本發(fā)明涉及一種測試拉伸/剪切復(fù)合加載下材料動態(tài)力學性能的試樣結(jié)構(gòu)設(shè)計及測試方法，尤其是一種測試材料高應(yīng)變率變形力學性能和捕獲材料實時變形及失效行為的技術(shù)。

背景技術(shù)：

加載速率和應(yīng)力狀態(tài)是影響材料變形和失效行為的重要因素。材料在動態(tài)加載作用下發(fā)生不同于靜載荷下的力學行為，理解與掌握材料的動態(tài)力學性能對合理控制材料變形與失效，實現(xiàn)工程應(yīng)用中的趨利避害具有重要意義，比如爆炸和撞擊、地震、工程爆破、彈體對裝甲的侵徹、核爆炸及其防護、微隕石和雨雪冰沙對飛行器的高速撞擊、高速加工、等徑角擠壓變形等均涉及材料動態(tài)力學性能的研究。復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的材料變形和失效行為與單軸應(yīng)力狀態(tài)下相比具有顯著差異，材料(或零件)的實際服役環(huán)境多為復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，包括拉伸/剪切復(fù)合、壓縮/剪切復(fù)合、彎曲/扭轉(zhuǎn)復(fù)合等，但傳統(tǒng)材料力學性能測試主要利用材料力學性能試驗機實現(xiàn)單軸拉伸、單軸壓縮和扭轉(zhuǎn)等裝置測試獲取材料變形和斷裂參數(shù)，所獲得的材料靜態(tài)力學性能參數(shù)不能描述材料在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)與動態(tài)加載下的變形與失效行為。

材料在靜態(tài)(或準靜態(tài))加載時的變形過程緩慢，應(yīng)變率范圍為10^-3/s-1/s，利用力學性能試驗機測試材料靜態(tài)(或準靜態(tài))變形行為時可以使用普通數(shù)碼相機追蹤其變形過程，材料失效后通過測試試樣伸長率及斷面收縮率即可確定材料斷裂應(yīng)變等力學參數(shù)。但對于高應(yīng)變率復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的材料變形和斷裂行為研究，一方面需要設(shè)計合理的試樣結(jié)構(gòu)和測試裝置實現(xiàn)材料的高應(yīng)變率復(fù)合應(yīng)力加載；另一方面需要開發(fā)有效的測試方法捕獲材料動態(tài)變形和斷裂過程。這正是本發(fā)明所解決的兩個核心問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述已有材料力學性能測試裝置和測試方法存在的不足，提供一種測試拉伸/剪切復(fù)合加載下材料動態(tài)力學性能的試樣結(jié)構(gòu)設(shè)計及測試方法，材料動態(tài)力學性能測試裝置基于分離式霍普金森壓桿工作原理所搭建，測試應(yīng)變率高達10⁴/s以上，設(shè)計的材料力學性能測試試樣能夠?qū)崿F(xiàn)拉伸/壓縮復(fù)合應(yīng)力加載，在被測試試樣表面涂覆熒光粉(或熒光漆)，測試時利用高速相機追蹤拍攝試樣表面的熒光粉(或熒光漆)粒子運動軌跡，通過分析熒光粒子的運動即可捕獲被測試試樣的高應(yīng)變率變形和斷裂行為。該裝置和方法可以測試超高應(yīng)變率加載和復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的材料力學性能，測試精度和測試效率高，適用于塑性材料和脆性材料的動態(tài)力學性能測試。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種測試拉伸/剪切復(fù)合加載下材料動態(tài)力學性能的裝置，包括沖擊機構(gòu)、沖擊桿、入射桿、透射桿以及應(yīng)變信號采集裝置；在所述的透射桿的一端安裝試樣，另一端安裝一個緩沖器，所述的沖擊桿在沖擊機構(gòu)裝置的沖擊下沖擊入射桿的一端，入射桿的另一端沖擊試樣；且試樣的一側(cè)安裝有圖像采集裝置；在所述的入射桿和透射桿上安裝有應(yīng)變片；所述的應(yīng)變片與采集卡相連，所述的采集卡與信號顯示裝置相連。

進一步的，所述的沖擊機構(gòu)包括一個炮管和為炮管充氣的充氣裝置，所述的炮管的一端插裝在沖擊桿，另一端連接充氣裝置，所述的充氣裝置為炮管充氣，進而推動沖擊桿沖擊入射桿。

進一步的，所述的入射桿受沖擊端安裝有波形整形器，所述波形整形器采用直徑小于桿系直徑的薄銅片或薄鋁片。

進一步的，所述的緩沖器用于吸收桿件沖擊能量，一般由柔性材質(zhì)如橡膠、軟木塊等構(gòu)成。

進一步的，所述的圖像采集裝置包括高速相機和光源，其中高速相機的最高采樣頻率不低于100000Hz，在采樣頻達到100000Hz時拍攝的圖像分辨率不低于256x256像素。

進一步的，所述的試樣為一個外形輪廓為“T”型的結(jié)構(gòu)，在所述的“T”型結(jié)構(gòu)內(nèi)的水平結(jié)構(gòu)部分設(shè)有空腔，且與圖像采集裝置相對的側(cè)面涂覆有熒光粉或者熒光漆。

“T”型的結(jié)構(gòu)試樣向左旋轉(zhuǎn)90度后安裝在入射桿和透射桿之間；且與入射桿和透射桿相接觸的試樣兩端面粗糙度R_a需小于0.8μm，試樣兩端面的平行度需小于0.01mm；

該試樣通過電火花穿孔、線切割、磨削拋光等加工工藝完成試樣加工，通過改變試樣中部空腔與“T”型結(jié)構(gòu)的豎直部分的相對尺寸，可實現(xiàn)不同拉伸、壓縮復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的材料動態(tài)力學性能測試。

進一步的，所述的充氣裝置內(nèi)充有高壓氮氣，高壓氮氣氣壓范圍為0-3MPa，在高壓氮氣出口處設(shè)有壓力微調(diào)結(jié)構(gòu)和操縱系統(tǒng)以控制氣壓大小。

進一步的，所述的炮管內(nèi)徑和沖擊桿、入射桿、透射桿外徑均為20mm，且所述的沖擊桿、入射桿和透射桿的材質(zhì)均為高強度的淬硬馬氏體不銹鋼17-4PH。

本發(fā)明提出的材料拉伸/剪切復(fù)合加載下測試動態(tài)力學性能方法，包括以下步驟：

(1)搭建測試裝置主體，即搭建沖擊機構(gòu)、沖擊桿、入射桿和透射桿，保證沖擊機構(gòu)、沖擊桿、入射桿和透射桿的同軸度、端面平行度、桿端面與桿軸線間的垂直度以及桿系端面粗糙度在設(shè)定值的范圍內(nèi)；

(2)搭建應(yīng)變信號采集裝置，在入射桿和透射桿中間部位分別對稱粘貼兩個電阻值和靈敏度系數(shù)相同的應(yīng)變片并利用細導(dǎo)線進行連接，然后將采集卡和數(shù)據(jù)顯示裝置與應(yīng)變片相連；

(3)在對試樣進行測試之前，對搭建的測試裝置主體進行“空打”測試，保證應(yīng)變信號采集的準確性；

(4)加工試樣，在試樣被測試表面涂覆熒光粉或熒光漆以用于圖像采集裝置的追蹤觀察；

(5)搭建圖像采集裝置，包括高速相機和光源，光源需要正對試樣被測試表面以提高相機拍攝質(zhì)量。

所述步驟(2)中將粘貼在入射桿和透射桿上的兩個應(yīng)變片分別連接成半橋后與采集卡和示波器進行連接。

所述步驟(1)中的炮管和桿系尺寸是可變的，在相同氣壓下，相同長度的小直徑桿系可獲得更高的沖擊速度，從而使試樣的變形速率更高，可以測試更高應(yīng)變率下的試樣力學性能和斷裂應(yīng)變等參數(shù)。

為使應(yīng)變信號采集裝置結(jié)構(gòu)簡單，所述步驟(2)中將粘貼在入射桿和透射桿上的兩個應(yīng)變片分別連接成半橋后與采集卡和示波器進行連接。

本發(fā)明的測試拉伸/剪切復(fù)合加載下材料動態(tài)力學性能的裝置及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)10⁴/s以上超高應(yīng)變率的材料力學性能和斷裂行為的測試，利用高速相機拍攝涂覆熒光粉(或熒光漆)的試樣被測試表面可以實時測試高應(yīng)變加載時的材料變形及失效過程，基于分離式霍普金森壓桿工作原理搭建的測試裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，測試精度高，被測試材料的種類廣泛，所設(shè)計的試樣結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)拉伸、壓縮復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的材料動態(tài)力學性能測試。

附圖說明

圖1為本發(fā)明測試拉伸/剪切復(fù)合加載下材料動態(tài)力學性能的裝置及方法示意圖；

圖2為本發(fā)明高速相機拍攝涂覆熒光粉(或熒光漆)的試樣表面變形過程示意圖；

圖3為本發(fā)明實現(xiàn)拉伸/剪切復(fù)合加載的特殊結(jié)構(gòu)試樣橫截面圖；

圖4為圖3的局部放大圖；

圖5為隨加載時間變化的試樣變形過程加載力曲線圖；

圖6為隨拍攝時刻變化時試樣的應(yīng)變值變化曲線圖；

圖中：1、高壓氮氣，2、炮管，3、沖擊桿，4、波形整形器，5、入射桿，6、應(yīng)變片，7、試樣，8、應(yīng)變片，9、透射桿，10、緩沖器，11、高速相機，12、光源，13、采集卡，14、示波器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步闡述。

如圖1所示，本發(fā)明的測試拉伸/剪切復(fù)合加載下材料動態(tài)力學性能的裝置主體基于霍普金森壓桿工作原理搭建，整體結(jié)構(gòu)包括高壓氮氣1、炮管2、沖擊桿3、波形整形器4、入射桿5、應(yīng)變片6、試樣7、應(yīng)變片8、透射桿9、緩沖器10、高速相機11、光源12、采集卡13和示波器14等。

在透射桿9的一端安裝試樣7，另一端安裝一個緩沖器1，所述的沖擊桿3在高壓氮氣1的沖擊下沖擊入射桿5的一端，入射桿5的另一端沖擊試樣7；且試樣7的一側(cè)安裝有高速相機11和光源12；在所述的入射桿5和透射桿9上安裝有應(yīng)變片8；所述的應(yīng)變片8與采集卡13相連，所述的采集卡13與示波器14相連。

通過調(diào)節(jié)高壓氮氣1的壓力或沖擊桿3的長度可以控制試樣7的變形速率(即試樣變形時的應(yīng)變率)，試樣在安裝時需保證與入射桿5和透射桿9同軸，波形整形器4使應(yīng)力脈沖的上升沿趨于平緩，有利于捕捉試樣變形時的應(yīng)力變化特性。入射桿和透射桿上的應(yīng)變片6和8粘貼于兩桿中間位置，以保證發(fā)射波和透射波的測試時刻一致。利用高速相機11對試樣被測試表面進行拍攝時，利用強光源12進行補光，以提高高速相機拍攝時的曝光強度，保證照片拍攝質(zhì)量。緩沖器10用于阻擋透射桿9使其停止運動。

如圖2所示，試樣被測試表面涂覆有熒光粉(或熒光漆)，利用活動支架13將光源12安裝于高速相機11上部，通過調(diào)整活動支架可以改變光源的照射方向，測試材料動態(tài)力學性能時將高速相機鏡頭正對試樣被測試表面，同時調(diào)節(jié)光源活動支架使光源照射于試樣被測試表面。

如圖3所示為本發(fā)明實現(xiàn)拉伸/剪切復(fù)合加載的特殊形狀試樣結(jié)構(gòu)圖及局部放大圖，所設(shè)計試樣厚度為10mm，其它外觀尺寸如圖3所示為一個“T”型結(jié)構(gòu)，試樣的整體三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。在安裝時，“T”型的結(jié)構(gòu)試樣向左旋轉(zhuǎn)90度后安裝在入射桿和透射桿之間；

通過電火花穿孔、線切割、磨削拋光等加工工藝完成試樣加工，與測試裝置桿系相接觸的試樣兩端面粗糙度Ra需小于0.8μm，試樣兩端面的平行度需小于0.01mm，試樣被測試表面涂覆熒光粉(或熒光漆)以用于高速拍攝系統(tǒng)的追蹤觀察。通過改變圖3中試樣中部空腔與下端部的相對尺寸，可實現(xiàn)不同拉伸、壓縮復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的材料動態(tài)力學性能測試。

具體的測試方法如下：

(1)搭建基于分離式霍普金森壓桿工作原理的測試裝置，保證測試裝置主體中的炮管和桿系同軸度在0.01mm以內(nèi)，桿系兩端面平行度、以及桿端面與桿軸線間的垂直度均小于0.01mm,桿系端面粗糙度Ra小于0.8μm；

(2)搭建應(yīng)變信號采集裝置，基于惠斯通電橋工作原理，在入射桿和透射桿中間部位分別對稱粘貼兩個電阻值和靈敏度系數(shù)相同的應(yīng)變片并利用細導(dǎo)線進行連接，然后將采集卡和示波器與測試裝置主體進行連接；

(3)在對試樣進行測試之前，對搭建的測試裝置主體進行“空打”測試，保證應(yīng)變信號采集的準確性；

(4)根據(jù)圖3所示的所設(shè)計的拉伸/剪切復(fù)合加載試樣結(jié)構(gòu)，通過電火花穿孔、線切割、磨削拋光等加工工藝完成試樣加工，保證與測試裝置中桿系相接觸的試樣表面粗糙度R_a小于0.8μm，試樣兩端面平行度小于0.01mm，然后在試樣被測試表面涂覆熒光粉(或熒光漆)以用于高速拍攝系統(tǒng)的追蹤觀察；

(5)搭建高速拍攝系統(tǒng)裝置，包括高速相機和光源，光源需要正對試樣被測試表面以提高相機拍攝質(zhì)量。

對試樣測試完成后，通過分析入射桿和透射桿中的應(yīng)力波信號(具體分析方法可參照盧芳云等著作《霍普金森桿實驗技術(shù)》，北京：科學出版社，2013年)，獲得被測試試樣變形和斷裂時的應(yīng)力變化特性；利用高速相機拍攝的試樣變形過程獲取材料變形和斷裂時的裂紋擴展軌跡以及材料斷裂應(yīng)變等。

與已有材料力學性能測試方法相比，本發(fā)明的有益效果包括：

高應(yīng)變率加載材料力學性能測試：本發(fā)明可以實現(xiàn)應(yīng)變率高達10⁴/s以上的材料動態(tài)力學性能測試，獲取材料高應(yīng)變率加載時的流動應(yīng)力變化規(guī)律、材料高應(yīng)變率加載失效時的裂紋擴展軌跡、材料動態(tài)斷裂應(yīng)變等數(shù)據(jù)或信息。

拉伸/剪切復(fù)合加載下材料變形行為測試：本發(fā)明可實現(xiàn)拉伸/剪切復(fù)合加載下的材料變形和斷裂行為測試，是對目前標準材料力學性能測試的重要延伸。

材料變形行為的實時測量和非接觸測量：可以捕獲材料高應(yīng)變率變形和斷裂過程中任意時刻的變形量和應(yīng)力值，實現(xiàn)材料變形和斷裂行為的實時非接觸測量。

實施例：

參照圖1，將材料拉伸/剪切復(fù)合加載下動態(tài)力學性能的測試裝置搭建完成，并將試樣置于入射桿和透射桿之間，選擇的試樣材料為45#鋼。參照圖1和圖2，將高速相機和光源安裝于工作位置。測試時將高壓氮氣壓力設(shè)置為1MPa，撞擊桿長度為100mm，高速相機的采樣頻率設(shè)置為100000Hz。測試完成后，將入射桿和透射桿上的應(yīng)變信號進行處理，獲得如圖5所示隨加載時間變化的試樣變形過程加載力曲線，通過計算試樣加載力與試樣變形區(qū)域橫截面積的比值即可得到試樣變形時的應(yīng)力大小。

對高速相機采集的試樣動態(tài)變形圖像進行處理，獲得如圖6所示隨拍攝時刻變化時試樣的應(yīng)變值，得到試樣在所測試加載條件下的斷裂應(yīng)變?yōu)?1.5％。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。