专利名称：一种高速率单向拉伸试验装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种单向拉伸试验装置及方法。
背景技术：
材料的应力-应变曲线是衡量材料力学性能最直观、最常用的方法。材料在常规受力或塑性变形下的力学性能通常用准静态拉伸应力-应变曲线来衡量。但随着现代工业和科学技术发展的需要，金属材料、建筑材料、超导材料、复合材料在瞬时冲击载荷作用、撞击等工况条件下的力学性能表现与评价尤为重要，越来越引起人们重视。如薄钢板汽车覆盖件在瞬时撞击条件下的结构完整形表现、钢筋等建筑材料在外加强冲击条件下的承载能力评价，尤其在高速率成形过程中金属材料的变形抗力与变形能力关系是科学研究和生产 应用面临的难题。以金属板材高速率成形为例，材料在高速率变形过程中的本构关系与常规成形条件下有着本质的不同，因此不能用准静态拉伸下的应力-应变曲线来衡量材料的性能。目前，研究金属材料在高速率伸长变形条件下的本构关系的常用方法是霍普金森分离式拉杆实验。霍普金森拉杆实验的原理是将试样固定于运动杆与固定杆之间，通过运动杆的高速运动带动试样实现高速拉伸，装置中的仪器记录材料变形过程中的应力与应变，从而得到试验材料在高应变速率下的应力-应变关系曲线。对于某种具体的高速率成形方法，截至目前，金属材料的应力-应变曲线通常通过霍普金森拉杆实验间接获得，虽然在一定程度上反应了高速率变形过程对材料承载能力、流动应力的影响，但是不能直接给出材料在具体成形过程中的本构关系。另外霍普金森拉杆实验设备昂贵，在国内工程应用不普遍，实现起来比较困难，很难获得应力-应变关系曲线。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速率单向拉伸试验装置及方法，以解决采用霍普金森拉杆实验研究金属材料在高速率伸长变形条件下的本构关系存在不能直接给出材料在具体成形过程中的本构关系，且霍普金森拉杆实验设备昂贵，很难获得应力-应变关系曲线的问题。为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是本发明的一种高速率单向拉伸试验装置，所述装置包括底板、驱动片、线圈、刚性线圈限位环、绝缘隔板、线圈骨架、拉伸模具、线圈支撑套、试样固定板及两个拉杆；线圈支撑套的中心处由下至上设有相通的内台肩孔及通孔，线圈固定在线圈支撑套的内台肩孔中，试样固定板设置在线圈支撑套的正上方，底板设置在线圈支撑套的正下方，两个拉杆相对于底座的竖向中心线对称设置，两个拉杆的下端与底板连接，拉杆与线圈支撑套及试样固定板可拆卸连接，线圈支撑套的下端设有刚性线圈限位环，线圈支撑套与刚性线圈限位环之间设有绝缘隔板，绝缘隔板为环形，刚性线圈限位环、绝缘隔板及线圈支撑套三者可拆卸连接，拉伸模具包括底座和拉伸杆，拉伸杆与底座的中心处固定连接，拉伸杆依次穿出线圈限位环、绝缘隔板、线圈骨架及线圈支撑套，驱动片设置在底座与刚性线圈限位环之间，驱动片与底座可拆卸连接，线圈两端引线与电容器组连接，由高压开关控制电容器组放电，确保装配后的驱动片紧贴于线圈绝缘隔板上。本发明的一种实现高速率单向拉伸试验方法，所述方法包括如下步骤步骤一先将标准拉伸试样表面印制网格，然后将标准拉伸试样的下端用第一销钉固定于拉伸模具的拉伸杆上，将标准拉伸试样的上端用第二销钉固定于试样固定板上，标准拉伸试样旁边固定有网格标准块，将高速摄像机对准标准拉伸试样标距区；步骤二 通过高压开关控制电容器组的充/放电；先使电容器组充电完毕，之后接通高压开关，使强度为20KA 200KA的瞬间强电流通过线圈，同时使高速摄像机工作，试样在瞬间电磁力作用下实现高速向下拉伸，拉伸速率在10m/s 300m/s之间，直至拉断，高速摄像机记录试样拉伸过程每一时刻的伸长变形；步骤三对试验数据进行处理；试样在拉伸过程中的流动应力通过理论计算得 至IJ，而试样拉伸每一时刻的应变通过高速摄像机记录的照片分析得到；具体分析方法如下I)试样拉伸过程应变ε ;由高速摄像机记录，借助ASAME网格应变测量系统进行测量；高速摄像机曝光时间为t，则开始变形后的第i张照片，变形时间为t-i时的应变ε i即为ASAME网格应变测量系统测出的第i张照片的应变；2).试样拉伸过程流动应力σ计算；试样所受到的力由力的平衡方程得到F+G=Fi+Ff公式一其中F为电磁脉冲力；G为重力，G=mg ；Fi为惯性力，Fi=Hia ；Ff= σ · S，其中σ为流动应力；S为试样变形过程中的横截面积；试样加速度a的计算设高速摄像机曝光时间为t，连续拍摄三张照片i，i+1, i+2，测量每张照片的应变ε i、ε i+1、8 i+2 ；则a=( ε i+2+ ε i+1_2 ε J /t2公式二驱动片3上的电磁脉冲力F的计算如下F = )f{z)dz = ^i(Hl —O士(< -Φ公式三
22 *其中4,为驱动片上表面磁感应强度；式2为驱动片下表面磁感应强度；、見2及見,通过磁感应强度信号测试得到；f (Z)为沿轴线方向作用于驱动片上体积磁场力密度，μ为介质的磁导率；HZ,为驱动片上表面磁场强度；Hz2为驱动片下表面磁场强度；由此可得σ = (F+G-ma) /S公式四其中S为试样变形过程中的横截面积，横截面积变化不大时，可用原始面积代替；步骤四由上述得到试件高速变形下的流动应力σ和应变ε，作出应力-应变曲线，即σ - ε曲线。本发明的有益效果是一、本发明将电磁成形技术应用于试样的拉伸过程中，通过电磁力对驱动片(紫铜板)驱动，由与驱动片刚性连接的拉伸模具牵引试样实现直线单向拉伸。试样拉伸过程的驱动力通过理论计算和磁场信号测试的方法得到；试样的应变通过高速摄像机拍摄的变形过程计算分析得到。二、本发明装置简单、成本低，可快速、准确得到材料在高速率变形过程中的应力-应变曲线。三、本发明相对于霍普金森拉杆实验而言，具有直接、灵活、方便和实验条件少等优点，可容易得到多种材料、多种形状的试样在高速率单向拉伸过程中的应力-应变曲线，同时也可用于检测和评价材料受到冲击载荷时的力学性能。四、本发明可对2_厚度以下的金属板料，获得应力-应变关系曲线。
图I是本发明的高速率单向拉伸试验装置的主视图，图2是试样受力分析图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图I和图2说明，一种高速率单向拉伸试验装置，所述装置包括底板I、驱动片3、线圈4、刚性线圈限位环6、绝缘隔板7、拉伸模具9、线圈支撑套10、试样固定板16及两个拉杆12 ；线圈支撑套10的中心处由下至上设有相通的内台肩孔及通孔，线圈4固定在线圈支撑套10的内台肩孔中，试样固定板16设置在线圈支撑套10的正上方，底板I设置在线圈支撑套10的正下方，两个拉杆12相对于底座I的竖向中心线对称设置，两个拉杆12的下端与底板I连接，拉杆12与线圈支撑套10及试样固定板16可拆卸连接，线圈支撑套10的下端设有刚性线圈限位环6，线圈支撑套10与刚性线圈限位环6之间设有绝缘隔板7，绝缘隔板7为环形，刚性线圈限位环6、绝缘隔板7及线圈支撑套10三者可拆卸连接，拉伸模具9包括底座9-1和拉伸杆9-2，拉伸杆9-2与底座9-1的中心处固定连接，拉伸杆9_2依次穿出线圈限位环6、绝缘隔板7、线圈骨架8及线圈支撑套10，驱动片3设置在底座9-1与刚性线圈限位环6之间，驱动片3与底座9-1可拆卸连接(通过第一螺钉2)，当对标准拉伸试样14进行单向拉伸试验时，标准拉伸试样14的下端用第一销钉13固定于拉伸模具9的拉伸杆9-2上，标准拉伸试样14可随驱动片3向下运动；标准拉伸试样14的上端用第二销钉15固定于试样固定板16上保持静止不动；线圈4两端引线与电容器组C连接，由高压开关K控制电容器组C放电，确保装配后的驱动片3紧贴于线圈绝缘隔板7上。
具体实施方式
二 结合图I说明，本实施方式所述线圈4为平板线圈，线圈4的导线为铜导线，铜导线的横截面为矩形，相邻两根铜导线之间留有间隙，铜导线与铜导线之间用高压绝缘材料包覆隔开。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图I说明，本实施方式所述驱动片3为厚度5 8_的紫铜板。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四结合图I说明，本实施方式所述试样固定板16和线圈支撑套10上与拉杆12相对于位置处分别设有通孔，拉杆12的上端分别穿出线圈支撑套10及试样固定板16上的通孔，试样固定板16通过第一螺母17固定于拉杆12上，线圈支撑套10通过第二螺母11固定于拉杆12上，本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五结合图I说明，本实施方式所述刚性线圈限位环6、绝缘隔板7及线圈支撑套10三者通过第二螺钉5可拆卸连接。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六结合图I和图2说明，本实施方式的高速率单向拉伸试验方法，所述方法包括如下步骤步骤一先将标准拉伸试样14表面印制网格，然后将标准拉伸试样14的下端用第一销钉13固定于拉伸模具9的拉伸杆上，将标准拉伸试样14的上端用第二销钉15固定于试样固定板16上，标准拉伸试样14旁边固定有网格标准块，将高速摄像机对准标准拉伸试样14标距区(即标准拉伸试样14横截面最小的区段)；步骤二 通过高压开关K控制电容器组C的充/放电；先使电容器组C充电完毕，之后接通高压开关K，使强度为20KA 200KA的瞬间强电流通过线圈，同时使高速摄像机工作，试样在瞬间电磁力作用下实现高速向下拉伸，拉伸速率在IOm/s 300m/s之间,直至拉断，高速摄像机记录试样拉伸过程每一时刻的伸长变形；试样实现高速变形的驱动力为电磁力，由瞬间通过线圈的电流(电流强度在20KA 200KA之间)产生，电磁脉冲力的特点是压力大(5MPa 350MPa)、作用时间短(250us)，可使试样瞬间加速，从而实现高速变形(lOm/iTlOOm/s)；步骤三对试验数据进行处理；试样在拉伸过程中的流动应力通过理论计算得至IJ，而试样拉伸每一时刻的应变通过高速摄像机记录的照片分析得到；具体分析方法如下I)试样拉伸过程应变ε ;由高速摄像机记录，借助ASAME网格应变测量系统进行测量；高速摄像机曝光时间为t，则开始变形后的第i张照片，变形时间为t-i时的应变ε i即为ASAME网格应变测量系统测出的第i张照片的应变；2).试样拉伸过程流动应力σ计算；试样所受到的力由力的平衡方程得到F+G=Fi+Ff公式一其中F为电磁脉冲力；G为重力，G=mg ；Fi为惯性力，Fi=Hia ；Ff= σ · S，其中σ为流动应力；S为试样变形过程中的横截面积；试样加速度a的计算设高速摄像机曝光时间为t，连续拍摄三张照片i，i+1, i+2，测量每张照片的应变ε i、ε i+1、8 i+2 ；则
权利要求
1.一种高速率单向拉伸试验装置，其特征在于所述装置包括底板(I)、驱动片(3)、线圈(4)、刚性线圈限位环(6)、绝缘隔板(7)、线圈骨架(8)、拉伸模具(9)、线圈支撑套(10)、试样固定板(16)及两个拉杆(12)； 线圈支撑套(10)的中心处由下至上设有相通的内台肩孔及通孔，线圈(4)固定在线圈支撑套(10)的内台肩孔中，试样固定板(16)设置在线圈支撑套(10)的正上方，底板(I)设置在线圈支撑套(10)的正下方，两个拉杆(12)相对于底座(I)的竖向中心线对称设置，两个拉杆(12)的下端与底板(I)连接，拉杆(12)与线圈支撑套(10)及试样固定板(16)可拆卸连接，线圈支撑套(10)的下端设有刚性线圈限位环(6)，线圈支撑套(10)与刚性线圈限位环(6)之间设有绝缘隔板(7)，绝缘隔板(7)为环形，刚性线圈限位环(6)、绝缘隔板(7)及线圈支撑套(10)三者可拆卸连接，拉伸模具(9)包括底座(9-1)和拉伸杆(9-2)，拉伸杆(9-2)与底座(9-1)的中心处固定连接，拉伸杆(9-2)依次穿出线圈限位环(6)、绝缘隔板(7)、线圈骨架(8)及线圈支撑套(10)，驱动片(3)设置在底座(9-1)与刚性线圈限位环(6)之间，驱动片(3)与底座(9-1)可拆卸连接，线圈(4)两端引线与电容器组(C)连接，由高压开关(K)控制电容器组(C)放电，确保装配后的驱动片(3)紧贴于线圈绝缘隔板(7)上。
2.根据权利要求I所述一种高速率单向拉伸试验装置，其特征在于所述线圈(4)为平板线圈，线圈(4)的导线为铜导线，铜导线的横截面为矩形，相邻两根铜导线之间留有间隙，铜导线与铜导线之间用高压绝缘材料包覆隔开。
3.根据权利要求I所述一种高速率单向拉伸试验装置，其特征在于所述驱动片(3)为厚度5 8mm的紫铜板。
4.根据权利要求I所述一种高速率单向拉伸试验装置，其特征在于所述试样固定板(16)和线圈支撑套(10)上与拉杆(12)相对于位置处分别设有通孔，拉杆(12)的上端分别穿出线圈支撑套(10)及试样固定板(16)上的通孔，试样固定板(16)通过第一螺母(17)固定于拉杆(12)上，线圈支撑套(10)通过第二螺母(11)固定于拉杆(12)上。
5.根据权利要求I所述一种高速率单向拉伸试验装置，其特征在于所述刚性线圈限位环(6)、绝缘隔板(7)及线圈支撑套(10)三者通过第二螺钉5可拆卸连接。
6.一种利用权利要求1、2、3、4或5所述装置实现高速率单向拉伸试验方法，其特征在于所述方法包括如下步骤 步骤一先将标准拉伸试样(14)表面印制网格，然后将标准拉伸试样(14)的下端用第一销钉(13)固定于拉伸模具(9)的拉伸杆上，将标准拉伸试样(14)的上端用第二销钉(15)固定于试样固定板(16)上，标准拉伸试样(14)旁边固定有网格标准块，将高速摄像机对准标准拉伸试样(14)标距区； 步骤二 通过高压开关(K)控制电容器组(C)的充/放电；先使电容器组(C)充电完毕，之后接通高压开关(K)，使强度为20KA100KA的瞬间强电流通过线圈，同时使高速摄像机工作，试样在瞬间电磁力作用下实现高速向下拉伸，拉伸速率在IOm/s 300m/s之间，直至拉断，高速摄像机记录试样拉伸过程每一时刻的伸长变形； 步骤三对试验数据进行处理；试样在拉伸过程中的流动应力通过理论计算得到，而试样拉伸每一时刻的应变通过高速摄像机记录的照片分析得到；具体分析方法如下 I)试样拉伸过程应变ε ;由高速摄像机记录，借助ASAME网格应变测量系统进行测量；高速摄像机曝光时间为t，则开始变形后的第i张照片，变形时间为t-i时的应变ε i即为ASAME网格应变测量系统测出的第i张照片的应变； 2).试样拉伸过程流动应力σ计算； 试样所受到的力由力的平衡方程得到 F+G=Fi+Ff公式一 其中F为电磁脉冲力；G为重力，G=mg A为惯性力，Fi=Hia ；Ff= σ · S，其中σ为流动应力；S为试样变形过程中的横截面积； 试样加速度a的计算 设高速摄像机曝光时间为t，连续拍摄三张照片i，i+1，i+2，测量每张照片的应变ε i、￡ i+1、 ￡ i+2 ; 则a=( ε i+2+ε i+1-2 ε J/t2公式二 驱动片3上的电磁脉冲力F的计算如下
全文摘要
一种高速率单向拉伸试验装置及方法。本发明涉及一种单向拉伸试验装置及方法。以解决采用霍普金森拉杆实验研究金属材料在高速率伸长变形条件下的本构关系存在试验设备昂贵，很难获得应力-应变关系曲线问题。线圈固定在线圈支撑套内，两个拉杆与底板连接，拉杆与线圈支撑套及试样固定板可拆卸连接，刚性线圈限位环、绝缘隔板及线圈支撑套三者可拆卸连接，拉伸模具包括底座和拉伸杆，拉伸杆与底座固定连接，拉伸杆依次穿出线圈限位环、绝缘隔板、线圈骨架及线圈支撑套，驱动片设置在底座与刚性线圈限位环之间，驱动片与底座可拆卸连接，线圈两端引线与电容器组连接，由高压开关控制电容器组放电。本发明用于对标准拉伸试样进行高速率单向拉伸试验。
文档编号G01N3/08GK102944474SQ20121049910
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月29日 优先权日2012年11月29日
发明者于海平, 苏海, 韩玉杰, 徐俊瑞, 李春峰 申请人:哈尔滨工业大学