测试拉伸/剪切复合加载下材料动态力学性能的装置及方法与流程

本发明涉及一种测试拉伸/剪切复合加载下材料动态力学性能的试样结构设计及测试方法，尤其是一种测试材料高应变率变形力学性能和捕获材料实时变形及失效行为的技术。

背景技术：

加载速率和应力状态是影响材料变形和失效行为的重要因素。材料在动态加载作用下发生不同于静载荷下的力学行为，理解与掌握材料的动态力学性能对合理控制材料变形与失效，实现工程应用中的趋利避害具有重要意义，比如爆炸和撞击、地震、工程爆破、弹体对装甲的侵彻、核爆炸及其防护、微陨石和雨雪冰沙对飞行器的高速撞击、高速加工、等径角挤压变形等均涉及材料动态力学性能的研究。复合应力状态下的材料变形和失效行为与单轴应力状态下相比具有显著差异，材料(或零件)的实际服役环境多为复合应力状态，包括拉伸/剪切复合、压缩/剪切复合、弯曲/扭转复合等，但传统材料力学性能测试主要利用材料力学性能试验机实现单轴拉伸、单轴压缩和扭转等装置测试获取材料变形和断裂参数，所获得的材料静态力学性能参数不能描述材料在复合应力状态与动态加载下的变形与失效行为。

材料在静态(或准静态)加载时的变形过程缓慢，应变率范围为10^-3/s-1/s，利用力学性能试验机测试材料静态(或准静态)变形行为时可以使用普通数码相机追踪其变形过程，材料失效后通过测试试样伸长率及断面收缩率即可确定材料断裂应变等力学参数。但对于高应变率复合应力状态下的材料变形和断裂行为研究，一方面需要设计合理的试样结构和测试装置实现材料的高应变率复合应力加载；另一方面需要开发有效的测试方法捕获材料动态变形和断裂过程。这正是本发明所解决的两个核心问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述已有材料力学性能测试装置和测试方法存在的不足，提供一种测试拉伸/剪切复合加载下材料动态力学性能的试样结构设计及测试方法，材料动态力学性能测试装置基于分离式霍普金森压杆工作原理所搭建，测试应变率高达10⁴/s以上，设计的材料力学性能测试试样能够实现拉伸/压缩复合应力加载，在被测试试样表面涂覆荧光粉(或荧光漆)，测试时利用高速相机追踪拍摄试样表面的荧光粉(或荧光漆)粒子运动轨迹，通过分析荧光粒子的运动即可捕获被测试试样的高应变率变形和断裂行为。该装置和方法可以测试超高应变率加载和复合应力状态下的材料力学性能，测试精度和测试效率高，适用于塑性材料和脆性材料的动态力学性能测试。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种测试拉伸/剪切复合加载下材料动态力学性能的装置，包括冲击机构、冲击杆、入射杆、透射杆以及应变信号采集装置；在所述的透射杆的一端安装试样，另一端安装一个缓冲器，所述的冲击杆在冲击机构装置的冲击下冲击入射杆的一端，入射杆的另一端冲击试样；且试样的一侧安装有图像采集装置；在所述的入射杆和透射杆上安装有应变片；所述的应变片与采集卡相连，所述的采集卡与信号显示装置相连。

进一步的，所述的冲击机构包括一个炮管和为炮管充气的充气装置，所述的炮管的一端插装在冲击杆，另一端连接充气装置，所述的充气装置为炮管充气，进而推动冲击杆冲击入射杆。

进一步的，所述的入射杆受冲击端安装有波形整形器，所述波形整形器采用直径小于杆系直径的薄铜片或薄铝片。

进一步的，所述的缓冲器用于吸收杆件冲击能量，一般由柔性材质如橡胶、软木块等构成。

进一步的，所述的图像采集装置包括高速相机和光源，其中高速相机的最高采样频率不低于100000Hz，在采样频达到100000Hz时拍摄的图像分辨率不低于256x256像素。

进一步的，所述的试样为一个外形轮廓为“T”型的结构，在所述的“T”型结构内的水平结构部分设有空腔，且与图像采集装置相对的侧面涂覆有荧光粉或者荧光漆。

“T”型的结构试样向左旋转90度后安装在入射杆和透射杆之间；且与入射杆和透射杆相接触的试样两端面粗糙度R_a需小于0.8μm，试样两端面的平行度需小于0.01mm；

该试样通过电火花穿孔、线切割、磨削抛光等加工工艺完成试样加工，通过改变试样中部空腔与“T”型结构的竖直部分的相对尺寸，可实现不同拉伸、压缩复合应力状态下的材料动态力学性能测试。

进一步的，所述的充气装置内充有高压氮气，高压氮气气压范围为0-3MPa，在高压氮气出口处设有压力微调结构和操纵系统以控制气压大小。

进一步的，所述的炮管内径和冲击杆、入射杆、透射杆外径均为20mm，且所述的冲击杆、入射杆和透射杆的材质均为高强度的淬硬马氏体不锈钢17-4PH。

本发明提出的材料拉伸/剪切复合加载下测试动态力学性能方法，包括以下步骤：

(1)搭建测试装置主体，即搭建冲击机构、冲击杆、入射杆和透射杆，保证冲击机构、冲击杆、入射杆和透射杆的同轴度、端面平行度、杆端面与杆轴线间的垂直度以及杆系端面粗糙度在设定值的范围内；

(2)搭建应变信号采集装置，在入射杆和透射杆中间部位分别对称粘贴两个电阻值和灵敏度系数相同的应变片并利用细导线进行连接，然后将采集卡和数据显示装置与应变片相连；

(3)在对试样进行测试之前，对搭建的测试装置主体进行“空打”测试，保证应变信号采集的准确性；

(4)加工试样，在试样被测试表面涂覆荧光粉或荧光漆以用于图像采集装置的追踪观察；

(5)搭建图像采集装置，包括高速相机和光源，光源需要正对试样被测试表面以提高相机拍摄质量。

所述步骤(2)中将粘贴在入射杆和透射杆上的两个应变片分别连接成半桥后与采集卡和示波器进行连接。

所述步骤(1)中的炮管和杆系尺寸是可变的，在相同气压下，相同长度的小直径杆系可获得更高的冲击速度，从而使试样的变形速率更高，可以测试更高应变率下的试样力学性能和断裂应变等参数。

为使应变信号采集装置结构简单，所述步骤(2)中将粘贴在入射杆和透射杆上的两个应变片分别连接成半桥后与采集卡和示波器进行连接。

本发明的测试拉伸/剪切复合加载下材料动态力学性能的装置及方法，能够实现10⁴/s以上超高应变率的材料力学性能和断裂行为的测试，利用高速相机拍摄涂覆荧光粉(或荧光漆)的试样被测试表面可以实时测试高应变加载时的材料变形及失效过程，基于分离式霍普金森压杆工作原理搭建的测试装置结构简单，成本低，测试精度高，被测试材料的种类广泛，所设计的试样结构能够实现拉伸、压缩复合应力状态下的材料动态力学性能测试。

附图说明

图1为本发明测试拉伸/剪切复合加载下材料动态力学性能的装置及方法示意图；

图2为本发明高速相机拍摄涂覆荧光粉(或荧光漆)的试样表面变形过程示意图；

图3为本发明实现拉伸/剪切复合加载的特殊结构试样横截面图；

图4为图3的局部放大图；

图5为随加载时间变化的试样变形过程加载力曲线图；

图6为随拍摄时刻变化时试样的应变值变化曲线图；

图中：1、高压氮气，2、炮管，3、冲击杆，4、波形整形器，5、入射杆，6、应变片，7、试样，8、应变片，9、透射杆，10、缓冲器，11、高速相机，12、光源，13、采集卡，14、示波器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明的测试拉伸/剪切复合加载下材料动态力学性能的装置主体基于霍普金森压杆工作原理搭建，整体结构包括高压氮气1、炮管2、冲击杆3、波形整形器4、入射杆5、应变片6、试样7、应变片8、透射杆9、缓冲器10、高速相机11、光源12、采集卡13和示波器14等。

在透射杆9的一端安装试样7，另一端安装一个缓冲器1，所述的冲击杆3在高压氮气1的冲击下冲击入射杆5的一端，入射杆5的另一端冲击试样7；且试样7的一侧安装有高速相机11和光源12；在所述的入射杆5和透射杆9上安装有应变片8；所述的应变片8与采集卡13相连，所述的采集卡13与示波器14相连。

通过调节高压氮气1的压力或冲击杆3的长度可以控制试样7的变形速率(即试样变形时的应变率)，试样在安装时需保证与入射杆5和透射杆9同轴，波形整形器4使应力脉冲的上升沿趋于平缓，有利于捕捉试样变形时的应力变化特性。入射杆和透射杆上的应变片6和8粘贴于两杆中间位置，以保证发射波和透射波的测试时刻一致。利用高速相机11对试样被测试表面进行拍摄时，利用强光源12进行补光，以提高高速相机拍摄时的曝光强度，保证照片拍摄质量。缓冲器10用于阻挡透射杆9使其停止运动。

如图2所示，试样被测试表面涂覆有荧光粉(或荧光漆)，利用活动支架13将光源12安装于高速相机11上部，通过调整活动支架可以改变光源的照射方向，测试材料动态力学性能时将高速相机镜头正对试样被测试表面，同时调节光源活动支架使光源照射于试样被测试表面。

如图3所示为本发明实现拉伸/剪切复合加载的特殊形状试样结构图及局部放大图，所设计试样厚度为10mm，其它外观尺寸如图3所示为一个“T”型结构，试样的整体三维结构如图2所示。在安装时，“T”型的结构试样向左旋转90度后安装在入射杆和透射杆之间；

通过电火花穿孔、线切割、磨削抛光等加工工艺完成试样加工，与测试装置杆系相接触的试样两端面粗糙度Ra需小于0.8μm，试样两端面的平行度需小于0.01mm，试样被测试表面涂覆荧光粉(或荧光漆)以用于高速拍摄系统的追踪观察。通过改变图3中试样中部空腔与下端部的相对尺寸，可实现不同拉伸、压缩复合应力状态下的材料动态力学性能测试。

具体的测试方法如下：

(1)搭建基于分离式霍普金森压杆工作原理的测试装置，保证测试装置主体中的炮管和杆系同轴度在0.01mm以内，杆系两端面平行度、以及杆端面与杆轴线间的垂直度均小于0.01mm,杆系端面粗糙度Ra小于0.8μm；

(2)搭建应变信号采集装置，基于惠斯通电桥工作原理，在入射杆和透射杆中间部位分别对称粘贴两个电阻值和灵敏度系数相同的应变片并利用细导线进行连接，然后将采集卡和示波器与测试装置主体进行连接；

(3)在对试样进行测试之前，对搭建的测试装置主体进行“空打”测试，保证应变信号采集的准确性；

(4)根据图3所示的所设计的拉伸/剪切复合加载试样结构，通过电火花穿孔、线切割、磨削抛光等加工工艺完成试样加工，保证与测试装置中杆系相接触的试样表面粗糙度R_a小于0.8μm，试样两端面平行度小于0.01mm，然后在试样被测试表面涂覆荧光粉(或荧光漆)以用于高速拍摄系统的追踪观察；

(5)搭建高速拍摄系统装置，包括高速相机和光源，光源需要正对试样被测试表面以提高相机拍摄质量。

对试样测试完成后，通过分析入射杆和透射杆中的应力波信号(具体分析方法可参照卢芳云等著作《霍普金森杆实验技术》，北京：科学出版社，2013年)，获得被测试试样变形和断裂时的应力变化特性；利用高速相机拍摄的试样变形过程获取材料变形和断裂时的裂纹扩展轨迹以及材料断裂应变等。

与已有材料力学性能测试方法相比，本发明的有益效果包括：

高应变率加载材料力学性能测试：本发明可以实现应变率高达10⁴/s以上的材料动态力学性能测试，获取材料高应变率加载时的流动应力变化规律、材料高应变率加载失效时的裂纹扩展轨迹、材料动态断裂应变等数据或信息。

拉伸/剪切复合加载下材料变形行为测试：本发明可实现拉伸/剪切复合加载下的材料变形和断裂行为测试，是对目前标准材料力学性能测试的重要延伸。

材料变形行为的实时测量和非接触测量：可以捕获材料高应变率变形和断裂过程中任意时刻的变形量和应力值，实现材料变形和断裂行为的实时非接触测量。

实施例：

参照图1，将材料拉伸/剪切复合加载下动态力学性能的测试装置搭建完成，并将试样置于入射杆和透射杆之间，选择的试样材料为45#钢。参照图1和图2，将高速相机和光源安装于工作位置。测试时将高压氮气压力设置为1MPa，撞击杆长度为100mm，高速相机的采样频率设置为100000Hz。测试完成后，将入射杆和透射杆上的应变信号进行处理，获得如图5所示随加载时间变化的试样变形过程加载力曲线，通过计算试样加载力与试样变形区域横截面积的比值即可得到试样变形时的应力大小。

对高速相机采集的试样动态变形图像进行处理，获得如图6所示随拍摄时刻变化时试样的应变值，得到试样在所测试加载条件下的断裂应变为21.5％。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。