CN114047060B - 用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件，属于界面动态力学性能测试技术领域。所述试样组件包括试样和卡具，所述试样是由两块尺寸相同的板材通过爆炸焊接形成的，其中一块板材的长厚面与另一块板材的宽厚面相对应，所述板材是一个表面加工有两层阶梯台阶的长方体结构，上层台阶表面为爆炸焊接面，且两块板材中上层台阶表面通过爆炸焊接后完全重叠；所述卡具是一个一端开放且圆周面为非封闭圆的中空圆柱体结构，圆周面上对称加工两个沿轴向的U型槽，用于夹持所述试样中板材的长厚面。基于所述试样组件，结合霍普金森压杆实验装置技术以及扫描电子显微镜能够实现对爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能的测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件，属于界面动态力学性能测试技术领域。
背景技术
随着科技发展，新型材料在工业中的应用越来越广泛，其中爆炸焊接复合材料被广泛应用于航空航天、石油、化工、造船、机械、电子、电力等工业工程领域。爆炸焊接是可以把物理和化学性能相同、相近及相差悬殊的金属进行组合，甚至可以把不能或难于制成的产品进行组合到一起的有效手段。爆炸焊接的焊接质量主要以爆炸焊接不同金属板复合界面的抗拉、抗剪、抗弯曲强度、复合板界面的结晶脆化程度及复合板的硬度、抗腐蚀能力的变化等来衡量。在爆炸焊接过程中为获得良好的焊接质量，复合板的厚度尺寸受到一定的限制，使得在研究焊接界面的动态力学性能的时候，常规拉伸试样的加工设计成为众多学者的难点。目前对爆炸焊接金属板复合界面的力学性能研究也仅仅停留在静态力学方面，然而迫于没有合适的实验研究方法，还很少见关于双金属爆炸焊接复合板材界面强度动态力学性能的研究。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件，通过对试样及卡具的设计，结合霍普金森压杆实验装置技术(SHPB)以及扫描电子显微镜(SEM)能够实现对爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能的测试，填补了爆炸焊接界面强度的动态压缩拉伸力学行为研究的空白。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件，所述试样组件包括试样和卡具；
所述试样是由两块尺寸相同的板材通过爆炸焊接形成的，所述板材是一个表面加工有两层阶梯台阶的长方体结构，其中一块板材的长厚面与另一块板材的宽厚面相对应，上层台阶表面为爆炸焊接面，且两块板材中上层台阶表面通过爆炸焊接后完全重叠；另外，两块板材的材质可以相同，也可以不相同；
所述卡具是一个一端开放且圆周面为非封闭圆的中空圆柱体结构，圆周面上对称加工有两个沿轴向的U型槽；
所述卡具用于夹持所述试样中板材的长厚面，所述试样中的两块板材用两个卡具夹持。
其中，所述试样中板材的长度与霍普金森压杆的直径相关，所述试样中板材的宽度与卡具上U型槽的宽度相关，所述试样中板材的厚度保证加载过程中失效发生在两块板材的上层台阶区域之间；板材中下层台阶的尺寸可以根据所述试样中板材的尺寸、板材的材料性能进行适当的调整，下层台阶可以起到应力传递过程中的过渡作用，避免应力骤然变大，尤其在动态测试过程中；板材中上层台阶的尺寸可以根据下层台阶的尺寸、板材得材料性能进行适当的调整，确保所述试样在加载过程中发生失效且失效发生在两块板材的上层台阶区域之间。
进一步地，所述试样中板材的长度大于等于霍普金森压杆的直径，所述板材的长度与霍普金森压杆的直径差值优选不大于1.5mm。
进一步地，下层台阶与所述板材的连接处，以及下层台阶与上层台阶的连接处，均加工成倒圆角，可以降低测试过程中不同部分截面变化而引起的直角处的应力集中。
进一步地，下层台阶的高度(即在板材厚度方向的尺寸)记为H1，H1＝1mm～3mm。
进一步地，下层台阶为正方形台阶，下层台阶的边长优选与所述板材的宽度相等，下层台阶的边长更优选6mm～9mm。
进一步地，所述试样在板材厚度方向的尺寸记为H0，上层台阶的高度(即在板材厚度方向的尺寸)记为H2，H2＝(0.05～0.2)H0。
进一步地，上层台阶为正方形台阶，上层台阶的边长小于下层台阶的边长，上层台阶的边长优选4mm～6mm。
进一步地，卡具封闭端底面的直径与霍普金森压杆的直径相等；所述底面的厚度(即在卡具轴向的尺寸)为5mm～8mm；卡具上U型槽在周向的宽度与所述试样中板材的宽度相等；卡具的深度大于所述试样在板材厚度方向的尺寸。
进一步地，卡具与霍普金森压杆选用相同的材质，可以减少实验中对波的影响。
进一步地，试样宽厚面的光洁度以及卡具内表面的光洁度均为0.4～0.6，保证试样与卡具的装配效果，减少测试误差。
利用霍普金森压杆实验装置对装配卡具后的试样进行不同应变率下的加载测试，其中两个卡具的底面分别与霍普金森压杆接触，结合扫描电子显微镜对发生失效的断口进行微观的监测；通过对监测所获得的数据进行后续处理，可以获得爆炸焊接复合板界面强度动态压缩拉伸力学性能的应力应变关系及其动态演化失效机理，从而实现对不同参数爆炸焊接复合板界面强度动态压缩拉伸力学性能及其失效机理的评估。
有益效果：
本发明通过对试样结构的设计，可以确保试样在动态拉伸的过程中，保证动态的拉伸应力主要集中在试样的爆炸焊接界面上，并在爆炸焊接界面处发生失效断裂；结合霍普金森压杆实验装置技术以及扫描电子显微镜能够实现对爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能的测试，填补了爆炸焊接界面强度的动态压缩拉伸力学行为研究的空白，而且对于获得良好的爆炸焊接复合板及降低产品的废品率、提高产品的质量和寿命有着重要的参考价值，同时对指导爆炸焊接复合板的实际生产加工以及爆炸焊接参数的选取都有着重要的指导作用。
附图说明
图1为实施例1中所述试样的结构示意图。
图2为实施例1中所述卡具的结构示意图。
图3为图2的A-A视图。
图4为实施例1中所述试样与卡具的装配示意图。
图5是利用霍普金森压杆实验装置技术对实施例1中所述试样进行动态加载试验的装置结构图。
其中，1-子弹，2-入射杆，3-应变计Ⅰ，4-试样组件，5-应变计Ⅱ，6-透射杆，7-惠斯通电桥Ⅱ，8-导线，9-惠斯通电桥Ⅰ，10-光电开关，11-超动态应变仪，12-电脑。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施例1
以长×宽×厚为600mm×300mm×150mm的大面积钛(TA2)-钢(Q235)爆炸焊接复合板为研究对象，研究其爆炸焊接界面强度的动态压缩拉伸的力学性能，具体包括以下步骤：
(1)从大面积复合板上切割出长×宽×厚为15mm×15mm×14mm的小面积复合板，小面积复合板包含两块尺寸相同的钛板和钢板，且爆炸焊接界面位于小面积复合板的厚度中心线上；
在所述小面积复合板厚度方向上，分别将所述小面积复合板中的钛板以及钢板加工成阶梯台阶状结构，由钛板或钢板的一个表面至其另一个爆炸焊接表面依次分为加载底面、下层过渡台阶、上层测试台阶，钛板以及钢板的加载底面分别加工成长为15mm、宽为8mm、高为4mm的长方体结构，且钛板的长厚面与钢板的宽厚面相对应，钛板以及钢板中的下层过渡台阶均是边长为8mm、高为1.5mm的正方形台阶，钛板以及钢板中的上层测试台阶均是边长为5mm、高为1.5mm的正方形台阶，上层测试台阶表面为爆炸焊接面，上层测试台阶与下层过渡台阶连接处以及下层过渡台阶与加载底面连接处均加工成R＝1mm的倒圆角，则得到用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样，如图1所示；
采用与霍普金森压杆相同的材质(如常见的18Ni250钢材)制作两个卡具，所述卡具是一个一端开放且圆周面为非封闭圆的中空圆柱体结构，圆周面上对称加工两个沿轴向的U型槽，如图2所示；卡具封闭端底面的直径与霍普金森压杆的直径相等为14.5mm，卡具底面的厚度(即在卡具轴向的尺寸)为5mm，卡具上的U型槽的宽度(即在卡具周向的尺寸)与所述试样中钛板或钢板的宽度相等为8mm，卡具的深度(或卡具上U型槽的深度)为25mm，如图2和图3所示；
(2)分别对所述试样的长厚面以及所述卡具的内表面进行抛光处理使其表面光洁度达到0.4～0.6，之后用酒精清洗晾干备用；
(3)在所述试样中钛板的加载底面的长厚面以及钢板的加载底面的长厚面分别装配一个卡具，形成试样组件4，如图4所示；
(4)将试样组件4放置在霍普金森压杆实验装置的入射杆2和透射杆6之间，两个卡具的底面分别与透射杆6和入射杆2接触，通过改变子弹1的长度和加载速率实现对试样组件4不同应变率的加载，结合扫描电子显微镜对发生失效的断口进行微观的监测；
如图5所示，所述霍普金森压杆实验装置包括子弹1、入射杆2、应变片Ⅰ3、应变片Ⅱ5、透射杆6、惠斯通电桥Ⅱ7、惠斯通电桥Ⅰ9、光电开关10、超动态应变仪11和电脑12；入射杆2的应变信号(入射应变和反射应变)由黏贴在入射杆2上的应变片Ⅰ3采集，透射杆6的应变信号(透射应变)由黏贴在透射杆6上的应变片Ⅱ5采集，应变片Ⅰ3采集的信息通过惠斯通电桥Ⅰ9以及应变片Ⅱ5采集的信息通过惠斯通电桥Ⅱ7后再经过超动态应变仪11被记录到电脑12上；子弹1的撞击速度可通过两个光电开关10的距离与子弹1通过两个光电开关10的时间差进行估算；
(5)对霍普金森压杆实验装置采集到的实验数据以及扫描电子显微镜监测到的动态变化过程数据进行后续的处理，从而得到爆炸焊接钛-钢复合板爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能的应力应变关系及其动态演化失效机理，从而实现对不同参数爆炸焊接复合板界面强度动态压缩拉伸力学性能及其失效机理的评估。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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)
1.一种用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件，其特征在于：所述试样组件包括试样和卡具；
所述试样是由两块尺寸相同的板材通过爆炸焊接形成的，所述板材是一个表面加工有两层阶梯台阶的长方体结构，其中一块板材的长厚面与另一块板材的宽厚面相对应，上层台阶表面为爆炸焊接面，且两块板材中上层台阶表面通过爆炸焊接后完全重叠；
所述卡具是一个一端开放且圆周面为非封闭圆的中空圆柱体结构，圆周面上对称有加工两个沿轴向的U型槽；
所述卡具用于夹持所述试样中板材的长厚面，所述试样中的两块板材用两个卡具夹持。
2.根据权利要求1所述的一种用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件，其特征在于：所述试样中板材的长度大于等于霍普金森压杆的直径。
3.根据权利要求2所述的一种用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件，其特征在于：所述试样中板材的长度与霍普金森压杆的直径差值不大于1.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件，其特征在于：所述板材中下层台阶与所述板材的连接处，以及下层台阶与上层台阶的连接处，均加工成倒圆角。
5.根据权利要求1所述的一种用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件，其特征在于：所述板材中下层台阶为正方形台阶；所述板材中上层台阶为正方形台阶，上层台阶的边长小于下层台阶的边长。
6.根据权利要求5所述的一种用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件，其特征在于：所述板材中下层台阶的边长与所述板材的宽度相等。
7.根据权利要求5所述的一种用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件，其特征在于：所述板材中下层台阶的边长为6mm～9mm；所述板材中上层台阶的边长为4mm～6mm。
8.根据权利要求1所述的一种用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件，其特征在于：所述板材中下层台阶的高度记为H1，H1＝1mm～3mm。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件，其特征在于：所述试样在板材厚度方向的尺寸记为H0，所述板材中上层台阶的高度记为H2，H2＝(0.05～0.2)H0。
10.根据权利要求1所述的一种用于爆炸焊接界面动态压缩拉伸力学性能测试的试样组件，其特征在于：卡具封闭端底面的直径与霍普金森压杆的直径相等；所述底面的厚度为5mm～8mm；卡具上U型槽在周向的宽度与所述试样中板材的宽度相等；卡具的深度大于所述试样在板材厚度方向的尺寸。
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2021
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