CN113376033B - 一种控制高速冲击载荷纯剪切应变的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种控制高速冲击载荷纯剪切应变的方法，步骤为：将待测试样加工为帽状试样，设定预变形量d1；通过环状承压模型计算出环状承压装置的内径dc和高度h，环状承压装置的外径D0为霍普金森压杆的直径，制成环状承压装置；将帽状试样放入环状承压装置中，然后将装有帽状试样的环状承压装置放置于霍普金森压杆系统的透射杆与入射杆之间进行动态压缩试验。本发明通过帽状试样和环状承压装置解决现有分离式霍普金森加载装置无法控制被实验材料的应变量，解决了高速冲击载荷下难以精确控制纯剪切变形量的难题，实现了绝热剪切带或局域化变形带形成过程的动态再现。
Description
技术领域
本发明涉及控制高速冲击过程中纯剪切应变量的方法，尤其涉及一种控制高速冲击纯剪切应变量的方法。
背景技术
镁合金是工业应用中最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造以及船舶等行业中已经大量被应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对镁合金的动态性能要求也日益提高。
随着镁合金的大量应用，原有准静态力学性能和组织的研究难以满足镁合金应用的需求，关于镁合金的动态力学性能研究以及组织演变规律成为当今热点研究问题。
分离式霍普金森压杆系统是被公认的最常用最有效的研究脉冲动态载荷作用下的力学性质实验装置，能够满足对合金的动态力学性能进行检测。分离式霍普金森压杆系统虽然提供了材料高应变速率动态变形条件，但是难以对材料的应变量进行控制。这是由于分离式霍普金森压杆系统载荷源是由高速射击的子弹所提供，通过控制射击子弹压室的气压以及子弹深度只能对应变速率进行控制，无法控制被实验材料的应变量。
发明内容
发明目的：
本发明提出一种控制高速冲击纯剪切应变量的方法，其目的在于解决现有分离式霍普金森加载装置无法控制被实验材料应变量的问题。
技术方案：
一种控制高速冲击载荷纯剪切应变的方法，步骤为：将待测试样加工为帽状试样，设定预变形量d1；通过环状承压模型计算出环状承压装置的内径dc和高度h，环状承压装置的外径D0为霍普金森压杆的直径，制成环状承压装置；将帽状试样放入环状承压装置中，然后将装有帽状试样的环状承压装置放置于霍普金森压杆系统的透射杆与入射杆之间进行动态压缩试验。
所述环状承压模型为：
dc＝f+d2
h＝c-d1
式中，a为帽状试样上部结构的半径，b为帽状试样下部结构的高度，c为帽状试样的高度，d为帽状试样下部结构内部的高度，e为帽状试样下部结构内环的半径，f为帽状试样下部结构外环的半径，h为环状承压装置的高度，dc为环状承压装置的内径，d1为帽状试样与环状承压装置的高度差，d2为帽状试样的位移值。
帽状试样高度c高于环状承压装置的高度h，帽状试样高度c高于环状承压装置的高度h的范围为4.70-2.45mm。
所述帽状试样为上部结构和下部结构组成的一体帽状结构，上部结构为圆柱形结构，下部结构为中空的圆柱形结构；下部结构内环的半径e小于上部结构的半径a，上部结构圆柱形的半径a小于下部结构结构外环半径f。
下部结构内环的半径e与上部结构圆柱形的半径a与下部结构结构外环半径f的比值为1：1.2-1.4：1.7。
所述帽状试样的上部结构与下部结构连接处设置为弧形。
所述环状承压装置的中空的圆柱形结构。
所述环状承压装置应用过程中，环状承压装置所承受的载荷不高于其屈服强度。
设定d1的过程中需要充分考虑环状承压装置材料的弹性变形。
优点效果：
本发明通过帽状试样和环状承压装置解决现有分离式霍普金森加载装置无法控制被实验材料的应变量，解决了高速冲击载荷下难以精确控制纯剪切变形量的难题，推动了高速冲击变形过程中绝热剪切带或局域化变形带的组织演变的研究进程，实现了绝热剪切带或局域化变形带形成过程的动态再现。
附图说明
图1帽状材料试样与环状承压的装置示意图；
图2帽状材料试样高速变形过程中的扩展评估示意图；
图3承压环的尺寸设计示意图；
图4本发明所设计装置在冲击加载前的组装结构示意图；
图5冲击后1级承压环的AZ31金相组织；
图6冲击后2级承压环的AZ31金相组织；
图7冲击后3级承压环的AZ31金相组织；
图8冲击后4级承压环的AZ31金相组织；
图中标注：1、帽状试样，2、环状承压装置，11、下部结构，12、下部结构。
具体实施方式
以下结合说明书附图更详细的说明本发明。
本发明提供一种控制高速冲击载荷纯剪切应变的方法，应用于高速冲击过程中，获得预定的纯剪切应变量。所述方法通过高速冲击试验加载装置，用于加载冲击载荷并进行冲击压缩；本发明基于霍普金森压杆试验装置，引入试样装置，即帽状试样1和环状承压装置2。帽状试样1提供了一种获得纯剪切状态的几何特性；环状承压装置2承受试样达到设定应变量后的加载载荷，有效的限制后续加载脉冲对试样的持续压缩加载，二者结合实现了纯剪切应变的有效控制。
一种控制高速冲击载荷纯剪切应变的方法，步骤为：将待测试样加工为帽状试样1，设定预变形量d1；如图2所示，测量帽状试样1上部结构11圆柱形的半径a、帽状试样1下部结构12的高度b、帽状试样1的高度c、帽状试样1下部结构12内部中空结构的高度d、帽状试样1下部结构12中空圆环内环的半径e和帽状试样1下部结构12结构外环半径f，建立环状承压模型；将数据输入到模型中计算出环状承压装置2的内径dc和高度h，环状承压装置2的外径D0为霍普金森压杆的直径，以实现纯剪切应变的有效控制，根据内径dc、高度h和外径D0制成环状承压装置2；将帽状试样1放入环状承压装置2中，然后将装有帽状试样1的环状承压装置2放置于霍普金森压杆系统的透射杆与入射杆之间进行动态压缩试验。
环状承压模型为：
dc＝f+d2
h＝c-d1
式中，a为帽状试样1上部结构11的半径，b为帽状试样1下部结构12的高度，c为帽状试样1的高度，d为帽状试样1下部结构12内部的高度，e为帽状试样1下部结构12内环的半径，f为帽状试样1下部结构12外环的半径，h为环状承压装置2的高度，dc为环状承压装置2的内径，d1为帽状试样1与环状承压装置2的高度差，d2为帽状试样1的位移值。
帽状试样1高度c高于环状承压装置2的高度h，帽状试样1高度c高于环状承压装置2的高度h的范围为4.70-2.45mm。从而在冲击强度过大时，承压环可阻止材料的持续变形，避免其达到断裂所需变形量，在保证材料的应变速率同时又能有效降低冲击强度，提高绝热剪切组织的捕捉效率。
如图1所示，帽状试样1为上部结构11和下部结构12组成的一体帽状结构，上部结构11为圆柱形结构，其的剖面为矩形结构，下部结构12为中空的圆柱形结构，其剖面为门字形结构；下部结构12内环的半径e小于上部结构11的半径a，上部结构11圆柱形的半径a小于下部结构12结构外环半径f。
下部结构12内环的半径e与上部结构11圆柱形的半径a与下部结构12结构外环半径f的比值为1：1.2-1.4：1.7。即e：a：f＝1：1.2-1.4：1.7，e与a的差值即为预制剪切区域宽度，在此尺寸比例条件下的帽状试样1将塑性变形及剪切破坏过程约束在特定的预制区域内，且保证剪切区域发生均匀变形，便于对材料的变形和绝热剪切破坏过程进行捕捉与研究。
所述帽状试样1的上部结构11与下部结构12连接处设置为弧形。弧度R＝0.15，事实上受帽状剪切试样加载过程中试样的几何特征和变形结构的影响，剪切区不是理想状态下的纯剪切状态，受复杂的应力状态影响，弧形设计弧形设计使试样在动态载荷作用下，帽状试样1的剪切方向与最大剪切方向趋于一致，便于得到其广义等效应力，减小实验误差。
环状承压装置2的中空的圆柱形结构，其横剖面为环状的圆柱形结构。与霍普金森两个压杆形状相对应，环状承压装置2用于分担高应变速率对帽状试样1过高的冲击强度，限制帽状试样1的压缩变形量，提高绝热剪切组织的捕捉率。
所述环状承压装置2应用过程中，环状承压装置2所承受的载荷不高于其屈服强度。
计算d1的过程中需要充分考虑环状承压装置2材料的弹性变形，即动态压缩强度能够造成帽状试样1发生绝热剪切的同时低于承压环弹性变形强度，否则无法达到控制帽状试样1变形量的目的。
具体实施案例：
1.实验材料
1.1帽状试样1材料
本发明所使用的帽状试样1和承压环材料，分别为铸态AZ31镁合金和Cr12MoV模具钢，其化学成分应分别符合表1和表2的要求。
表1 AZ31镁合金化学成分
表2 Cr12MoV模具钢化学成分
2.尺寸要求
本发明所使用的帽状试样1和承压环尺寸应分别符合表3和表4要求。不同尺寸的承压环旨在动态载荷作用下根据材料的不同变形量对绝热剪切带的萌生和演化进行捕捉。
表3帽状试样1尺寸
表4承压环尺寸
3.实验设备
动态压缩性能实验所选用的设备是分离式霍普金森压杆系统。其工作原理设定氮气压室气压和子弹深度，发射子弹冲击入射杆；在子弹与入射杆撞击过程中会产生应力波，应力波通过入射杆传递致试样处对试样产生作用；透过试样的应力波由透射杆传递至吸收杆，在吸收杆与阻尼器的共同作用下，应力波衰减消失。在试样中产生的反射波通过入射杆传出。入射杆与透射杆上的应变片将应力波(入射波、反射波和透射波)的信号进行测定，通过动态应变仪将应变信号转变为电信号通过示波器进行显示和记录。
4.实验过程
将加工好的帽状试样1放入承压环装置中，然后将其放置于霍普金森压杆系统的透射杆与入射杆之间，设定氮气压室气压为0.5MPa和子弹深度为400mm，进行应变速率为2000s-1的动态压缩试验。
5.实验结果
试样变形情况统计如表5所示。2000s-1应变率条件下，1～4级承压环装置内的AZ31金相组织分别如图5～8所示。在1级和2级承压环限制作用下，由于未达到帽状试样1最大应变量，大部分的外载荷没有作用到帽状试样1上，因此其金相组织中只在帽状试样1两拐角处产生一定的组织变形；在3级承压环的限制作用下，试样金相照片中发现了明显的绝热剪切带组织；4级承压环限制作用下，在试样拐角处有裂纹产生，出现绝热剪切带组织和裂纹共存现象，说明此时材料处于临界失效状态，承压环的存在有效的控制了帽状试样1的应变量，解决了高速冲击载荷作用下下难以精确控制材料纯剪切变形量的难题，实现了在特定剪切区域绝热剪切带演化过程的捕捉。
表5冲击后帽状试样1动态变形统计
Claims (7)
1.一种控制高速冲击载荷纯剪切应变的方法，其特征在于：
步骤为：将待测试样加工为帽状试样（1），设定预变形量d1；通过环状承压模型计算出环状承压装置（2）的内径dc和高度h，环状承压装置（2）的外径D0为霍普金森压杆的直径，制成环状承压装置（2）；将帽状试样（1）放入环状承压装置（2）中，然后将装有帽状试样（1）的环状承压装置（2）放置于霍普金森压杆系统的透射杆与入射杆之间进行动态压缩试验；
所述环状承压模型为：
；
式中，a为帽状试样（1）上部结构（11）的半径，b为帽状试样（1）下部结构（12）的高度，c为帽状试样（1）的高度，d为帽状试样（1）下部结构（12）内部的高度，e为帽状试样（1）下部结构（12）内环的半径，f为帽状试样（1）下部结构（12）外环的半径，h为环状承压装置（2）的高度，dc为环状承压装置（2）的内径，d1为帽状试样（1）与环状承压装置（2）的高度差，d2为帽状试样（1）的位移值；
所述帽状试样（1）为上部结构（11）和下部结构（12）组成的一体帽状结构，上部结构（11）为圆柱形结构，下部结构（12）为中空的圆柱形结构；下部结构（12）内环的半径e小于上部结构（11）的半径a，上部结构（11）圆柱形的半径a小于下部结构（12）结构外环半径f。
2.根据权利要求书1所述的控制高速冲击载荷纯剪切应变的方法，其特征在于：帽状试样（1）高度c高于环状承压装置（2）的高度h，帽状试样（1）高度c高于环状承压装置（2）的高度h的范围为4.70-2.45mm。
3.根据权利要求书1所述的控制高速冲击载荷纯剪切应变的方法，其特征在于：下部结构（12）内环的半径e与上部结构（11）圆柱形的半径a与下部结构（12）结构外环半径f的比值为1：1.2-1.4：1.7。
4.根据权利要求书1所述的控制高速冲击载荷纯剪切应变的方法，其特征在于：所述帽状试样（1）的上部结构（11）与下部结构（12）连接处设置为弧形。
5.根据权利要求书1所述的控制高速冲击载荷纯剪切应变的方法，其特征在于：所述环状承压装置（2）的中空的圆柱形结构。
6.根据权利要求书1所述的控制高速冲击载荷纯剪切应变的方法，其特征在于：所述环状承压装置（2）应用过程中，环状承压装置（2）所承受的载荷不高于其屈服强度。
7.根据权利要求书1所述的控制高速冲击载荷纯剪切应变的方法，其特征在于：设定d1的过程中需要充分考虑环状承压装置（2）材料的弹性变形。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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