一种钛合金动态力学性能的测试方法与流程

本发明属于材料动态力学测试和信号检测领域，尤其涉及一种基于霍普金森压杆的钛合金动态力学性能的测试方法。

背景技术：

钛合金具有诸多优点，如比强度高，一般钛合金的密度仅为钢的60%，但其刚度却超过许多合金结构钢；具有优良的耐热性和优异的生物相容性，在航空航天、医用等领域有广泛的应用。在飞机制造上主要利用钛合金的比强度高，抗热性高、耐腐蚀性强的特点，广泛应用于机身隔热板、导风罩等非承力构件以及隔框、梁、襟翼等重要承力构件中。钛合金在航空发动机中用于减轻结构重量、提高发动机推动比上，主要用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、中介机匣、轴承壳体等。航天器主要利用钛合金高强度比、耐腐蚀和耐低温性能上，主要用于制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体等。在医用领域钛无毒、质轻且具有优良的生物相容性，用作植入人体的植入物等。

钛合金虽然在航空航天领域得广泛的应用，但其作为一种新型材料，人们对其性能尤其是受到撞击等高应变速率下的动态力学性能还知之甚少。霍普金森压杆试验是一种用来获得高应变率下本构关系的试验技术，目前被广泛用于如复合材料、铝合金、混凝土等材料的测量中。典型霍普金森压杆试验装置是由撞击杆（子弹）、长度相同的入射杆、透射杆、阻尼杆和测试仪器组成。试验时入射杆和透射杆分别贴有应变量传感器，试验试样被夹在入射杆和透射杆中间，当高速子弹撞击入射杆时试样会产生压缩变形，通过测量撞击时入射杆和透射杆产生的应力波波形可以得出试样高应变速率下的动态响应。

目前，霍普金森压杆试验还没有具体可行的规范，试验装置和操作流程要求不一，可能导致同一个人利用不同的试验系统测试同种材料的得到较大差别的动态压缩力学结果，也可能导致不同人利用同一试验系统测试同种材料的动态力学性能得到不同的结果。而且由于钛合金强度较高，传统的车削 、冲裁工艺无法满足霍普金森试验对试样圆度、平整度要求较高，同时钛合金的高强度对子弹的撞击速度提出了更高的要求，普通铝合金、碳钢无法满足入射杆和透射杆刚度的要求。以上因素导致霍普金森试验技术很难应用到超高强钛合金测试中。

因此，寻求一种高强度钛合金的霍普金森压杆试验方法，对获得高应变速率下钛合金动态力学性能至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种解决上述技术问题的钛合金动态力学性能的测试方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种钛合金动态力学性能的测试方法，其包括以下步骤：

S1、采用线切割或激光切割或磨削工艺将钛合金制成实验试样；

S2、将入射杆和透射杆装入霍普金森试验台中，将钛合金实验试样置于在入射杆和透射杆之间，使用撞击杆直接冲击入射杆，通过入射杆对钛合金实验试样施加冲击载荷；

S3、测量入射杆和透射杆的撞击应变量并通过计算机的处理获得相应的超强钛合金动态力学曲线。

作为本发明的进一步改进，所述入射杆和透射杆的材质均为弹簧钢，所述撞击杆是通过车削或研磨的切削工艺制备的。

作为本发明的进一步改进，所述“将入射杆和透射杆装入霍普金森试验台中，将钛合金实验试样置于在入射杆和透射杆之间，使用撞击杆直接冲击入射杆，通过入射杆对钛合金实验试样施加冲击载荷”步骤具体为：

将入射杆和透射杆装入霍普金森试验台中，使用粘合剂将钛合金实验试样黏贴在入射杆和透射杆间，开启气动控制装置用压缩气流加速撞击杆撞击入射杆。

作为本发明的进一步改进，所述“测量入射杆和透射杆的撞击应变量并通过计算机的处理获得相应的超强钛合金动态力学曲线”步骤具体为：

通过高精度应变传感器测量入射杆和透射杆的撞击应变量并将其转换成电信号传输给计算机，计算机经过取反、滤波、计算的处理方式获得相应的超强钛合金动态力学曲线。

作为本发明的进一步改进，所述高精度应变传感器为片状传感器，贴附在所述入射杆和透射杆表面。

作为本发明的进一步改进，所述入射杆和透射杆的杆径和杆长一致，具有同轴度且其端面平整。

作为本发明的进一步改进，所述钛合金为TAXX系或TBXX系或TCXX系。

作为本发明的进一步改进，所述粘合剂为凡士林或其他高粘稠度的矿脂。

作为本发明的进一步改进，压缩气流的压强为0-5Mpa。

本发明的有益效果是：本发明改进了霍普金森压杆撞击装置，制备了新型超强钛合金试样，使用高精度应变传感器，将霍普金森压杆试验技术用于超强钛合金动态力学性能测定中，提高了测量的精度，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明一实施方式中钛合金动态力学性能的测试方法步骤流程图；

图2是本发明一实施方式中霍普金森压杆试验装置示意图结构示意图；

图3是本发明一实施方式中入射杆上粘贴应变传感器的结构示意图；

图4是本发明一实施方式中透射杆上粘贴应变传感器的结构示意图；

图5是本发明一实施方式中超高强钛合金的分类图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1所示，介绍本发明中一具体实施方式，钛合金动态力学性能的测试方法，包括以下步骤：

S1、采用线切割或激光切割或磨削工艺将钛合金制成实验试样。优选地，钛合金为TAXX系或TBXX系或TCXX系。

S2、将入射杆和透射杆装入霍普金森试验台中，将钛合金实验试样置于在入射杆和透射杆之间，使用撞击杆直接冲击入射杆，通过入射杆对钛合金实验试样施加冲击载荷。具体地，本试验采用如图2所示的霍普金森压杆试验装置进行，该装置包括气动控制装置1，撞击杆2，入射杆3，高精度应变传感器4，钛合金实验试样5，透射杆6，吸收杆7，缓冲装置8，导轨9，计算机10，测速装置11。将入射杆3和透射杆6装入霍普金森试验台中，且入射杆3和透射杆6的杆径和杆长一致，具有同轴度且其端面平整。使用粘合剂将钛合金实验试样5黏贴在入射杆3和透射杆6间，开启气动控制装置1用压缩气流加速撞击杆2撞击入射杆3。

优选地，入射杆3和透射杆6的材质均为弹簧钢，撞击杆2是通过车削或研磨的切削工艺制备的。

优选地，粘合剂为凡士林或其他高粘稠度的矿脂，压缩气流的压强为0-5Mpa。

S3、测量入射杆和透射杆的撞击应变量并通过计算机的处理获得相应的超强钛合金动态力学曲线。具体地，通过高精度应变传感器4测量入射杆3和透射杆6的撞击应变量并将其转换成电信号传输给计算机10，计算机10经过取反、滤波、计算的处理方式获得相应的超强钛合金动态力学曲线。

优选地，参图3和图4，高精度应变传感器4为片状传感器，贴附在入射杆3和透射杆6的表面。

为了更好的阐述本发明，以下提供钛合金动态力学性能的测试方法的具体实施例。

实施例1

1.使用线切割切割TB17钛合金毛坯，经过精磨得到直径为6mm、高度为6mm的圆柱钛合金实验试样。

2.使用车削加工工艺分别制造直径为10mm、长度为1000mm的入射杆和透射杆。

3.霍普金森压杆试验过程如下：

（1）分别在入射杆和透射杆表面粘贴高精度应变传感器。

（2）将粘贴好高精度应变传感器的入射杆和透射杆水平放置在霍普金森试验支架上，调节支架高低保证两杆具有一定同轴度。

（3）使用凡士林将TB17钛合金试样粘贴在入射杆和透射杆之间。

（4）调节气动控制装置，选取合适的气压加速子弹，使其水平高速撞击入射杆。

（5）记录入射杆和透射杆应力波信号，经过计算机处理得到TB17高应变速率下动态性能曲线。

实施例2

1.使用激光切割切割TC4钛合金毛坯，经过精磨得到直径为2mm、高度为2mm的圆柱钛合金实验试样。

2.使用车削加工工艺分别制造直径为10mm、长度为1000mm的入射杆和透射杆。

3.霍普金森压杆试验过程如下：

（1）分别在入射杆和透射杆表面粘贴高精度应变传感器。

（2）将粘贴好高精度应变传感器的入射杆和透射杆水平放置在霍普金森试验支架上，调节支架高低使两杆具有一定同轴度。

（3）使用凡士林将TC4钛合金试样粘贴在入射杆和透射杆之间。

（4）调节气动控制装置，选取合适的气压加速子弹，使其水平高速撞击入射杆。

（5）记录入射杆和透射杆应力波信号，经过数据系统处理得到TC4高应变速率下动态性能曲线。

需要说明的是，上述两个实施例中，试验温度为常温，使用的高精度应变传感器为应变片。

由于不同型号的钛合金强度存在差异，因此试验时必须选择不同气压加速子弹才能获得应变率相当的动态性能。具体到实施例一和实施例二中， TB17钛合金强度要比TC4的高，所以在试验中实施例二采用的加速气压要比实施例一中的高。因此对于不同型号的钛合金，必须要根据适当的情况选择相应的加速气压。

本发明有如下改进效果：

（1）本发明使用线切割、激光切割、磨削等工艺制备霍普金森压杆试样，相比于普通的切割方法，可以获得表面更光滑、端面更平整的试样，以便于获得更准确的应力波形。

（2）本发明选用弹簧钢作为入射杆和透射杆的材料，便于具有较大长径比入射杆、透射杆的加工，可以满足霍普金森压杆试验对同轴度的要求，同时相较于铝合金等其他材料，弹簧钢良好的强度可以承受超高强钛合金高速应变的冲击，减少了撞击对装置的消耗。

（3）本发明中用凡士林等具有高粘度的矿脂作为试样粘贴剂，简化了霍普金森试验的夹持装置，同时凡士林等其他高粘度的矿脂方便涂抹、擦除的优点极大地降低了试验的操作难度。

（4）本发明中选用高精度应变片，相比于其他传感器，便于粘贴且可以获得更准确的应力波形信号，提高了钛合金动态力学性能的精确度。

（5）本发明使用可控制压力的气动装置触发子弹，可以自由控制高速子弹的撞击速度，便于超高强钛合金在不同应变速率下动态力学性能的测量。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。