形的材料大变形冲击压缩实验方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种材料大变形冲击压缩实验方法，包括以下具体步骤：

(1)、将透射杆水平固定，并在透射杆的右端面固定连接支承块，支承块的材料波阻抗大于等于透射杆的材料波阻抗，且支承块的横截面积大于等于透射杆横截面积的100倍，支承块的重量大于等于透射杆重量的50倍；

(2)、在透射杆的左端面固定被测试件，被测试件与透射杆的左端面紧密接触，且被测试件的横截面不超出透射杆的左端面；

(3)、在透射杆靠近左端的外表面上固定两片沿轴向中心面对称的应变片，应变片到透射杆左端面的距离大于等于2倍的透射杆直径、小于等于5倍的透射杆直径，然后将应变片与信号调理器电连接，将信号调理器与数字存储示波器电连接；

(4)、选取材质、长度、直径均与透射杆相同的撞击杆，并调整使撞击杆、被测试件、透射杆三者同轴，然后发射撞击杆，撞击杆撞击被测试件，固定在透射杆上的两个应变片测得透射杆上的应变信号ε_m(t)；

(5)、将所测得的透射杆的应变信号ε_m(t)代入以下关系式：

处理后，得到被测试件在实验中的轴向工程应力、工程应变和工程应变率时程曲线，实现在10S^-1量级应变率下试件材料动态力学性能的测试或更高应变率下试件材料大变形范围动态力学性能的测试，上述所有关系式中，表示在n时间区间内应变片所测应变信号中由被测试件—透射杆相互作用所产生的部分，k为求和指标，n表示时间区间号，对应该区间的时间下限记为时间上限记为表示在n-1时间区间内应变片所测应变信号中由被测试件—透射杆相互作用所产生的部分，t_k表示对应求和指标k的时间偏移量，l为自然数，应变片到透射杆左端面的距离记为a，透射杆的长度记为L₀，t_a表示应力波传播2倍a距离所需的时间，t_b表示应力波传播2倍(L₀-a)距离所需的时间，即t_a＝2a/C₀，t_b＝2(L₀-a)/C₀，C₀表示透射杆中一维应力波的波速，表示应变片所测应变信号中由被测试件—透射杆相互作用所产生的部分，V_Ⅰ表示实验过程中被测试件与撞击杆交界面的质点速度，V₀表示撞击杆的初始速度，J为自然数，t_L表示应力波传播2倍透射杆杆长所需的时间，即t_L＝2L₀/C₀，i表示另一求和指标，it_L表示对应求和指标i的时间偏移量，为用(t-it_L)替代中时间t时所得应变值，V_Ⅱ表示实验过程中被测试件与透射杆交界面的质点速度，σ_s(t)表示被测试件在实验中的轴向工程应力，表示被测试件在实验中的工程应变率，ε_s(t)表示被测试件在实验中的工程应变，E₀表示透射杆的弹性模量，A₀表示透射杆的横截面积，A_s表示被测试件的初始横截面积，h_s表示被测试件的初始高度。

进一步地，所述的透射杆和所述的撞击杆的材料均为高强弹簧钢或铝合金。

与现有技术相比，本发明的优点是由于透射杆的右端面固定设置有支承块，撞击杆撞击被测试件后，利用透射杆的右端产生反射加载波，实现对被测试件的二次持续加载，使总实验时长为传统霍普金森压杆实验时长的4倍或4倍以上，且实验应变率的恒定性在一次加载过程中与传统霍普金森压杆实验完全相同，在二次加载过程中与传统霍普金森压杆实验差别很小，即实现了持续稳定的实验应变率；而且在与传统霍普金森压杆实验同等实验应变率下，本方法的被测试件的变形可达到传统霍普金森压杆实验的4倍以上，或在与传统霍普金森压杆实验同样最大应变下，本方法的实验应变率可低于传统霍普金森压杆实验的1/4以下并可达到10S^-1量级；此外，本方法可适用于包括金属等的各种工程材料的测试。

附图说明

图1为本发明的实验装置示意图；

图2为本发明的实验方法中撞击杆打击被测试件后透射杆上应变片所测得的应变信号波形；

图3为本发明由测试信号计算出的工程应变率、工程应变转换得到的实验真应变率-真应变曲线；

图4为本发明由测试信号计算出的工程应力-应变曲线转换得到的真应力-真应变曲线。

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，一种材料大变形冲击压缩实验方法，包括以下具体步骤：

(1)、将透射杆1水平固定，并在透射杆1的右端面固定连接支承块2，支承块2的材料波阻抗大于等于透射杆1的材料波阻抗，且支承块2的横截面积大于等于透射杆1横截面积的100倍，支承块2的重量大于等于透射杆1重量的50倍；

(2)、在透射杆1的左端面固定被测试件3，被测试件3与透射杆1的左端面紧密接触，且被测试件3的横截面不超出透射杆1的左端面；

(3)、在透射杆1靠近左端的外表面上固定两片沿轴向中心面对称的应变片4，应变片4到透射杆1左端面的距离大于等于2倍的透射杆1的直径、小于等于5倍的透射杆1的直径，然后将应变片4与信号调理器5电连接，将信号调理器5与数字存储示波器6电连接；

(4)、选取材质、长度、直径均与透射杆1相同的撞击杆7，并调整使撞击杆7、被测试件3、透射杆1三者同轴，然后发射撞击杆7，撞击杆7撞击被测试件3，固定在透射杆1上的两个应变片4测得透射杆1上的应变信号ε_m(t)；

(5)、将所测得的透射杆的应变信号ε_m(t)代入以下关系式：

处理后，得到被测试件3在实验中的轴向工程应力、工程应变和工程应变率时程曲线，实现在10S^-1量级应变率下试件材料动态力学性能的测试或更高应变率下试件材料大变形范围动态力学性能的测试，上述所有关系式中，表示在n时间区间内应变片4所测应变信号中由被测试件3—透射杆1相互作用所产生的部分，k为求和指标，n表示时间区间号，对应该区间的时间下限记为时间上限记为表示在n-1时间区间内应变片4所测应变信号中由被测试件3—透射杆1相互作用所产生的部分，t_k表示对应求和指标k的时间偏移量，l为自然数，应变片4到透射杆1左端面的距离记为a，透射杆1的长度记为L₀，t_a表示应力波传播2倍a距离所需的时间，t_b表示应力波传播2倍(L₀-a)距离所需的时间，即t_a＝2a/C₀，t_b＝2(L₀-a)/C₀，C₀表示透射杆1中一维应力波的波速，表示应变片4所测应变信号中由被测试件3—透射杆1相互作用所产生的部分，V_Ⅰ表示实验过程中被测试件3与撞击杆7交界面的质点速度，V₀表示撞击杆7的初始速度，J为自然数，t_L表示应力波传播2倍透射杆1杆长所需的时间，即t_L＝2L₀/C₀，i表示另一求和指标，it_L表示对应求和指标i的时间偏移量，为用(t-it_L)替代中时间t时所得应变值，V_Ⅱ表示实验过程中被测试件3与透射杆1交界面的质点速度，σ_s(t)表示被测试件3在实验中的轴向工程应力，表示被测试件3在实验中的工程应变率，ε_s(t)表示被测试件3在实验中的工程应变，E₀表示透射杆1的弹性模量，A₀表示透射杆1的横截面积，A_s表示被测试件3的初始横截面积，h_s表示被测试件3的初始高度。

上述实施例中，透射杆1和撞击杆7的材料均可以为高强弹簧钢或铝合金。

上述实施例中，可实现的实验应变率可由公式计算得到，其中：为实验平均应变率，L_t为透射杆1的杆长(等于撞击杆7的杆长)，ε_max为实验要求实现的最大应变，例：实验要求实现的最大应变ε_max＝0.1，实验时，取撞击杆7及透射杆1的杆长为6m，C₀＝5160m/s，则得到的实验平均应变率为从而也验证了本方法中通过所测得的应变信号ε_m(t)经关系式处理后可实现在10S^-1量级应变率下试件材料动态力学性能的测试。

Claims (1)

1.一种材料大变形冲击压缩实验方法，其特征在于包括以下具体步骤：

(1)、将透射杆水平固定，并在透射杆的右端面固定连接支承块，支承块的材料波阻抗大于等于透射杆的材料波阻抗，且支承块的横截面积大于等于透射杆横截面积的100倍，支承块的重量大于等于透射杆重量的50倍；

(2)、在透射杆的左端面固定被测试件，被测试件与透射杆的左端面紧密接触，且被测试件的横截面不超出透射杆的左端面；

(3)、在透射杆靠近左端的外表面上固定两片沿轴向中心面对称的应变片，应变片到透射杆左端面的距离大于等于2倍的透射杆直径、小于等于5倍的透射杆直径，然后将应变片与信号调理器电连接，将信号调理器与数字存储示波器电连接；

(4)、选取材质、长度、直径均与透射杆相同的撞击杆，所述的透射杆和所述的撞击杆的材料均为高强弹簧钢或铝合金，并调整使撞击杆、被测试件、透射杆三者同轴，然后发射撞击杆，撞击杆撞击被测试件，固定在透射杆上的两个应变片测得透射杆上的应变信号ε_m(t)；

(5)、将所测得的透射杆的应变信号ε_m(t)代入以下关系式：

处理后，得到被测试件在实验中的轴向工程应力、工程应变和工程应变率时程曲线，实现在10S^-1量级应变率下试件材料动态力学性能的测试或更高应变率下试件材料大变形范围动态力学性能的测试，上述所有关系式中，表示在n时间区间内应变片所测应变信号中由被测试件—透射杆相互作用所产生的部分，k为求和指标，n表示时间区间号，对应该区间的时间下限记为时间上限记为 表示在n-1时间区间内应变片所测应变信号中由被测试件—透射杆相互作用所产生的部分，t_k表示对应求和指标k的时间偏移量，l为自然数，应变片到透射杆左端面的距离记为a，透射杆的长度记为L₀，t_a表示应力波传播2倍a距离所需的时间，t_b表示应力波传播2倍(L₀-a)距离所需的时间，即t_a＝2a/C₀，t_b＝2(L₀-a)/C₀，C₀表示透射杆中一维应力波的波速，表示应变片所测应变信号中由被测试件—透射杆相互作用所产生的部分，V_Ⅰ表示实验过程中被测试件与撞击杆交界面的质点速度，V₀表示撞击杆的初始速度，J为自然数，t_L表示应力波传播2倍透射杆杆长所需的时间，即t_L＝2L₀/C₀，i表示另一求和指标，it_L表示对应求和指标i的时间偏移量，为用(t-it_L)替代中时间t时所得应变值，V_Ⅱ表示实验过程中被测试件与透射杆交界面的质点速度，σ_s(t)表示被测试件在实验中的轴向工程应力，表示被测试件在实验中的工程应变率，ε_s(t)表示被测试件在实验中的工程应变，E₀表示透射杆的弹性模量，A₀表示透射杆的横截面积，A_s表示被测试件的初始横截面积，h_s表示被测试件的初始高度。