CN111307568A - 一种金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法。步骤为S1：打开SHPB装置电源，将实验工件放置在SHPB装置的入射杆和透射杆端面的正中间，将实验工件分别与入射杆、透射杆的接触端面进行固定；S2：对实验工件进行不同应变率下的SHPB实验；S3：将步骤S2得到的应力波曲线进行数据处理，得到不同冲击状态下的参数值；S4：根据获得的竖直做出应变率‑应力曲线，曲线上的拐点即为塑性变形机制发生改变的应变率数值；进行数值分析，经插值拟合，判断各阶段塑性变形控制机制，从而找到对应的衡量应变率效应的表征参数；S5：利用不同机制下的应变率敏感性表征参数的计算公式计算得到应变率敏感性表征参数。
Description
技术领域
本发明属于金属塑性动力学的技术领域，具体涉及一种金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现 有技术。
金属塑性变形过程中，随变形速率的增加应变率对塑性变形的影响会越来越大，静态或是准静态下，可以不考虑应变率的影响，但当应变率增至一定程度时，这种影 响不得不考虑。一般认为金属材料随应变率的增加，材料的强度会增加，这就是材料 的应变率效应，不同应变率下材料塑性变形控制机理不同，按compell划分标准，10-4～ 10-1s-1为低应变率，10-1～102s-1为中应变率，102～104s-1为高应变率，104s-1以上为超 高应变率，因此，衡量不同应变率下材料的应变率效应应采用相对应的表征参数。
材料塑性变形的控制机制分为非热机制、受热激活以及位错阻尼等，现有技术中无法给出处在不同变形机制下应变率效应表征参数的具体测量方式。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法。本发明根据材料塑性变形控制机理提出了应变率效应的 分类方法，指出了应变率效应的三种表征参数，并根据其数学定义提出了三种表征参 数的测量方法，主要用于塑性材料的塑性变形研究与应用。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法，具体步骤为：
S1：打开SHPB装置电源，将实验工件放置在SHPB装置的入射杆和透射杆端面 的正中间，将实验工件分别与入射杆、透射杆的接触端面进行固定；
S2：对实验工件进行不同应变率下的SHPB实验；
S3：将步骤S2得到的应力波曲线进行数据处理，得到不同冲击状态下的真实应力、真实应变、应变率等参数值；
S4：根据获得的数值做出应变率-应力曲线，曲线上的拐点即为塑性变形机制发生改变的应变率数值；
进行数值分析，经插值拟合，判断各阶段塑性变形控制机制，从而找到对应的衡量应变率效应的表征参数；
S5：利用不同机制下的应变率敏感性表征参数的计算公式计算得到应变率敏感性表征参数。
本发明提供了材料塑性变形处在不同变形机制下，其应变率效应表征参数的具体测量方法。
在本发明的一些实施方式中，S4的具体步骤为：依据步骤S3的数据，绘制应变 率-真实应力曲线，找到曲线上的突变拐点A1，拐点A1对应的横坐标即为塑性变形 机制发生改变的应变率数值；
将应变率-真实应力曲线根据拐点A1隔开，曲线的两个端点分别为C1和C2，将 曲线划分为C1-A1和A1-C2两个线段区间，并对各个区间的曲线数据进行拟合，判 断各区间塑性变形控制机制；
或，根据步骤S3获得的真实应力、真实应变数据，在一张图上绘制两条在不同 应变率下的真实应力-真实应变曲线。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，固定实验工件与入射杆、透射杆的方 法为涂抹凡士林。涂抹凡士林起到固定和减摩的作用。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中所用应变率的范围为100-20000s-1，应变率的取值间隔设置。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中的SHPB冲击压缩实验的步骤为：通过 改变发射气压的大小，调节气仓旋钮改变气压，通过气压不同改变撞击杆的发射速度， 进而得到不同冲击状态下的应力波曲线(入射波和透射波)。
在本发明的一些实施方式中，步骤S3中应力波曲线数据处理的计算公式为
σ＝σe·(1-εe)
其中σ为真实应力，εe为工程应变，σe为工程应力。
在本发明的一些实施方式中，非热机制的应变率敏感性表征参数m的计算公式 为
在本发明的一些实施方式中，热激活机制的应变率敏感性表征参数λ的计算公式为
在本发明的一些实施方式中，位错阻尼机制的应变率敏感性表征参数η的计算公式为
式中Δ表示数值差分，
为平均应变率。
本发明的有益效果：
在金属塑性变形学中，应变率是一个非常重要的参数，应变率矢量的变化，不仅影响到实验材料的微观织构，还影响到材料所受荷载的状态等等，进而可能使金属材 料的性能发生改变，而应变率效应恰恰是这种状态的一种宏观描述。因此应变率效应 表征参数的出现就显得尤为重要，通过此参数，我们可以更为清楚，更为方便的研究 材料处于不同阶段、不同机制下的力学响应。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的实施例1的分离式Hopkinson压杆装置示意图。
图2为本发明的实施例1的实验工件和凡士林的图；
图3为本发明的实施例1的常温下的真实应力-应变率曲线；
图4为本发明的图3曲线数据线性拟合图；
图5为本发明的不同平均应变率和下的真实应力-真实应变曲线；
图6为本发明的ε＝0.2％，
对应的应力σ1＝728.92N，σ2＝2807.02N为真实应力的曲线图；
其中，1-冲击气缸；2-炮管；3-撞击杆；4-入射杆；5-试样；6-应变片；7-能量吸 收器；8-铝合金支架；9-超动态应变仪，10-高速数据采集卡，11、计算机虚拟示波软 件。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人 员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单 数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包 含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示为本发明的SHPB装置图，铝合金支架8的上方，冲击气缸1与炮管 2连接，炮管2与撞击杆3连接，试样5的左右两侧杆分别为入射杆4和透射杆，其 中在入射杆和透射杆的中间部位分别粘贴一对应变片6(每对应变片关于轴心对称)， 工作中透射杆的右端接触能量吸收器7。冲击气缸1、炮管2、撞击杆3、入射杆4/ 透射杆、试样5、应变片6、能量吸收器7位于铝合金支架8的上方，其中应变片6 通过信号线依次和超动态应变仪9与高速数据采集卡10相连，最终将信号传输到计 算机，通过计算机虚拟示波软件11处理数据。
本发明的测量原理为：通过调整气泵的发射气压大小使撞击杆以某一初速度v0撞击入射杆4，在入射杆4内产生入射波，当入射波到达入射杆与试件的交界面的时 候，一部分入射波进入试件，另一部分在交界面上产生一个反射波，反射波沿着入射 波传播方向相反的方向在入射杆4内传播。进入试样5的入射波到达试样与透射杆的 界面时，有一小部分返回试样且在试样中来回反射达到应力平衡，另一部分传到透射 杆形成透射应变，传播到透射杆的另一端后被缓冲设备吸收。通过利用一维应力波理 论对反射波和透射波的处理，可以测得试件在不同气压(不同应变率)下的应变、应 变率和应力随时间的变化关系。
真实应力与真实应变的关系得出过程如下：
εr＝5.0×10-3·v1；εt＝5.0×10-3·v2 (1)
其中εr和εt为反射应变和透射应变，v1和v2为反射电压和透射电压
其中C0应力波在霍普金森压杆中的传播速度，且
E为弹性模量，ρ0为杆质 量密度，L0试样的长度，
为平均应变率。
其中εe2表示下一时刻的工程应变，
和εe1分别为前一时刻的平均应变率和工程应变， Δt为时间差
σe为工程应力，A和A0分别表示压杆和试样的横截面积。
最后由工程应力和工程应变可计算真实应力和真实应变，即
ε＝-ln(1-εe) (4)
其中εe为工程应变，ε为真实应变
σ＝σe·(1-εe) (5)
其中σ为真实应力。
应变率效应表征参数的计算公式的推导过程为：
材料塑性变形的本质是位错的运动与增殖，其控制机制可分为非热机制、受热激活以及位错阻尼等，非热机制下应变率与应力的关系服从幂函数形式，可表示为：
热激活机制下应变率与应力关系可表示为：
而位错阻尼机制下则可表示为：
塑性变形不同机制下，应变率效应服从不同的函 数律，因此衡量应变率效应大小的表征参数自然应有3个，按其数学定义可推得如表 1所示。
表1应变率敏感性表征参数计算公式
实施例1
以金属铝为实验工件，测量的具体过程为：
步骤S1：整理工作台，打开SHPB装置(如图1)电源，准备实验工件(图2) 并将其放置在该装置的入射杆和透射杆端面的正中间，其中两杆与实验工件接触端面 稍微涂抹一些凡士林(图2)，起固定和减摩作用；
步骤S2：在上述装置中，对实验工件进行不同应变率(500s-1、700s-1、1000s-1、3000s-1、7000s-1、10000s-1、15000s-1)下的SHPB冲击压缩实验，(即通过改变发射 气压的大小，调节气仓旋钮改变气压，通过气压不同改变撞击杆的发射速度，进而得 到不同冲击状态下的应力波曲线(入射波和透射波))；
步骤S3：将步骤S2得到的应力波曲线进行数据处理，得到不同冲击状态下的真 实应力σ、真实应变ε、平均应变率
等参数值，具体处理方式依据一维应力波理论；
步骤S4：依据步骤S3的数据，绘制应变率-真实应力曲线，见图3。观察曲线， 找到曲线上突变拐点A1，拐点A1对应的横坐标即为塑性变形机制发生改变的应变率 数值；
步骤S5：将应变率-真实应力曲线根据拐点A1隔开，划分为C1-A1和A1-C2两 个线段区间，并对各个区间的曲线数据进行拟合，判断各区间塑性变形控制机制，从 而找到对应的衡量应变率效应的表征参数，见图4；
步骤S6：(另一种敏感性表征参数的计算方法)在不同区间，根据步骤S3获得 的真实应力σ、真实应变ε数据，在一张图上绘制两条在不同平均应变率
和
下的 真实应力-真实应变曲线，见图5。依据应变率效应表征参数的数学定义，见表1，对 应计算不同机制下的应变率敏感性表征参数m或λ或η。
取A1-C2阶段，通过线性拟合，得到公式y＝a+b*x，其中a＝-3427.28,b＝0.415。由此判断出此阶段处于位错阻尼变形机制。取 ε＝0.2％，
对应的应力σ1＝728.92N，σ2＝2807.02N为真实应力, (绘制如图6所示曲线)，然后根据位错阻尼阶段的应变率效应表征参数的数学表达 式，见表1，得
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的 任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法，其特征在于：具体步骤为：
S1：打开SHPB装置电源，将实验工件放置在SHPB装置的入射杆和透射杆端面的正中间，将实验工件分别与入射杆、透射杆的接触端面进行固定；
S2：对实验工件进行不同应变率下的SHPB实验；
S3：将步骤S2得到的应力波曲线进行数据处理，得到不同冲击状态下的真实应力、真实应变、应变率等参数值；
S4：根据获得的竖直做出应变率-应力曲线，曲线上的拐点即为塑性变形机制发生改变的应变率数值；
进行数值分析，经插值拟合，判断各阶段塑性变形控制机制，从而找到对应的衡量应变率效应的表征参数；
S5：利用不同机制下的应变率敏感性表征参数的计算公式计算得到应变率敏感性表征参数。
2.根据权利要求1所述的金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法，其特征在于：S4的具体步骤为：依据步骤S3的数据，绘制应变率-真实应力曲线，找到曲线上的突变拐点A1，拐点A1对应的横坐标即为塑性变形机制发生改变的应变率数值；
将应变率-真实应力曲线根据拐点A1隔开，曲线的两个端点分别为C1和C2，将曲线划分为C1-A1和A1-C2两个线段区间，并对各个区间的曲线数据进行拟合，判断各区间塑性变形控制机制。
3.根据权利要求1所述的金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法，其特征在于：S4的具体步骤为：根据步骤S3获得的真实应力、真实应变数据，在一张图上绘制两条在不同应变率和下的真实应力-真实应变曲线。
4.根据权利要求1所述的金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法，其特征在于：步骤S1中，固定实验工件与入射杆、透射杆的方法为涂抹凡士林。
5.根据权利要求1所述的金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法，其特征在于：步骤S2中不用应变率的范围为100-20000s-1，应变率的取值间隔设置。
6.根据权利要求1所述的金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法，其特征在于：步骤S2中的SHPB冲击压缩实验的步骤为：通过改变发射气压的大小，调节气仓旋钮改变气压，通过气压不同改变撞击杆的发射速度，进而得到不同冲击状态下的应力波曲线。
7.根据权利要求1所述的金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法，其特征在于：σ＝σe·(1-εe)
其中σ为真实应力，εe为工程应变，σe为工程应力。
8.根据权利要求1所述的金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法，其特征在于：非热机制的应变率敏感性表征参数m的计算公式为
式中Δ表示数值差分，
为平均应变率。
9.根据权利要求1所述的金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法，其特征在于：热激活机制的应变率敏感性表征参数λ的计算公式为
式中Δ表示数值差分，
为平均应变率。
10.根据权利要求1所述的金属塑性变形应变率效应表征参数的测量方法，其特征在于：位错阻尼机制的应变率敏感性表征参数η的计算公式为
式中Δ表示数值差分，
为平均应变率。
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