一种材料击穿实验方法与流程

本发明涉及一种材料击穿实验方法。这种材料击穿实验方法涉及材料对动能破坏的防护能力和对材料进行穿透等方面的研究。

技术背景

利用各种设备和冲头对材料进行冲孔处理的技术早已经被广泛应用，实践中取得了良好的效果，显著地提高许多领域的生产效率。

许多领域需要防止冲击带来的击穿破坏以实现防护的目的，尤其是军事装备领域的装甲防护，为了加深认识，对材料击穿形变的微观机理的研究，显然极为迫切，其中就包括击穿过程中材料内部塑性形变区(以下简称塑性区)的研究。

一种设想是首先在对整体试样进行击穿处理，随后在冲击留下的孔的中心附近垂直向下切开试样，然后，对切开面的塑性区进行观察研究，但由于垂直向下切开试样的过程中应力的持续释放，使得瞬时弹起的塑性区痕迹完全被切开加工抹除，切开后无法观察到塑性区的痕迹。

目前对塑性区的研究采用的常用方法是：利用有限元软件ansys建立材料击穿残余应力场的三维有限元模型，分别模拟分析不同击穿孔径、冲击动能、试样厚度和材质等的三维残余应力场分布。

这一方法优点是数据提取过程塑性区的应力状态不受干扰。

缺点是所取得的应变数据为表面数据，而塑性区的变化发生在材料的内部，塑性区的情况只能通过有限元分析的方法间接取得，该方法需要设定一系列的边界条件，这些边界条件的设定依据往往并不充分，导致最终分析得到的塑性区并不完全符合真实情况，对实际科研和生产的指导意义有限。

技术实现要素：

为了解决已有的利用有限元分析方法分析塑性区的间接性问题，发明人设计了一种材料击穿实验方法，能够得到直观和形象的塑性区范围和形态信息。

这一方法就是用两块半圆形试样拼合在一起模仿一块整体试样，实验时使两块半圆形试样以足够大的力紧紧抵在一起，这个抵紧力保证实验过程中两块半圆形试样抵合缝隙不会出现瞬时张开或错动的情况，然后，在两块半圆形试样的抵合缝隙处进行击穿处理，随后撤掉抵紧力分开试样，这时，在原抵紧面上就能够观察到弹起的塑性区。

具体做法如下：

首先把待测试样材料加工成两块，每一块上有一个面进行平面精磨加工，以达到尽可能高的平面度和光洁度。

其次，在每块试样上分别加工出两个定位销孔、一个螺纹孔和一个阶梯孔，确保两块试样的两个光洁平面平整并相对配合。

用两个定位销、两个螺钉将两块试样连接成为一个两块试样结合体。

在车床上经一次装卡将两块试样结合体加出外圆柱面和两个端面，并确保圆柱中心线位于两块试样结合面上。

将加工完成的两块试样结合体置于开口楔形套内，利用收紧套、压紧套上相互配合的螺纹，旋紧压紧套，从而使楔形套楔入收紧套和两块试样结合体之间，使系统牢固结合为一个整体。

从压紧套的中心孔导入冲头，并按着设计速度对冲头加载，冲头从两块试样结合体的中心穿过，对两块试样结合体带来击穿塑性变形。

打开两块试样结合体，每块试样上的挤压塑性变形区因外力撤销而弹起，弹起区包含的信息提供了材料击穿形变塑性区研究的新途径。

附图说明

附图1为一种材料击穿形变塑性区研究方法的实施过程示意图：1为施加于冲头上的压力方向；2为冲头；3为压紧套上的导销孔；4为压紧套；5为收紧套；6为开口楔形套；7为右样块；8为左样块；9为支撑右样块和左样块结合体的支撑力方向。

附图2为右样块7和左样块8的结合体示意图：10为右样块和左样块结合体上呈对角线布置的两个螺钉；11为右样块和左样块结合体上呈对角线布置的两个定位销。

附图3为冲头击穿两块试样结合体过程示意图。

附图4为打开两块试样结合体，每块试样上的击穿塑性变形区因外力撤销而弹起的示意图：椭圆圈内12为打开两块试样结合体后弹起的塑性区。

附图5为一种材料击穿形变塑性区研究方法的另一实施过程示意图：1a为弹丸的运动方向；2a为弹丸；3a为压紧套上的大预留孔；4a为大预留孔压紧套；5为收紧套；6为开口楔形套；7为右样块；8为左样块；9为支撑右样块和左样块结合体的支撑力方向。

实施方式

用两个螺钉10和两个定位销11把右样块7和左样块8抵紧组合成两块试样结合体。

两块试样结合体置于开口楔形套6内，利用收紧套5与压紧套4上相互配合的螺纹，旋紧压紧套4，从而使开口楔形套6楔入收紧套5和两块试样结合体之间，使系统牢固结合为一个整体，这样的结构能够防止实验过程中右样块7和左样块8的抵紧面发生瞬时张开和错动的情况。

在支撑右样块7和左样块8的结合体的支撑力9与施加于冲头2上的压力1的作用下，导销孔3内的冲头2穿入右样块7和左样块8中间，直至穿入一定深度或穿透，导致右样块7和左样块8中间的一部分在一定范围内顺序地发生了塑性形变，由于发生的为挤压塑性变形，右样块7和左样块8的结合体的抵合缝不会张开。

随后撤掉右样块7和左样块8间的抵紧力，打开两块试样结合体，每块试样上的挤压塑性形变区因外力撤销而弹起，得到弹起的塑性区12。

利用激光共聚焦显微分析等手段对弹起的塑性区痕迹12进行测量、分析，就能够得到塑性区范围、面积和弹起高度等信息，依据这些信息能够分析击穿形变对材料内部应力场变化的影响。

附图5显示了一种材料击穿形变塑性区研究方法的另一种实施过程：弹丸2a按着运动方向1a从压紧套上的大预留孔3a射入，穿过右样块7和左样块8结合的抵紧缝，留下击穿孔，打开两块试样结合体，每块试样上的挤压塑性变形区因外力撤销而弹起，得到打开两块试样结合体后弹起的塑性区12。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种材料击穿实验方法，这种材料击穿实验方法涉及材料对动能破坏的防护能力和对材料进行穿透等方面的研究，为了解决已有的利用有限元分析方法分析塑性区的间接性问题，本发明设计了一种材料击穿实验方法，就是用两块半圆形试样拼合在一起模仿一块整体试样，实验时使两块半圆形试样以足够大的力紧紧抵在一起，这个抵紧力保证实验过程中两块半圆形试样抵合缝隙不会出现瞬时张开或错动的情况，然后，在两块半圆形试样的抵合缝隙处进行击穿处理，随后撤掉抵紧力分开试样，这时，在原抵紧面上就能够观察到弹起的塑性区。

技术研发人员：王瑛玮;王耀民
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2017.09.08
技术公布日：2018.03.09