CN117740572A - 霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试及表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试及表征方法。涉及材料动态力学性能测试技术领域，霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试及表征方法，包括设置于光学试验平台上，由加载系统、杆组件、预加载系统、数据获取与记录系统和原位实时观测系统组成。所述加载系统包括撞击杆、气缸和炮筒，所述加载系统通过炮筒支座放置于试验平台上,其特征在于。本发明提供的霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试及表征方法具有可实现在高应变率下轴向压缩镁合金，从而确定材料高应变率下压缩的应力应变关系的优点。

Description

霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试及表征方法

技术领域

本发明涉及材料动态力学性能测试技术领域，尤其涉及霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试及表征方法。

背景技术

镁合金因其密度小、比强度和比刚度高的特点，被广泛应用于军事、航空航天和汽车等领域。我国是镁资源大国，但是在早年间我国镁产量约80％是作为原始材料低价出口，很多领域的高性能镁材反而依赖进口。目前我国镁工业仍在由原料生产大国向生产强国转型，今后还需不断地研究以推动转型的深入发展，从而将我国的镁资源优势转化为技术和经济的优势。研究镁合金的动态压缩响应，可以帮助研究人员了解材料在高速冲击作用下的行为和性能，可以更好地理解材料的变形、断裂和损伤机制，从而指导材料的设计和应用，优化材料的加工工艺，提高材料的性能和使用寿命。此外，对于一些需要承受高速冲击的应用领域，比如航空航天、汽车碰撞安全等，了解材料的动态强度和韧性是至关重要的。因此，通过试验研究材料在高速冲击下的动态强度和韧性等力学性能参数显得尤为重要。

因此，有必要提供一种霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试及表征方法解决上述技术问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种可实现在高应变率下轴向压缩镁合金，从而确定材料高应变率下压缩的应力应变关系的霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试及表征方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试及表征方法，包括设置于光学试验平台上，由加载系统、杆组件、预加载系统、数据获取与记录系统和原位实时观测系统组成。所述加载系统包括撞击杆、气缸和炮筒，所述加载系统通过炮筒支座放置于试验平台上,其特征在于，所述杆组件由依次设置的入射杆和透射杆构成。

优选的，所述数据获取与记录系统由应变片、惠斯通电桥和数据采集仪组成。

优选的，所述预加载系统包括预加载工装和杆末端作动器组成。

优选的，所述预加载工装位于入射杆前端，由与杆件材料相同的限位块和限位块固定装置组成,作动器位于透射杆末端。

优选的，所述原位实时观测系统由光学放大镜、放大镜夹持装置及高速摄像机组成。

优选的，所述入射杆和透射杆直径应不大于5mm。

本发明还提供一种霍普金森压杆的镁合金动态压缩力学性能测试及表征方法，包括以下步骤：

S1：确定镁合金的规格尺寸，将微小试样初步固定在入射杆和透射杆之间。

S2：对试样进行预加载配置，实现镁合金试样的有力夹持。

S3：对试样进行原位观测设备配置，实现镁合金试样的实时观察。

S4：进行动态压缩试验，获取高应变率下数据采集仪记录的应变数据。

S5；将数据采集仪记录的数据进行处理，获取高应变率下镁合金的压缩性能与相关技术相比较，本发明提供的霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试及表征方法具有如下有益效果：

本发明提供一种霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试及表征方法，获得了微小镁合金在高应变率下的压缩性能，本发明为镁合金材料在高应变率下的性能研究提供了新的测试方法和思路，同时为建立力学模型提供材料参数。通过原位观测系统对镁合金的破坏过程进行观察，发现镁合金在动态压缩过程中随时间均匀变形，该方法可实现对镁合金的有力夹持，同时避免过高的应力集中，使得测量试样均匀受力。与此同时实时观测到镁合金的动态破坏行为。

附图说明

图1是霍普金森压杆试验装置配置示意图；

图2是预加载装置图；

图3是具体预加载装置布置图；

图4是具体作动器布置图；

图5是放大镜夹持装置图；

图6是双臂半桥桥路原理图；

图7是入射杆和投射杆应变片所记录的原始试验数据；

图8是镁合金试样应力平衡验证曲线；

图9是镁合金试样的应变率-时间曲线；

图10是镁合金试样的应力-应变曲线；

图11是高速摄像机拍摄的微小镁合金试样的实施破坏过程。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

请结合参阅图1-图11，在本发明的实施例中，霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试包括设置于光学试验平台上的加载系统、杆组件、预加载系统、数据获取与记录系统和原位实时观测系统，所述加载系统包括撞击杆、气缸和炮筒，所述加载系统通过炮筒支座放置于试验平台上，通过电磁阀来控制加载；所述杆组件由依次设置的入射杆和透射杆构成，试样固定于入射杆和透射杆之间，所述入射杆和透射杆用于对试样进行压缩加载；所述预加载系统包括预加载工装和杆末端作动器组成，预加载工装位于入射杆前端，作动器位于透射杆末端，作动器产生预载荷由透射杆经过试样到达入射杆前端挤压预加载工装，两者协同作用对试样实现预加载作用，此外，所述作动器还可吸收试验中产生的多余能量并防止反射拉伸应力波的产生；所述数据获取与记录系统由应变片、惠斯通电桥和数据采集仪组成，将应变片贴于入射杆与投射杆上与惠斯通电桥组成桥路，通过与桥路连接的数据采集仪记录下试样加载到破坏时的应变；所述原位实时观测系统由光学放大镜、放大镜夹持装置及高速摄像机组成，镁合金压缩变形的实时图像通过光学放大镜放大被高速摄像机记录下来，可观察到微小镁合金的实时破坏过程。

所述入射杆和透射杆直径应不大于5mm，测试前，试样安装将取两端面平整的外形为圆柱体的微小镁合金试样，将其端面涂抹凡士林黏附于入射杆与透射杆之间，进行初步固定。在此过程中可通过原位实时观测系统观察微小试样是否位于两杆的中心端面上，可对试样进行微调。

所述预加载系统包括预加载工装和杆末端作动器组成，预加载工装位于入射杆前端，由与杆件材料相同的限位块和限位块固定装置组成，如图2和3所示；试验前将在入射杆前端黏附波行整形器，以确保试样在常应变率下加载；作动器位于透射杆末端，如图4所示，通过空气压缩机将压缩空气经由导气软管推动作动器运动，此过程由电磁阀控制气体通量从而控制预加载力的大小，作动器产生的预载荷由透射杆经过试样到达入射杆前端挤压预加载工装，两者协同作用对试样实现预加载作用。初步估算压缩过程中杆产生的压力约为4KN，故设计预加载的压力最大为杆力的10％，因此所采用的气动作动器最大可产生约400N的压力。

测试过程中，因为镁合金试样尺寸微小，仅通过高速摄像机无法清晰仔细观测到试样的变形，因此通过自行设计的原位实时观测系统对试样的破坏过程进行实时观测，该方法首先通过光学放大镜对压缩试样图像放大，而后通过高速摄像机将放大的破坏过程实时记录下来。放大镜夹持装置如图5所示。

测试开始时利用轻气炮，推动撞击杆撞向入射杆左端面，在入射杆的左端形成入射波(压缩应力波)，入射波由入射杆左端传递至右端，在右端部反射回左端，形成反射波(拉伸应力波)。同时，入射杆移动，带动试样左端向右移动，试样右端固定在透射杆上，透射杆会接收透射波而后也向右移动，由此对试样进行动态压缩加载。

入射杆上贴有电阻应变片，加载过程中产生的入射波和反射波应变被应变片所捕获，波形信号经过数据采集仪捕捉电压信号，与此同时将电压信号转变为应变信号，桥压为2V，低通为100kHz。信号传递到数据采集仪，记录下入射波信号，获得入射杆的应变-时间曲线。透射杆上也贴有应变片，记录下透射波信号，桥压为2V，低通为100kHz，信号传递到数据采集仪，记录下透射杆信号，获得透射杆的应变-时间曲线。

数据采集仪所记录的波形数据经过公式转换为入射杆及透射杆的形变历史，所组的惠斯通电桥为双臂半桥桥路。将两枚测量用半导体应变片对称贴在杆的上下表面，用来测量在杆中所传递的应力波，在利用另外两枚温度补偿片与上述两枚测量用应变片通过桥盒组成双臂半桥桥路。通过桥盒与数据采集仪连接，数据采集仪将提供滤波和桥压。使用双臂半桥的目的是为了抵消因杆弯曲所产生的应变。双臂半桥桥路如图6所示。其中，R1、R2为测试用应变片，R为温度补偿片。计算公式如下：

其中εb为杆件的形变，_U0为应变片形变产生的电压变化，_UI为桥压_2V，GF为应变片的灵敏系数，可用激光测速仪进行校核。

步骤五：将数据采集仪记录的数据进行处理，获取在高应变率下镁合金的压缩性能。

基于一维弹性波理论，计算出入射杆的移动速度，进而计算出试样被压缩的厚度、形变及加载率历史，验证试样的应力平衡，计算获得试样的应力历史，计算公式如下，

其中，εI和εR分别为入射杆上的应变片捕获的入射波和反射波信号，

εT为透射杆上的应变片捕获的透射波信号，、ε、σ分别为镁合金材料的应变率，应变和应力，Ls、As、CB、EB分别为镁合金试样的厚度、截面面积、杆材料的弹性波速、弹性模量。

与相关技术相比较，本发明提供的霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试具有如下有益效果：

本发明提供一种霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试，获得了微小镁合金在高应变率下的压缩性能，本发明为镁合金材料在高应变率下的性能研究提供了新的测试方法和思路，同时为建立力学模型提供材料参数。通过原位观测系统对镁合金的破坏过程进行观察，发现镁合金在动态压缩过程中随时间均匀变形，该方法可实现对镁合金的有力夹持，同时避免过高的应力集中，使得测量试样均匀受力。与此同时实时观测到镁合金的动态破坏行为。

本发明还提供一种霍普金森压杆的镁合金动态压缩力学性能测试及表征方法，包括以下步骤：

S1：使用镊子将微小镁合金试样端面涂抹少量凡士林，黏附在入射杆与透射杆之间的端面上，确保镁合金端面中轴线与杆端中轴线相合。

S2：利用空气压缩机将压缩空气经由导气软管推动作动器运动。此过程由电磁阀控制气体通量，观察气压表的示数，气压表与预载荷存在对应关系，即(0.6MPa＝380N)，从而控制预加载力的大小，作动器产生的预载荷由透射杆经过试样到达入射杆前端挤压预加载工装，两者协同作用对试样实现预加载作用。

S3：目测将高速摄像机的镜头中心轴与放大镜中心轴设置在同一条直线上，尽量确保与杆端中心轴线垂直。采用LED聚光灯为试样打光，在与高速摄像机连接的电脑上观察试样的具体位置及压缩状态，可对试样位置进行微调。高速摄像机等待触发，拍摄镁合金压缩破坏过程。

S4：进行动态压缩试验，获取在高应变率下数据采集仪记录的应变数据；将打气装置插入气缸充气口，打开气压计量表，观察气压示数；将加载触发装置与电磁阀相连，触发装置应处于关闭状态；将入射杆放置在初始位，将子弹推入炮筒底部；将连接入射杆应变片的电桥和透射杆应变片的电桥接口与数据采集仪相连，在数据采集仪上设置所需的桥压、低通和触发条件等所需的参数要求；利用数据采集仪将入射杆和透射杆的应变数据进行记录，使用打气装置向气缸打气，观察气压计量表示数，达到所需气压即停止打气；再次检查子弹到底、试样安装无误、气压表示数正常和数据采集仪处于待触发状态；打开电磁阀开关，使子弹在气压的作用下撞击入射杆，带动透射杆压缩试样，数据采集仪记录应变数据；立即将触发装置关闭，防止电磁阀过热，将破坏后的试样，编号装入试样袋中保存；将入射杆置于初始位，将子弹推入炮筒底部，为重复性试验做准备。

S5：将数据采集仪记录的应变数据进行处理，获取微小镁合金试样(LS＝1mm，DS＝2mm)在4631s-1应变率下的压缩性能。数据处理时，应首先对试样进行应力平衡校核，确保试样在动态加载过程中受力平衡，其次观察应变率-时间曲线，确认试样是否处于常应变率加载状态，是否是均匀变形。利用传统霍普金森压杆测试系统中的透射杆上的应变历史，获得加载过程中试样所受的压力，通过粘贴在入射杆上的应变片测量入射杆的应变历史，进而计算出镁合金试样的应变历史。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试，包括设置于光学试验平台上，由加载系统、杆组件、预加载系统、数据获取与记录系统和原位实时观测系统组成，所述加载系统包括撞击杆、气缸和炮筒，所述加载系统通过炮筒支座放置于试验平台上,其特征在于，所述杆组件由依次设置的入射杆和透射杆构成。

2.根据权利要求1所述的霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试，其特征在于，所述数据获取与记录系统由应变片、惠斯通电桥和数据采集仪组成。

3.根据权利要求2所述的霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试，其特征在于，所述预加载系统包括预加载工装和杆末端作动器组成。

4.根据权利要求3所述的霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试，其特征在于，所述预加载工装位于入射杆前端，由与杆件材料相同的限位块和限位块固定装置组成,作动器位于透射杆末端。

5.根据权利要求4所述的霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试，其特征在于，所述原位实时观测系统由光学放大镜、放大镜夹持装置及高速摄像机组成。

6.根据权利要求5所述的霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试，其特征在于，所述入射杆和透射杆直径应不大于5mm。

7.一种霍普金森压杆的镁合金动态压缩力学性能测试及表征方法，其特征在于，采用了权利要求1-6中任一项所述的霍普金森压杆镁合金压缩力学性能测试，包括以下步骤：

S1：确定镁合金的规格尺寸，将微小试样初步固定在入射杆和透射杆之间。

S2：对试样进行预加载配置，实现镁合金试样的有力夹持。

S3：对试样进行原位观测设备配置，实现镁合金试样的实时观察。

S4：进行动态压缩试验，获取高应变率下数据采集仪记录的应变数据。

S5；将数据采集仪记录的数据进行处理，获取高应变率下镁合金的压缩性能。