CN113834724A - 一种中应变率材料拉伸力学性能测试装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中应变率材料拉伸力学性能测试装置及测试方法，属于材料力学性能测试技术领域，包括结构支撑框架、加载滑框、试样夹持机构、滑框位置锁定机构、拉伸弹性件、加载螺栓。测试过程中，通过采用落锤冲击试验机的冲击锤头加载测试装置，记录加载过程中的冲击力—位移曲线，并最终转换为材料的拉伸应力—应变曲线。本发明所提出的测试装置在加载过程中，通过加载滑框受冲击后在结构支撑框架内的滑动，带动试样夹持机构向下移动，动态拉伸材料试样获取材料力学性能。本发明结构简单、制造成本低、携带方便，能有效测量中应变率下材料的动态拉伸应力—应变曲线，由此解决采用高速液压试验机测试成本过于高昂的问题。

Description

一种中应变率材料拉伸力学性能测试装置及测试方法
技术领域
本发明属于材料力学性能测试技术领域，更具体地，涉及一种中应变率材料拉伸力学性能测试装置及测试方法。
背景技术
在汽车、船舶、航天航空等各个领域，结构碰撞安全防护与设计对于保障人民生命财产安全、节约能源、促进环保等方面具有十分重要的实际意义。在结构安全防护与设计过程中，材料在动态加载条件下的应力应变本构关系是必不可少的。特别是对于应变率敏感材料，如低碳钢，在不同应变率加载条件下材料强度具有十分明显的差别，在结构设计中必须予以考虑。
目前，准静态条件下材料的地应变率应力应变关系通常采用万能材料试验机进行，其应变率范围约为0.00001-1(1/s)之间。对于材料在高应变率(1000-100000,1/s)下的力学性能，通常采用霍普金森杆进行测试。对于应用最为广泛的中低速碰撞问题中，材料的中应变率(1-1000,1/s)力学性能测试则通常采用高速液压试验机进行，例如德国兹韦克ZwickRoell的HTM5020和美国英斯特朗INSTRON的VHS8800材料试验机。但此类试验机售价十分高昂，即使仅借助此类试验机进行少量试样的测试，价格也不低。基于这一考虑，目前亟需提出一种力学性能测试装置从而降低测试成本。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了种中应变率材料拉伸力学性能测试装置及测试方法，其结构简单、制造成本低、携带方便，能有效测量应变率在10-1000(1/s)下的材料动态拉伸应力应变曲线，由此解决采用高速液压试验机测试成本过于高昂的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种中应变率材料拉伸力学性能测试装置，该装置包括结构支撑框架、加载滑框、试样夹持机构、弹性拉伸件和加载螺栓；
所述加载滑框嵌于所述结构支撑框架的滑槽内，并可上下滑动；所述试样夹持机构包括相对设置的第一试样夹持件和第二试样夹持件，所述第一试样夹持件固定设置于所述结构支撑框架的顶板，所述第二试样夹持件设置于所述加载滑框的底板；
所述加载螺栓的螺杆可自由穿过位于所述加载滑框底板上的圆孔并与所述第二试样夹持件相接，所述加载滑框以螺杆长度为行程向下移动；所述加载螺栓的头部直径大于所述圆孔的孔径，当所述加载滑框的底板与加载螺栓头部接触时，带动所述第二试样夹持件向下移动并对拉伸试样进行拉伸；
所述弹性拉伸件设置于所述试样夹持机构的两侧，且其两端分别连接于所述结构支撑框架的顶板和所述加载滑框的底板，所述弹性拉伸件用于对所述加载滑框提供向上的拉力。
优选地，还包括结构相同的第一滑框位置锁定机构和第二滑框位置锁定机构，所述第一滑框位置锁定机构和第二滑框位置锁定机构对称设置于所述结构支撑框架的内侧，用于固定拉伸试验开始时所述加载滑框相对于所述结构支撑框架的位置高度。
优选地，所述第一滑框位置锁定机构和第二滑框位置锁定机构的侧面分别与所述加载滑框的两个内侧面接触，且接触面之间可相对自由滑动。
优选地，所述第一滑框位置锁定机构包括滑框位置锁定机构竖向板和滑框位置锁定机构横向板；
所述滑框位置锁定机构竖向板设置于所述结构支撑框架内侧；所述滑框位置锁定机构横向板的两端固定于所述滑框位置锁定机构竖向板，且位于所述加载滑框底板的上方。
优选地，还包括结构支撑框架底板，所述结构支撑框架底板设置于所述结构支撑框架的底部。
优选地，所述结构支撑框架底板上设有缓冲垫，所述缓冲垫位于所述加载滑框的下方。
优选地，所述弹性拉伸件为弹簧。
按照本发明的另一方面，提供了一种中应变率材料拉伸力学性能测试方法，该方法包括以下步骤：
将拉伸试样固定于第一试样夹持件和第二试样夹持件之间；
使用落锤冲击试验机对测试装置进行冲击加载，加载过程中，落锤的冲击锤头撞击加载滑框的上表面，加载滑框在结构支撑框架的滑槽内向下滑动，并对拉伸试样进行拉伸；通过落锤冲击试验机的数据采集系统，获取冲击加载过程的力—位移曲线；
对冲击加载过程落锤冲击试验机获取的力—位移曲线进行转换，得到拉伸试样材料的动态拉伸应力—应变曲线。
优选地，通过设定落锤试验机的加载速度和拉伸试样测量段的长度可以获得不同加载应变率下的测试结果。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提出的中应变率材料拉伸力学性能测试装置结构简单、制造成本低、携带方便，能有效测量中应变率下材料的动态拉伸应力—应变曲线，由此解决采用高速液压试验机测试成本过于高昂的问题。
2、本发明提出的中应变率材料拉伸力学性能测试装置通过设置拉伸弹性件和加载螺栓避免了加载滑框的冲击应力波传播和惯性力对材料动态拉伸测试结果的影响，能够达到很高的测试精度。
3、本发明提出的中应变率材料拉伸力学性能测试装置通过更换夹持件或拓展结构框架形式，可对二维或三维拉伸样进行中应变率材料拉伸力学性能测试。
4、本发明提出的中应变率材料拉伸力学性能测试装置通过在加载滑框下方留有足够的移动距离并设有缓冲垫，使落锤锤头加载后能拥有充分的缓冲距离，通过利用落锤试验机的缓冲器和缓冲垫进行缓冲，避免对测试装置的结构和落锤冲击试验机的传感器造成破坏。
5、本发明提出的中应变率材料拉伸力学性能测试方法可对各种材料进行中应变率材料拉伸力学性能测试，制作成本低，测试流程简单易行，测试精度高。
附图说明
图1是本发明中应变率材料拉伸力学性能测试装置的结构示意图；
图2是本发明中应变率材料拉伸力学性能测试装置的正视图；
图3是本发明中应变率材料拉伸力学性能测试装置中滑框位置锁定机构的安装示意图；
图4是本发明中应变率材料拉伸力学性能测试装置中滑框位置锁定机构的结构示意图；
图5是本发明中应变率材料拉伸力学性能测试装置中拉伸试样的结构示意图；
图6是本发明中应变率材料拉伸力学性能测试装置对三维拉伸样进行中应变率材料拉伸力学性能测试的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-结构支撑框架；2-加载滑框；3-第一试样夹持件；4-第二试样夹持件；5-第一滑框位置锁定机构；6-第二滑框位置锁定机构；7-弹性拉伸件；8-拉伸试样；9-加载螺栓；10-缓冲垫；11-结构支撑框架底板；12-滑框位置锁定机构竖向板；13-滑框位置锁定机构横向板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为实现中应变率材料拉伸力学性能测试，所采用的落锤冲击试验机应具备获取冲击加载过程中冲击力—位移曲线的功能。通过采用落锤试验机的冲击锤头加载本发明所提出的测试装置，记录加载过程中的冲击力—位移曲线，并最终转换为材料的拉伸应力—应变曲线。为保证冲击加载过程中材料变形的应变率基本保持不变，冲击加载锤体的能量应为材料拉伸试样变形过程所耗散能量的10倍以上，此时可保证加载过程中材料加载应变率变化小于5.2％。材料拉伸试样变形过程所耗散能量可参考准静态拉伸时的能量耗散。如对材料测试中的应变率变化范围的要求不高，冲击锤体能量要求可适当降低。
如图1-5所示，本发明提出一种中应变率材料拉伸力学性能测试装置，主要包括结构支撑框架1、加载滑框2、第一试样夹持件3、第二试样夹持件4、第一滑框位置锁定机构5、第二滑框位置锁定机构6、弹性拉伸件7、拉伸试样8、加载螺栓9、缓冲垫10和结构支撑框架底板11。
具体的，所述加载滑框2嵌入在结构支撑框架1的滑槽内滑动；所述第一试样夹持件3与所述结构支撑框架1的顶板采用加载螺栓或其它方式固定；所述第二试样夹持件4与所述加载螺栓9通过螺纹孔连接，同时加载螺栓9的螺杆部分可自由的穿过加载滑框2底板上的圆孔，所述加载螺栓9的头部直径大于加载滑框2底板的孔径，当所述加载滑框2底板下移接触加载螺栓头部时，将带动所述第二试样夹持件4向下移动并对拉伸试样8进行拉伸。开始测试时，所述加载螺栓9的头部与加载滑框2的底板应保持一定距离L，这一距离设置避免了冲击锤头撞击加载滑框时产生的力值振荡和滑框自身惯性力对测试结果的影响。
作为本发明的另一个实施例，所述加载滑框2与所述支撑框架1的连接方式可替换为轴与轴承等其他连接方式。
更进一步的说明，通过更换夹持件或拓展结构框架形式，本发明可对二维或三维拉伸试样进行中应变率材料拉伸力学性能测试。如图6所示提供了一种不包含夹具的三维拓展结构框架示意图。
更进一步的说明，所述第一试样夹持件3、所述第二试样夹持件4和拉伸试样8上配有圆孔，确保拉伸过程中拉伸试样不发生滑移。
更进一步的说明，所述弹性拉伸件7通过吊环加载螺栓连接于所述结构支撑框架1的顶板和所述加载滑框2的底板之间。作为本发明的优选实施例，所述弹性拉伸件7为弹簧。在测试开始时，弹簧应处于拉伸状态。为保证测试过程中结构的稳定性，所述结构支撑框架1的结构支撑框架底板11可适当增大尺寸或通过螺栓固定于落锤冲击试验机底面。
需要说明的是，在保证正常夹持的情况下，所述第二试样夹持件4的重量应尽量小，降低其重力和惯性力对测试结果的影响。
更进一步的说明，所述第一滑框位置锁定机构5和所述第二滑框位置锁定机构6通过螺丝固定于所述结构支撑框架1内部的左右两个侧面。所述第一滑框位置锁定机构5和所述第二滑框位置锁定机构6结构完全相同，且所述第一滑框位置锁定机构5和所述第二滑框位置锁定机构6均包括滑框位置锁定机构竖向板12和滑框位置锁定机构横向板13。
具体的，所述滑框位置锁定机构竖向板12上具有等间距的螺纹孔，所述滑框位置锁定机构横向板13通过螺钉固定在选定的螺纹孔内，从而锁定所述加载滑框2的位置并保证弹性拉伸件7受拉，此时所述第二试样夹持件4的最下方与所述加载滑框2底板上表面应具有一定的距离，避免拉伸试样受压变形。选择弹簧时应选择确定合适的长度、最大拉伸比及弹簧刚度系数k，使落锤冲击加载后弹簧不会发生塑性变形。弹簧的长度选择还需考虑冲击拉伸测试完成后，锤头仍具有足够的缓冲距离使冲击动能被落锤试验机的缓冲器吸收，不会导致试验机的力传感器或本发明的测试装置发生损坏。
本发明的一个实施例提出一种中应变率材料拉伸力学性能测试方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一，将本发明的测试装置放置或固定于具备记录冲击力—位移曲线的落锤冲击试验机下端。
步骤二，设定落锤冲击试验机的加载速度V和锤体重量M，使总能量满足大于材料拉伸试样所耗散能量的10倍以上的要求；如应变率精度要求不高，可适当降低这一倍数要求。
步骤三，材料拉伸应变率
Figure BDA0003309640320000071
由落锤冲击试验机加载速度V和拉伸试样8中间段标距S计算得到，即
Figure BDA0003309640320000072
步骤四，将拉伸试样固定于第一试样夹持件和第二试样夹持件。
步骤五，通过结构支撑框架上的第一滑框位置锁定机构和第二滑框位置锁定机构锁定加载滑框的位置，此时弹簧应处于受拉状态，第二试样夹持件的最下方与加载滑框底板上表面应具有一定的距离，避免试样受压变形；同时加载螺栓的头部与加载滑框的底面应保持一定距离L，避免冲击锤头撞击加载滑框时产生的力值振荡和滑框自身惯性力对测试结果的影响。
步骤六，使用落锤冲击试验机对本发明的测试装置进行冲击加载。加载过程中，落锤的冲击锤头撞击加载滑框的上表面，加载滑框两侧的滑杆在结构支撑框架的滑槽内向下滑动，并对拉伸试样进行拉伸；通过落锤冲击试验机的数据采集系统，获取冲击加载过程的力—位移曲线。
步骤七，对冲击加载过程落锤冲击试验机获取的力—位移曲线进行转换，获得试样材料的动态拉伸应力—应变曲线。其中工程应力的计算需采用冲击力传感器采集的力值减去弹簧的实时力值，并加上第二试样夹持件的重量，然后除以试样的截面积得到。工程应变由试样被拉伸的距离除以拉伸试样中间段标距S得到。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种中应变率材料拉伸力学性能测试装置，其特征在于，该装置包括结构支撑框架(1)、加载滑框(2)、试样夹持机构、弹性拉伸件(7)和加载螺栓(9)；
所述加载滑框(2)嵌于所述结构支撑框架(1)的滑槽内，并可上下滑动；所述试样夹持机构包括相对设置的第一试样夹持件(3)和第二试样夹持件(4)，所述第一试样夹持件(3)固定设置于所述结构支撑框架(1)的顶板，所述第二试样夹持件(4)设置于所述加载滑框(2)的底板；
所述加载螺栓(9)的螺杆可自由穿过位于所述加载滑框(2)底板上的圆孔并与所述第二试样夹持件(4)相接，所述加载滑框(2)以螺杆长度为行程向下移动；所述加载螺栓(9)的头部直径大于所述圆孔的孔径，当所述加载滑框(2)的底板与加载螺栓头部接触时，带动所述第二试样夹持件(4)向下移动并对拉伸试样(8)进行拉伸；
所述弹性拉伸件(7)设置于所述试样夹持机构的两侧，且其两端分别连接于所述结构支撑框架(1)的顶板和所述加载滑框(2)的底板，所述弹性拉伸件(7)用于对所述加载滑框(2)提供向上的拉力。
2.根据权利要求1所述的一种中应变率材料拉伸力学性能测试装置，其特征在于，还包括结构相同的第一滑框位置锁定机构(5)和第二滑框位置锁定机构(6)，所述第一滑框位置锁定机构(5)和第二滑框位置锁定机构(6)对称设置于所述结构支撑框架(1)的内侧，用于固定拉伸试验开始时所述加载滑框(2)相对于所述结构支撑框架(1)的位置高度。
3.根据权利要求2所述的一种中应变率材料拉伸力学性能测试装置，其特征在于，所述第一滑框位置锁定机构(5)和第二滑框位置锁定机构(6)的侧面分别与所述加载滑框(2)的两个内侧面接触，且接触面之间可相对自由滑动。
4.根据权利要求3所述的一种中应变率材料拉伸力学性能测试装置，其特征在于，所述第一滑框位置锁定机构(5)包括滑框位置锁定机构竖向板(12)和滑框位置锁定机构横向板(13)；
所述滑框位置锁定机构竖向板(12)设置于所述结构支撑框架(1)内侧；所述滑框位置锁定机构横向板(13)的两端固定于所述滑框位置锁定机构竖向板(12)，且位于所述加载滑框(2)底板的上方。
5.根据权利要求1所述的一种中应变率材料拉伸力学性能测试装置，其特征在于，还包括结构支撑框架底板(11)，所述结构支撑框架底板(11)设置于所述结构支撑框架(1)的底部。
6.根据权利要求5所述的一种中应变率材料拉伸力学性能测试装置，其特征在于，所述结构支撑框架底板(11)上设有缓冲垫(10)，所述缓冲垫(10)位于所述加载滑框(2)的下方。
7.根据权利要求1所述的一种中应变率材料拉伸力学性能测试装置，其特征在于，所述弹性拉伸件(7)为弹簧。
8.一种使用如权利要求1-7任一项所述的中应变率材料拉伸力学性能测试装置的测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
将拉伸试样固定于第一试样夹持件和第二试样夹持件之间；
使用落锤冲击试验机对测试装置进行冲击加载，加载过程中，落锤的冲击锤头撞击加载滑框的上表面，加载滑框在结构支撑框架的滑槽内向下滑动，并对拉伸试样进行拉伸；通过落锤冲击试验机的数据采集系统，获取冲击加载过程的力—位移曲线；
对冲击加载过程落锤冲击试验机获取的力—位移曲线进行转换，得到拉伸试样材料的动态拉伸应力—应变曲线。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，通过设定落锤试验机的加载速度和拉伸试样测量段的长度可以获得不同加载应变率下的测试结果。
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