CN108918299A - 一种基于霍普金森杆的材料动态断裂韧性测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于霍普金森杆的材料动态断裂韧性测量装置，包括缓冲装置、承载装置、霍普金森杆实验装置、拍摄装置和带缺口的样品；承载装置包括底板、立板和升降位移台，立板上设有两个用于支撑样品的长条形半圆支座，立板与样品相邻的侧面上设有两个竖直限位装置；立板的中部设有一大直径通孔，样品的缺口位于大直径通孔的圆心位置；霍普金森杆实验装置包括入射杆、撞击杆和半圆冲击头，半圆冲击头的一端与样品相接触，半圆冲击头另一端固定连接入射杆；拍摄装置包括设置在样品侧面的CCD相机和光源。本发明将传统三点弯曲试验方法与动态加载相结合，能够测量材料在动态载荷下的断裂韧性，能够对实现对材料的动态加载。

Description

一种基于霍普金森杆的材料动态断裂韧性测量装置
技术领域
本发明属于动态加载领域，具体涉及一种基于霍普金森杆的材料动态断裂韧性测量装置。
背景技术
断裂韧性是在断裂力学基础上建立起来的代表材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能。通常在材料失效分析和结构件的损伤容限设计中都需要对材料的断裂韧性进行评估。材料动态断裂韧性代表了在动态载荷作用下材料的防断能力，过去人们主要关注的是静态载荷下的断裂韧性，如今，材料种类越来越多，其应用领域也是各种各样，一些极端环境下的材料在服役过程中除了受静态载荷还会受到动态冲击，而且动态加载也是近年来的研究热点，因此研究材料的动态断裂韧性显得尤为必要。
目前关于材料的动态断裂韧性，尚没有标准的测试方法。虽然ASTM(E399-2012e3)标准中描述了静态载荷下载荷、样品形状以及裂纹尖端处的应力强度因子之间的关系，但是在动态加载下还没有明确的相关标准。过去人们测量材料断裂韧性的方法，是将带有预制疲劳裂纹的缺口试样置于标准的三点弯曲试验装置上进行加载，并记录试样尺寸、载荷和裂纹嘴的张开位移，进而计算出材料的断裂韧度。但是由于加载条件的限制，其测试结果对于评估承受静态载荷的结构件很有帮助，而对于那些承受动态载荷的构件仍沿用这种方法就显得缺乏说服力。除了三点弯曲，人们还会用夏比示波冲击试验来测量材料的动态断裂韧性，但是这种方法由于加载条件限制，很难满足平面应变的条件，此外，其载荷稳定性差，应变率不稳定，也无法达到高的应变率，不能模拟出材料在动态载荷下的真是服役环境。
动态断裂韧性测量困难，首先是加载手段的限制，传统的加载手段多属于低应变率的静态加载，不能模拟出材料的真实服役条件，要实现动态加载需要使用霍普金森杆、气炮等加载方法。其次，在实验装置上没有比较完善的实验装置设计能够兼具动态加载和断裂韧性测量。除了实验技术的限制，动态断裂理论中惯性效应和应力波传播规律的复杂性也给测量带来了困难。鉴于此，目前能够测量材料动态断裂韧性的实验方法寥寥无几，但是材料的这一性能指标无论是对于工程应用还是材料设计都具有重大意义。因此，寻找一种合适的方法能够克服传统实验方法的局限性，来表征材料的动态断裂韧性对科学研究和工程应用都有很大的用处。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将传统三点弯曲试验方法与动态加载相结合，能够测量材料在动态载荷下的断裂韧性，能够对实现对材料的动态加载的基于霍普金森杆的材料动态断裂韧性测量装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于霍普金森杆的材料动态断裂韧性测量装置，包括缓冲装置、承载装置、霍普金森杆实验装置、拍摄装置和带缺口的样品；
所述承载装置包括底板、立板和升降位移台，立板和升降位移台固定安装在底板上，升降位移台上放置有样品；
立板与样品相邻的侧面上设有两条相互平行的竖直滑槽和两条位于同一水平线上的横向滑槽；立板上设有两个用于支撑样品的长条形半圆支座，长条形半圆支座的弧形面与样品相邻，长条形半圆支座的底面设有两个能够在竖直滑槽内上下滑动的滑块；立板与样品相邻的侧面上设有两个竖直限位装置，竖直限位装置对称地设置在样品的两侧，竖直限位装置通过滑块在横向滑槽内左右滑动；
立板背向样品的侧面上与竖直滑槽相对应的位置设有可调螺钉槽，立板两边和中间都标有刻度尺；
立板的中部设有一大直径通孔，样品的缺口位于大直径通孔的圆心位置，并且样品缺口朝向大直径通孔，大直径通孔的直径与横向滑槽位于同一水平线上；
霍普金森杆实验装置包括入射杆、撞击杆和半圆冲击头，半圆冲击头的一端与样品相接触，半圆冲击头另一端固定连接入射杆；入射杆与撞击杆处于同一水平线上，撞击杆在高压气体的推动下撞击入射杆的末端；
入射杆、撞击杆、半圆冲击头、样品缺口和大直径通孔圆心均位于同一水平线上；
所述样品和入射杆上均设有应变片，样品上的应变片设置在样品缺口位置，位于样品缺口所在面的相邻面上；
所述拍摄装置包括设置在样品侧面的CCD相机和光源；
所述缓冲装置位于承载装置背向样品的一侧，用于对从立板射出的入射杆进行缓冲减速。
进一步地，所述立板底部设有螺纹孔，底板上与螺纹孔相对应的位置设有沉头孔，螺纹孔与沉头孔通过螺钉连接；
立板背向样品的侧面上与竖直滑槽相对应的位置设有可调螺钉槽，立板两边和中间都标有刻度尺；
立板与缓冲装置相邻侧面的边缘分别设有一个大加强筋，大加强筋呈直角三角形的形状，其两个直角边分别与立板和底板相邻，并分别通过螺纹与立板和底板固定；立板与样品相邻侧面的边缘分别设有一个小加强筋，小加强筋为直角三角形，其两个直角边分别与立板和底板相邻，并分别通过螺纹与立板和底板固定。
进一步地，所述缓冲装置包括底板和固定在底板上的立板，立板朝向承载装置的侧面上设有一圆柱筒，所述圆柱筒的圆心与承载装置上的大直径通孔的圆心位于同一水平线上，圆柱筒的直径远大于入射杆。
本发明的有益效果是：
1、本发明基于经典的霍普金森杆实验方法，将传统三点弯曲试验方法与动态加载相结合，能够测量材料在动态载荷下的断裂韧性，能够对实现对材料的动态加载，其应变率在102～5×103范围之间逐级稳定可调；本发明基于分离式霍普金森杆压杆设计，主体装置体积小，拆卸方便，可以灵活的在本发明和传统的霍普金森杆压杆之间切换，零件标准化设计，便于维护；
2、本发明通过在样品上粘贴应变片，可以准确的测量裂纹的启裂时间，以及样品的断裂时间；在入射杆上粘贴应变片测量入射波信号和反射波信号，可以推断出加载的强度历史；
3、本发明可以通过高速摄影记录从裂纹启裂到基体断裂的全过程，观察裂纹尖端在基体内的位移情况，裂纹周围基体的变形情况；通过图像还可以测量裂纹嘴的张开位移，裂纹扩展速率；配合应变片的数据采集，弥补了传统断裂韧性测试方法中所没有的数据-图像的同时采集的不足，系统全面的评估材料的动态断裂韧性；
4、发明的加载方法采用经典的霍普金森杆加载，加载手段稳定可靠；
5、本发明中的立板为主要承载面，立板采用双面加强筋加固，保证了整个系统的几何稳定性。
附图说明
图1为本发明的材料动态断裂韧性测量装置的结构示意图；
图2为本发明的材料动态断裂韧性测量装置的后视图；
图3为进行三点弯曲动态加载时，支撑点、样品与加载点之间的位置关系图；
图4为在样品上粘贴应变片的方式和位置示意图；
图5为本发明的材料动态断裂韧性测量装置测量时的位置关系示意图；
图6为立板的结构示意图；
图7为底板的结构示意图；
图8为竖直限位装置结构示意图；
图9为长条形半圆支座结构示意图；
图10为本发明的实验装置在实际实验过程中所拍摄到的裂纹在基体内的传播过程；
图中：1-缓冲装置；
2-立板，其中：2.0-标尺，2.1-横向滑槽，2.2-竖直滑槽，2.3-小加强筋螺纹孔，2.4-底部螺纹孔，2.5-螺钉槽，2.6-大加强筋螺纹孔，2.7-大直径通孔；
3-样品；4、14-滑块；5-竖直限位装置；6-长条形半圆支座；7-半圆冲击头；8-入射杆；9-撞击杆；10、13-小加强筋；11-升降位移台，；
12-底板，其中：12.0-小加强筋螺纹通孔，12.1沉头孔，12.2-大加强筋螺纹通孔；
15、16-大加强筋；17-CCD相机；18-照明光源；19-应变片。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1和图2所示，一种基于霍普金森杆的材料动态断裂韧性测量装置，包括缓冲装置、承载装置、霍普金森杆实验装置、拍摄装置和带缺口的样品；
所述承载装置包括底板12、立板2和升降位移台11，立板2和升降位移台11固定安装在底板12上，升降位移台11上放置有样品3；
立板2与样品相邻的侧面上设有两条相互平行的竖直滑槽2.2和两条位于同一水平线上的横向滑槽2.1；立板2上设有两个用于支撑样品的长条形半圆支座6，长条形半圆支座6的弧形面与样品相邻，长条形半圆支座6的底面设有两个能够在竖直滑槽内上下滑动的滑块；立板2与样品相邻的侧面上设有两个竖直限位装置5，竖直限位装置2对称地设置在样品的两侧，竖直限位装置5通过滑块在横向滑槽内左右滑动；两个长条形半圆支座底部带有限位滑块，通过螺钉一上一下安装于立板上，两者之间的位置可调。它们与样品和半圆冲击头之间形成了经典的三点弯曲系统。长条形半圆支座的两端带有小尖端，用于与立板上的标尺对应，确定位置。
立板2的中部设有一大直径通孔2.7，样品的缺口位于大直径通孔的圆心位置，并且样品缺口朝向大直径通孔，大直径通孔的直径与横向滑槽位于同一水平线上；
霍普金森杆实验装置包括入射杆8、撞击杆9和半圆冲击头7，半圆冲击头7的一端与样品3相接触，半圆冲击头7另一端固定连接入射杆8；入射杆8与撞击杆9处于同一水平线上，撞击杆9在高压气体的推动下撞击入射杆8的末端；与经典的分离式霍普金森杆压杆不同的是，本发明的霍普金森杆实验装置去掉了原有的透射杆部分，只保留加载部分；半圆冲击头是为了保证载荷与样品之间是通过点接触传递的；
入射杆8、撞击杆9、半圆冲击头7、样品缺口和大直径通孔圆心均位于同一水平线上，如图3所示；
所述样品和入射杆上均设有应变片；样品上的应变片设置在样品缺口位置，位于样品缺口所在面的相邻面上，如图4所示，用于测量缺口的启裂时间；应变片分别通过导线与示波器相连；
所述拍摄装置包括设置在样品侧面的CCD相机17和光源18；如图5所示，所述CCD相机通过自带支架固定在实验台上，其中心高度与样品中心持平；照明光源安放在实验台上，用于给相机补光，增加图像质量。
所述缓冲装置位于承载装置背向样品的一侧，用于对从立板2射出的入射杆8进行缓冲减速。缓冲装置为焊接一体成型，缓冲装置上设有安装孔，通过螺钉与实验台固定。
如图6和图7所示，所述立板2底部设有螺纹孔2.4，底板12上与螺纹孔2.4相对应的位置设有沉头孔12.1，螺纹孔2.4与沉头孔12.1通过螺钉连接；
立板2背向样品的侧面上与竖直滑槽相对应的位置设有可调螺钉槽2.5，立板2两边和中间都标有刻度尺2.0；
立板2与缓冲装置相邻侧面的边缘分别设有一个大加强筋，大加强筋呈直角三角形的形状，其两个直角边分别与立板和底板相邻，并分别通过螺纹与立板和底板固定；立板2与样品相邻侧面的边缘分别设有一个小加强筋，小加强筋为直角三角形，其两个直角边分别与立板和底板相邻，并分别通过螺纹与立板和底板固定。
所述立板2通过底部螺纹孔固定在底板12上，立板前面开有竖直贯通的滑槽，立板两边开有水平半圆形滑槽，立板中间开有大直径通孔，水平半圆形滑槽与大直径通孔的中心高度一致；立板后面沿竖直方向开有可调螺钉槽，此外，立板两边和中间都标有刻度尺，立板前后还有加强筋安装孔。
进一步地，所述缓冲装置包括底板和固定在底板上的立板，立板朝向承载装置的侧面上设有一圆柱筒，所述圆柱筒的圆心与承载装置上的大直径通孔的圆心位于同一水平线上，圆柱筒的直径远大于入射杆8。
本发明的测量装置在实际安装时，撞击杆9和入射杆8为霍普金森杆实验装置上固有的，其余部件安装步骤如下：
1、首先将立板2(如图5所示)上的底部螺纹孔2.4与底板12(如图6所示)上的沉头孔12.1通过螺钉连接，将底板放置在实验台上，调整底板的位置使立板上的大直径通孔2.7与入射杆8同心，然后将底板用螺钉固定在实验台上。
2、将大加强筋15、16通过底板上的螺纹孔12.2和立板上的螺纹孔2.6安装固定。同样将小加强筋10、13通过底板上的螺纹孔12.0和立板上的螺纹孔2.3安装固定。
3、将升降位移台11通过螺钉固定在底板上。
4、将左右两个竖直限位装置的滑块14通过螺钉固定安装在竖直限位装置5上，如图8所示，然后将滑块14装入立板2上左右两边的半圆形滑槽2.1内；竖直限位装置的横梁5前端面上设有“W”形尖端。
5、将滑块4装入立板2上的竖直滑槽2.2内，使两个半圆支座呈上下分布，如图1中所示；滑块上设有通孔，长条形半圆支座上设有螺纹孔，沿立板2背后的螺钉槽2.5插入螺钉，穿过滑块，然后拧入半圆支座上的螺纹孔，拧紧即可固定半圆支座，如图9所示；滑块可以沿滑槽上下滑动；此外，滑块的设计高度与立板的正面持平，长条形半圆支座固定后，其底部的平面将与立板重合，使其在受力时能够将载荷传递到立板上，防止自身变形。
6、将缓冲装置1安装至立板后方，然后用螺钉与底板固定。
7、将半圆冲击头7用胶水固定到入射杆8的前端。
实际试验时，操作步骤如下：
1、首先测量试验样品3的尺寸，查阅三点弯曲实验国家标准中规定的两个支撑点之间的距离，然后对应调节上下两个长条形半圆支座6之间的距离并固定。本发明中两个长条形半圆支座为样品提供了两个支撑点，半圆冲击头提供了样品的加载点，它们共同形成了标准的三点弯曲加载，它们的形状都依照《金属弯曲力学性能试验方法》标准设计。两个长条形半圆支座的半径有多种尺寸，可以根据样品尺寸选择，两个支撑点之间的距离也可以根据样品尺寸的变化而调节，以适用于不同尺寸样品的加载，提高了系统的灵活性。
2、在样品3上粘贴应变片19(如图7所示)，将应变片19用导线与示波器相连接。
3、将样品3竖直放在升降位移台11上，将左右两个竖直限位装置5向中间推进，直到与样品3的两个侧面贴合以确保样品竖直放置，调节左右两个竖直限位装置使样品3居于立板2的中间。
4、调节升降位移台11，使样品上下移动，使样品的缺口位置与竖直限位装置的“W”形尖端对齐。
5、将入射杆8向前滑动，使半圆冲击头7顶住样品3，如图4所示，样品位置关系确定后，抽掉立板2两边的竖直限位装置5。
6、将CCD相机安装在实验台上(如图3所示)，调整相机镜头到样品表面的距离，使得样品的侧表面在CCD上成清晰的像，并且调整CCD的位置尽量使样品上的缺口居于视野中心，调整照明光源18的位置和亮度，使CCD能捕捉到样品表面的更多细节。
7、确认实验线路连接正确，检查样品3上的应变片19和入射杆8上的应变片的数据通讯正常，进入预备状态。
8、开始实验，按下发射开关，由高压气体推动的撞击杆9飞速前进，撞击在入射杆8上，入射杆8与半圆冲击头7相连，然后载荷将通过半圆冲击头7与样品3的接触点传入样品，样品受载断裂后从装置上掉落，入射杆8在惯性作用下继续前进，穿过立板上的大直径通孔2.7进入缓冲装置1内并减速到停止。
9、入射杆8在接收到入射波信号时会触发CCD相机进行拍照，记录试样的断裂过程(如图10所示)。
10、实验完成。通过以上步骤，即可实现对样品的动态弯曲加载，然后处理分析采集到的数据即可评估材料的动态断裂韧性。
以上内容对本发明的具体实施方式做了详细阐述，本发明提供的一种基于霍普金森杆的材料动态断裂韧性测量装置及方法，能够测量材料的动态断裂韧性，能实时记录试样断裂的每个阶段，能够真实评估出材料承受动载时的服役性能。同时，整个试验系统灵活性高，能够针对不同尺寸的试样进行加载。本发明经过了实际检验，在理论和实践上都具有可行性。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于霍普金森杆的材料动态断裂韧性测量装置，其特征在于，包括缓冲装置、承载装置、霍普金森杆实验装置、拍摄装置和带缺口的样品；
所述承载装置包括底板(12)、立板(2)和升降位移台(11)，立板(2)和升降位移台(11)固定安装在底板(12)上，升降位移台(11)上放置有样品(3)；
立板(2)与样品相邻的侧面上设有两条相互平行的竖直滑槽(2.2)和两条位于同一水平线上的横向滑槽(2.1)；立板(2)上设有两个用于支撑样品的长条形半圆支座(6)，长条形半圆支座(6)的弧形面与样品相邻，长条形半圆支座(6)的底面设有两个能够在竖直滑槽内上下滑动的滑块；立板(2)与样品相邻的侧面上设有两个竖直限位装置(5)，竖直限位装置(2)对称地设置在样品的两侧，竖直限位装置(5)通过滑块在横向滑槽内左右滑动；
立板(2)的中部设有一大直径通孔，样品的缺口位于大直径通孔的圆心位置，并且样品缺口朝向大直径通孔，大直径通孔的直径与横向滑槽位于同一水平线上；
霍普金森杆实验装置包括入射杆(8)、撞击杆(9)和半圆冲击头(7)，半圆冲击头(7)的一端与样品(3)相接触，半圆冲击头(7)另一端固定连接入射杆(8)；入射杆(8)与撞击杆(9)处于同一水平线上，撞击杆(9)在高压气体的推动下撞击入射杆(8)的末端；
入射杆(8)、撞击杆(9)、半圆冲击头(7)、样品缺口和大直径通孔圆心均位于同一水平线上；
所述样品和入射杆上均设有应变片，样品上的应变片设置在样品缺口位置，位于样品缺口所在面的相邻面上；
所述拍摄装置包括设置在样品侧面的CCD相机(17)和光源(18)；
所述缓冲装置位于承载装置背向样品的一侧，用于对从立板(2)射出的入射杆(8)进行缓冲减速。
2.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森杆的材料动态断裂韧性测量装置，其特征在于，所述立板(2)底部设有螺纹孔(2.4)，底板(12)上与螺纹孔(2.4)相对应的位置设有沉头孔(12.1)，螺纹孔(2.4)与沉头孔(12.1)通过螺钉连接；
立板(2)背向样品的侧面上与竖直滑槽相对应的位置设有可调螺钉槽(2.5)，立板(2)两边和中间都标有刻度尺(2.0)；
立板(2)与缓冲装置相邻侧面的边缘分别设有一个大加强筋，大加强筋呈直角三角形的形状，其两个直角边分别与立板和底板相邻，并分别通过螺纹与立板和底板固定；立板(2)与样品相邻侧面的边缘分别设有一个小加强筋，小加强筋为直角三角形，其两个直角边分别与立板和底板相邻，并分别通过螺纹与立板和底板固定。
3.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森杆的材料动态断裂韧性测量装置，其特征在于，所述立板(2)通过底部螺纹孔固定在底板上，立板前面开有竖直贯通的滑槽，立板两边开有水平半圆形滑槽，立板中间开有大直径通孔，水平半圆形滑槽与大直径通孔的中心高度一致；立板前后还有加强筋安装孔。
4.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森杆的材料动态断裂韧性测量装置，其特征在于，所述缓冲装置包括底板和固定在底板上的立板，立板朝向承载装置的侧面上设有一圆柱筒，所述圆柱筒的圆心与承载装置上的大直径通孔的圆心位于同一水平线上，圆柱筒的直径远大于入射杆(8)。
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