CN2490568Y - 一种高应变率冲击拉伸试验装置 - Google Patents

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李麟
符仁钰
韦习成
朱勤
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Abstract

本实用新型提供一种能产生稳应力脉冲同时冲击动量灵活可调的高应变率冲击拉伸试验装置,其基本结构是由拉伸杆系,冲击力发生器和应力波记录处理器组成,采用试样间接杆杆式结构,以利用金属短杆断裂产生的平稳拉伸方波,冲击动力为气动式,气室中活塞与小气室组成一个独立的双向驱动气缸,使冲击动量灵活可调,测试操作方便。

Description

一种高应变率冲击拉伸试验装置
1、技术领域
本实用新型涉及到一种材料拉伸性能验装置，特别是一种高应变率冲击拉伸试验装置，属于拉伸试验仪器技术领域。
2、背景技术
现有的材料拉伸性能试验装置主要是静态或准静态拉伸试验装置，其应变率在10-6～10-1/秒之间。对于材料的动态拉伸性能的研究，国际上尚无标准的试验方法和试验装置，不同的研制者针对各自的目的和对材料动态性能的要求研制了不同的冲击拉伸试验装置。按拉伸脉冲产生的方法可分为气动式和机械式；按连接试样的杆系特点又可分为杆杆式和块杆式两类，前者是试样的两端分别与输入杆和输出杆连接，后者是试样的一端与输出杆连接而另一端与撞块连接。夏渊明在1986年和1988年提出的撞块与输入杆之间设有一根理想弹性金属短杆的摆锤及旋转盘式试验装置，属于机械式间接杆杆型试验装置，这类装置的主要缺点是加力系统笨重，冲击动量调节不灵活。而日本人为了研究汽车结构钢或建筑结构钢的动态拉伸性能所提出的几种气动式冲击拉伸试验装置，属于气动加力式直接块杆型试验装置，被称为“一棒法(one bar)”这类装置主要缺点是冲击时难以获得理想的弹性波形。
3、技术方案
本实用新型的目的在于提供一种能产生平稳应力脉冲同时冲击动量灵活可调的高应变率冲击拉伸试验装置，克服现有的动态拉伸试验装置的不足。
本实用新型的技术方案是这样实现的：这种高应变率冲击拉伸试验装置，其基本结构是由拉伸杆系，冲击力发生器和应力波记录处理器组成，其特征在于：
所述的拉伸杆系是由输入杆、输出杆、金属短杆和档块组成的间接杆杆式结构，杆系各部件依杆系轴线排列，试样连接在输入杆和输出杆之间，输出杆的另一端与机架支座固连，输入杆的另一端经所述金属短杆与所述档块连接；
所述冲击力发生器是一个气动弹射装置，由气室、枪管和弹丸组成，在气室和弹丸的轴线位置上还设置一根中空支承套管，所述输入杆架持在该支撑套管内，而气室则架持在该支承套管上，所述气室和枪管的外部支承在机架支座上；
所述应力波记录处理器通过设在所述输入杆和输出杆的应变片与杆系连接。
为了改善冲击力发生器的控制调节特性，所述的高应变率冲击拉伸试验装置，还公开一种改进的气室结构，所述的气室由小气室和大气室双层气室构成，小气室及其活塞构成一个双向驱动气缸，当活塞处于推出位置时，活塞杆的外端封堵于所述大气室的出气口上，所述气室及其活塞与所述支承套管气密封连接。
所述的高应变率冲击拉伸试验装置的试样和输入和输出杆的连接可采用机械连接或焊接等方式，还可以采用胶接方式，即试样两端插入输入杆和输出杆端部的盲孔内，经粘胶与输入杆和输出杆固连。
本实用新型采用的技术方案基于一维弹性应力波的计算原理，采纳夏明渊等利用前置金属短杆的断裂所产生的平稳拉伸方波脉冲的设计思想，采用了带双向控制气缸的冲击动力装置。设在输入杆和输出杆上的应变片记录试样两端的应变信号，经过高频响应的动态应变仪器的放大，由具有存储功能的示波器存储和显示，再经过时间位移计算两端的应变信号，最终通过计算机得出材料的高应变率下的动态力学性能。本实用新型适用于测定有色金属、钢铁材料和复合材料的动态拉伸性能，拉伸应变率可在102～103/秒范围。经对几种材料的试验研究证实采用了上述技术方案后所获得的冲击拉伸试验数据与采用已有的间接杆杆式试验装置所测定的结果具有非常好的一致性，而操作时本实用新型的冲击动量调节又十分灵活方便，说明本实用新型达到预期目标。
4、附图说明
图1是本实用新型的原理示意图
图2是本实用新型试验装置整体的结构示意图
图3是图2中金属短杆局部连接示意图
图4是图2中试样局部连接示意图
图5是图2中气动部分结构示意图
图6是已有的旋转盘式冲击拉伸试验装置示意图
图7是已有的一棒法冲击拉伸试验装置示意图
图8是双向钢试验的原始动力波曲线图
图9是应力－应变曲线图
图10是应力－时间曲线图
图11是应变－时间曲线图
图12是应变率－时间曲线图
图1中：冲击拉伸试验装置由拉伸杆系、冲击动力发生器和应力波记录处理器三个部分组成，拉伸杆系主要包括档块1、金属拉杆2、输入杆3、试样4和输出杆5，它们顺水平轴线排列并依次序连接；弹丸6和气室7组成冲击动力装置，它们架持在输入杆3上，工作时弹丸6为压缩空气驱动，撞击档块1，金属短杆2断裂，实现机械滤波，产生平稳脉冲方波。输入杆3和输出杆5上的应变片8、超动态应变仪9、波形存储器10和计算机11构成应力波记录处理器，它们记录发生撞击时试样4上的输入应力波、输出应力波及反射波，并将这些原始应力波处理成为各种动态拉伸性能曲线。
图2至图5为试验装置结构图，图2中档块1、金属短杆2和输入杆3固连后设在杆系轴线试样4的左侧，输出杆5设在试样的右侧；输出杆5的外端用固定螺母18连接在支座19上，输入杆3和输出杆5上贴有应变片8，应变片8与具有高频响应特性的超动态应变仪电气连接；在档块1的外侧还设有缓冲箱15和防护罩16等安全设施。
图3所示金属短杆2的两端设计为外螺纹口，一端与档块1的螺纹孔固连，另一端通过连接套管12与输入杆3固连。图4输入杆3、输出杆5与试样4之间的连接则采用了粘胶方式，试样4端部分别插入输入杆3和输出杆5的盲孔内通过强力胶14固连。
图5气室7是冲击力发生器的核心，它由大气室20和小气室21双层结构组成，枪管17和弹丸6设在它的轴向一侧；小气室21和活塞22实际上是一个双向作用的气缸，通过气口24、25控制气路流向，操纵活塞22的作用方向；活塞22的活塞杆外端实际是大气室20的气门阀芯，当活塞22外推抵住大气室20通向枪管7的气门口时，大气室20内通过进气口23建立高压发射条件，一旦活塞22在小气室21的控制气路作用下回缩时，大气室20气门被打开，弹丸6发射撞击档块1。
图3和图5中一根空心支承套管13设在气室7与输入杆3之间，支承套管13外部与气室7、活塞22密封连接，使该支承套管13既能被架持在气室7的轴向孔内，又能保证气密封；同时输入杆3又被架持在该支承套管13内，获得水平支承又不影响拉伸。气室7和枪管17和外部则被支承在支座19上。
图6和图7是现有的两种典型冲击拉伸试验装置，图6是间接杆杆式冲击拉伸试验装置结构，它的杆系由档块101、金属短杆102、输入杆103、试样104和输出杆105构成，输出杆、输出杆上的应变片108将拉伸信号传给应变仪109，再经波形存储器110和计算机111处理；它的冲击动力采用了旋转盘方式，利用撞击时锤头112的线速度来调节冲击动量，动力部件结构笨重，冲击动量调节不够灵活。图7是典型的“一棒法”试验装置示意图，它的杆系采用试样204与档块201直接连接，一个气动装置架持在拉伸杆205上，它的气室也是由大气室220和小气室221双层结构组成，不同的是它的活塞222与小气室221实际上构成一个单向驱动气缸，活塞222的回程是在外力作用下进行的，即当大气室220对活塞222的反作用力大于小气室221对活塞222的作用力时，活塞222才能做回程运动；这种结构同时又使得提高大气室压强时必须适当提高小气室压强。这种装置结构紧凑但无法实现机械滤波以获得较稳定的冲击应力波，气室设计也使弹丸的发射能量调节不够灵活。
采用本实用新型后气室的操纵十分方便，弹丸的发射能量仅需要调节大气室工作气压，而小气室控制气压毋需随大气室压力的变化而变化，即封闭大气室出气口的作用力不受大气室压力的影响，一般小气室控制5气路压力为0.5-0.8MPa。
5、具体实施方式
本实用新型的具体实施方式由图1、2、3、4、5给出。
下面通过几例测试实例对本实用新型的使用效果加以说明：例1、一种新型低合金高强度Si-Mn系TRIP钢动态拉伸性能测试对比，对照组采用图6所示的旋转盘式，测试数据如表1所示，两种试验装置的测试结果具有很好的一致性。表1  旋转盘式试验装置与本实用新型的测试结果比较
测试装置                力  学  性  能
抗拉强度σb/Mpa 延伸率δ/％ 变形率ε/s-1
旋转盘式 1090  24.5  1740
本实用新型 1140  25.2  1856
例2、一种含Nb的TRIP钢在小气室控制气压为0.6Mpa，采用不同大气室工作气压及不同规格金属短杆2时所获得的材料冲击拉伸性能对比，见表2。测试结果显示本实用新型能在不同试验条件下获得不同应变率下的动态力学性能，并且冲击动量调节灵活，改变大气室工作气压毋需改变小气室控制气压。表2  不同试验条件下的力学性能测试结果比较
  测试条件     力  学  性  能
工作气压 短杆规格 σb/Mpa δ/％ ε/s-1
0.82Mpa Ф10×22 1182   23.2 1300
1.06Mpa Ф10×18 1126   25.3 1600
例3、一种高强度铁素体和马氏体双相钢，在本实用新型上进行冲击拉伸试验，其原始应力波如图8所示，图中三个应力波峰分别为输入波31、输出波32和反射波33。经过计算后获得的应力－应变曲线如图9所示，应力－时间曲线如图10所示，应变－时间曲线如图11所示，应变率－时间曲线如图12所示。

Claims (3)

1.一种高应变率冲击拉伸试验装置，其基本结构是由拉伸杆系，冲击力发生器和应力波记录处理器组成，其特征在于：
所述的拉伸杆系是由输入杆(3)、输出杆(5)、金属短杆(2)和档块(1)组成的间接杆杆式结构，杆系各部件依杆系轴线排列，试样(4)连接在输入杆(3)和输出杆(4)之间，输出杆(4)的另一端与机架支座(19)固连，输入杆(3)的另一端经所述金属短杆(2)与所述档块(1)连接；
所述冲击力发生器是一个气动弹射装置，由气室(7)、枪管(17)和弹丸(6)组成，在气室(7)和弹丸(6)的轴线位置上还设置一根中空支承套管(13)，所述输入杆(3)架持在该支承套管(13)内，而气室(7)则架持在该支承套管(13)上，所述气室(7)和枪管(17)的外部支承在机架支座(19)上；
所述应力波记录处理器通过设在所述输入杆(3)和输出杆(5)的应变片(8)与杆系连接。
2.根据权利要求1所述的高应变率冲击拉伸试验装置，其特征在于所述的气室(7)由小气室(21)和大气室(20)双层气室构成，小气室(21)及其活塞(22)构成一个双向驱动气缸，当活塞(22)处于推出位置时，活塞杆的外端封堵于所述大气室(20)的出气口上，所述气室(7)及其活塞(22)与所述支承套管(13)气密封连接。
3.根据权利要求1所述的高应变率冲击拉伸试验装置，其特征在于试样(4)两端插入输入杆(3)和输出杆(5)端部的盲孔内，经粘胶(14)与输入杆(3)和输出杆(5)固连。
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