CN113049358A - 一种金属材料动态断裂性能的表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属材料动态断裂性能的表征方法，属于材料动态力学实验技术领域。使用分离式霍普金森压杆对标准三点弯曲样品进行动态加载，表征参量为标准三点弯曲样品发生动态断裂时消耗的能量值。分离式霍普金森压杆为
Figure DDA0002338304810000011
的分离式霍普金森压杆，加载气压为2atm～4atm，变形应变率为103s‑1～104s‑1，分离式霍普金森压杆的入射杆末端和透射杆前端均装有冲头，用于加载和支撑样品，入射杆和透射杆上贴有应变片，并通过信号采集***获得加载过程中入射波、透射波和反射波的应力‑时间曲线。本发明的方法可定量表征金属材料在应变率为103s‑1～104s‑1下的动态断裂性能。

Description

一种金属材料动态断裂性能的表征方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料动态断裂性能的表征方法，属于材料动态力学实验技术领域。
背景技术
材料动态变形及失效行为是指材料在高应变率(高于5/s)条件下的力学行为，涉及到如***成形、冲击合成、高速侵彻和冲击防护等诸多民用及军用领域。
研究已证实，材料的动态力学行为和准静态力学行为之间存在明显差异：在准静态条件下，材料发生变形的应变速率较低，材料内部的每个单元在任何时间点都可视为处于应力平衡和热平衡的状态；而在动态条件下，变形的应变速率较高，此时，材料内部则偏离了应力平衡状态和热平衡的状态，不仅变形机制可能与准静态下发生区别，而且还有可能发生准静态条件下不会出现的破坏方式(如绝热剪切破坏)。因此，仅了解材料的准静态力学行为并不能帮助研究人员预测材料在高应变率下的宏观动态力学性能和失效条件。
已有大量研究表明，材料的断裂行为和加载速率有关，动态加载下的断裂性能和准静态加载下的断裂性能有着显著的不同，因此，准静态条件下材料的表征方法和表征参量对动态下的断裂性能研究并不适用。
目前，常用的表征材料动态断裂性能的常用参量有动态断裂韧性KId、起裂时间和裂纹传播速度等，以上表征量都与时间参量密切相关，这是动态断裂性能表征参量与准静态下表征参量的最大区别。
为研究材料的动态断裂性能，有大量测试表征的尝试性研究，但测试方法和表征方法尚未形成标准。按加载设备，可将目前动态断裂性能的表征实验分为Charpy/摆锤冲击法和SHPB(分离式霍普金森Hopkinson压杆)加载法。其中，SHPB加载法开展动态断裂性能的研究，该方法是将分离式霍普金森杆进行改装，实现对一点弯曲试样、三点弯曲试样、单边切口拉伸试样、双边切口拉伸板状试样、中心切口拉伸试样或紧凑拉伸试样进行加载，其中，应用较广泛的是仅使用子弹和楔形入射杆对三点弯样品加载的方式，对应的表征参量是KId。以SHPB进行动态断裂性能研究的优点：一是加载获得的裂纹传播速度可轻易达到105MPam1/2s-1量级，二是这是一种示波冲击研究方法，可通过在波导杆上贴应变片的方法来获得载荷-时间曲线，并可通过在样品上贴应变片的方法获知样品的起裂时间。
虽然SHPB加载法具有以上优点，但这种方法至今无法形成标准，有以下三点原因：第一是起裂时间的测定不准确；第二是试件的设计及其联接较为困难；第三是应力强度因子难以实时测量，目前应用的均为依靠模拟产生的近似公式，因此，得到的KId值很大程度上受到选择模型的影响，所得结果并不一定准确。
尽管利用SHPB进行动态断裂性能的研究还存在以上问题，但因其是符合实验室条件下的测试方法，且操作便捷，值得尝试对该设备进行进一步改装、并提出新的表征参量，使其适用于动态断裂性能的研究。
因此，提出一种基于SHPB设备的金属材料动态断裂性能的表征方法，实现对金属材料抵抗动态断裂能力的表征，起裂时间测定准确，方便实验，测量更精准，达到实际应用水平；就成为该技术领域急需解决的技术难题。
发明内容
为了表征金属材料抵抗动态断裂能力，本发明的目的在于提供一种起裂时间测定准确、方便实验、测量更精准的金属材料动态断裂性能的表征方法。采用所述方法，可对金属材料动态断裂性能进行量化表征。
本发明的目的由以下技术方案实现：
一种金属材料动态断裂性能的表征方法，包括如下步骤：使用分离式霍普金森压杆对标准三点弯曲样品进行动态加载，表征参量为标准三点弯曲样品发生动态断裂时消耗的能量值。
优选地，所述分离式霍普金森压杆为
Figure BDA0002338304800000021
的分离式霍普金森压杆，加载气压为2atm～4atm，变形应变率为103s-1～104s-1，分离式霍普金森压杆的入射杆末端和透射杆前端均装有冲头，用于加载和支撑样品，入射杆和透射杆上贴有应变片，并通过信号采集***获得加载过程中入射波、透射波和反射波的应力-时间曲线。
优选地，对采集到的入射波、透射波和反射波的应力-时间曲线通过下述能量公式进行计算，获得入射波、反射波和透射波分别携带的能量E入、E反和E透；
能量公式为：
Figure BDA0002338304800000022
式中Eb为杆的弹性模量，Ab为杆的横截面积，Cb为杆的波速，ε(x)为杆上位置为x处的应变值；ε(t)为杆在时间为t时刻的应变值，t0为杆上所贴的应变片记录到的应力波开始的时刻，tf为应力波结束的时刻。
优选地，表征时使用的样品为标准三点弯曲样品，其尺寸为：B(厚)为3～4mm，W(宽)＝2B，S(两支点间距离)＝4W，L(长)＞2.1W。
优选地，所述表征参量即样品发生动态断裂时消耗的能量值的计算方法为动态加载时的入射波能量减去透射波能量和反射波能量。
本发明的另一目的是提供一种金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法，包括如下步骤：
(1)制备标准三点弯曲样品；
(2)分离式霍普金森压杆的入射杆末端和透射杆前端均装有冲头，用于加载和支撑样品，入射杆和透射杆上贴有应变片，对步骤(1)所制得的样品在配有冲头的分离式霍普金森压杆上进行动态加载，使样品在第一轮应力波加载过程中破坏，并通过信号采集***获得加载过程中入射波、透射波和反射波的应力-时间曲线；
(3)对步骤(2)中采集到的入射波、透射波和反射波的应力-时间曲线进行计算，获得入射波、反射波和透射波分别携带的能量E入、E反和E透；具体计算公式如下：
Figure BDA0002338304800000031
式中Eb为杆的弹性模量，Ab为杆的横截面积，Cb为杆的波速，ε(t)为杆在时间为t时刻的应变值，t0为杆上所贴的应变片记录到的应力波开始的时刻，tf为应力波结束的时刻；ε(x)为杆上位置为x处的应变值。
(4)利用步骤(3)得到的能量E入、E反和E透，计算样品发生动态断裂消耗的能量，即E断＝E入-E反-E透，其值即可表征金属材料的动态断裂性能。
优选地，步骤(1)中的标准三点弯曲样品为铝合金、钢或钛合金，其尺寸为：B(厚)为3～4mm，W(宽)＝2B，S(两支点间距离)＝4W，L(长)＞2.1W。
优选地，步骤(2)中的分离式霍普金森压杆的直径为
Figure BDA0002338304800000032
优选地，步骤(2)中的动态加载气压为2atm～4atm，变形应变率为103s-1～104s-1。
本发明的优点：
(1)本发明通过采用能量值来进行金属材料动态断裂性能的表征，可有效避免传统方法中采用断裂时间表征时断裂时刻无法准确测量的问题。
(2)本发明通过采用能量值来进行金属材料动态断裂性能的表征，是一种量化的表征方法，统一样品尺寸和加载能量、加载应变率即可实现对比。
(3)通过使用分离式霍普金森压杆***作为加载装置，使金属材料动态断裂性能测试在实验室条件下得以进行。
(4)通过使用标准三点弯曲样品作为试样，可轻易实现相同材料在准静态和动态条件下断裂性能的对比，避免样品不同而导致应力状态不同引起的干扰。
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
具体实施方式
本发明的金属材料动态断裂性能的表征方法，使用的动态加载设备为
Figure BDA0002338304800000041
的分离式霍普金森压杆，在2atm～4atm的加载气压获得103s-1～104s-1的加载应变率，入射杆末端和透射杆前端均装有冲头，用于加载和支撑样品，入射杆和透射杆上贴有应变片，并通过信号采集***获得加载过程中入射波、透射波和反射波的应力-时间曲线；使用的试样为标准三点弯曲样品，其尺寸可描述为：B为3～4mm，W＝2B，S＝4W，L＞2.1W；所述表征方法的表征参量为发生动态断裂消耗的能量，由能量守恒可知“发生动态断裂消耗的能量E断”＝“入射波携带的能量E入”－(“透射波携带的能量E透”+“反射波携带的能量E反”)，三项应力波携带的能量计算方法均为：
Figure BDA0002338304800000042
式中Eb为杆的弹性模量，Ab为杆的横截面积，Cb为杆的波速，ε(t)为杆在时间为t时刻的应力值，t0为杆上所贴的应变片记录到的应力波开始的时刻，tf为应力波结束的时刻。
本发明的金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法，其步骤如下：
(1)制备标准三点弯曲样品，其尺寸为：B为3～4mm，W＝2B，S＝4W，L＞2.1W；
(2)对步骤(1)所制得的样品在配有冲头的分离式霍普金森压杆上进行应变率为103s-1～104s-1的动态加载并采集入射波、透射波和反射波的应力—时间曲线，调节加载气压使样品在第一轮应力波加载过程中破坏；
(3)对步骤(2)中采集到的三条应力-时间曲线进行计算，获得入射波、反射波和透射波分别携带的能量E入、E反和E透；
(4)利用步骤(3)得到的三项能量值计算样品发生动态断裂消耗的能量，其值即可表征金属材料的动态断裂性能。
将通过以上方法观察到的组织形貌及晶粒取向信息进行进一步对比分析并还原组织的变化过程，以揭示金属材料的动态压缩变形及失效行为。
实施例1
一种金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法，其步骤如下：
(1)制备铝合金的标准三点弯曲样品，其尺寸分别为：B为3mm，W＝2B，S＝4W，L＝13mm；
(2)直径为30mm的分离式霍普金森压杆的入射杆末端和透射杆前端均装有冲头，用于加载和支撑样品，入射杆和透射杆上贴有应变片，对步骤(1)所制得的样品在配有冲头的分离式霍普金森压杆上进行加载气压为2atm的动态加载，使样品在第一轮应力波加载过程中破坏，并通过信号采集***获得加载过程中入射波、透射波和反射波的应力-时间曲线；
(3)对步骤(2)中采集到的三条应力-时间曲线通过下述能量公式进行计算，获得入射波、反射波和透射波分别携带的能量E入＝50J、E反＝30J和E透＝15J；
能量公式为：
Figure BDA0002338304800000051
式中Eb为杆的弹性模量，Ab为杆的横截面积，Cb为杆的波速，ε(t)为杆在时间为t时刻的应变值，t0为杆上所贴的应变片记录到的应力波开始的时刻，tf为应力波结束的时刻；
(4)利用步骤(3)得到的能量E入、E反和E透，计算样品发生动态断裂消耗的能量，即E断＝E入-E反-E透＝5J，其值即可表征金属材料的动态断裂性能。
实施例2
一种金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法，其步骤如下：
(1)制备钢的标准三点弯曲样品，其尺寸为：B为3mm，W＝2B，S＝4W，L＝15mm；
(2)直径为35mm的分离式霍普金森压杆的入射杆末端和透射杆前端均装有冲头，用于加载和支撑样品，入射杆和透射杆上贴有应变片，对步骤(1)所制得的样品在配有冲头的分离式霍普金森压杆上进行加载气压为3atm的动态加载，使样品在第一轮应力波加载过程中破坏，并通过信号采集***获得加载过程中入射波、透射波和反射波的应力-时间曲线；
(3)对步骤(2)中采集到的入射波、透射波和反射波的应力-时间曲线进行计算，获得入射波、反射波和透射波分别携带的能量E入＝150J、E反＝120J和E透＝15J；
(4)利用步骤(3)得到的能量E入、E反和E透，计算样品发生动态断裂消耗的能量，即E断＝E入-E反-E透＝15J，其值即可表征金属材料的动态断裂性能。
实施例3
一种金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法，其步骤如下：
(1)制备钛合金的标准三点弯曲样品，其尺寸为：B为4mm，W＝2B，S＝4W，L＝18mm；
(2)直径为40mm的分离式霍普金森压杆的入射杆末端和透射杆前端均装有冲头，用于加载和支撑样品，入射杆和透射杆上贴有应变片，对步骤(1)所制得的样品在配有冲头的分离式霍普金森压杆上进行加载气压为3.5atm的动态加载，使样品在第一轮应力波加载过程中破坏，并通过信号采集***获得加载过程中入射波、透射波和反射波的应力-时间曲线；
(3)对步骤(2)中采集到的入射波、透射波和反射波的应力-时间曲线进行计算，获得入射波、反射波和透射波分别携带的能量E入＝120J、E反＝100J和E透＝10J；
(4)利用步骤(3)得到的能量E入、E反和E透计算样品发生动态断裂消耗的能量，即E断＝E入-E反-E透＝10J，其值即可表征金属材料的动态断裂性能。
本发明公开的方法可定量表征金属材料在应变率为103s-1～104s-1下的动态断裂性能。
本发明包括但不仅限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种金属材料动态断裂性能的表征方法，包括如下步骤：使用分离式霍普金森压杆对标准三点弯曲样品进行动态加载，表征参量为标准三点弯曲样品发生动态断裂时消耗的能量值。
2.如权利要求1所述的金属材料动态断裂性能的表征方法，其特征在于：所述分离式霍普金森压杆为
Figure FDA0002338304790000012
的分离式霍普金森压杆，加载气压为2atm～4atm，变形应变率为103s-1～104s-1，分离式霍普金森压杆的入射杆末端和透射杆前端均装有冲头，用于加载和支撑样品，入射杆和透射杆上贴有应变片，并通过信号采集***获得加载过程中入射波、透射波和反射波的应力-时间曲线。
3.如权利要求2所述的金属材料动态断裂性能的表征方法，其特征在于：对采集到的入射波、透射波和反射波的应力-时间曲线通过下述能量公式进行计算，获得入射波、反射波和透射波分别携带的能量E入、E反和E透；
能量公式为：
Figure FDA0002338304790000011
式中Eb为杆的弹性模量，Ab为杆的横截面积，Cb为杆的波速，ε(t)为杆在时间为t时刻的应变值，t0为杆上所贴的应变片记录到的应力波开始的时刻，tf为应力波结束的时刻，ε(x)为杆上位置为x处的应变值。
4.如权利要求3所述的金属材料动态断裂性能的表征方法，其特征在于：表征时使用的样品为标准三点弯曲样品，其尺寸为：B为3～4mm，W＝2B，S＝4W，L＞2.1W。
5.如权利要求4所述的金属材料动态断裂性能的表征方法，其特征在于：所述表征参量即样品发生动态断裂时消耗的能量值的计算方法为动态加载时的入射波能量减去透射波能量和反射波能量。
6.一种金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法，包括如下步骤：
(1)制备标准三点弯曲样品；
(2)分离式霍普金森压杆的入射杆末端和透射杆前端均装有冲头，用于加载和支撑样品，入射杆和透射杆上贴有应变片，对步骤(1)所制得的样品在配有冲头的分离式霍普金森压杆上进行动态加载，使样品在第一轮应力波加载过程中破坏，并通过信号采集***获得加载过程中入射波、透射波和反射波的应力-时间曲线；
(3)对步骤(2)中采集到的入射波、透射波和反射波的应力-时间曲线进行计算，获得入射波、反射波和透射波分别携带的能量E入、E反和E透；具体计算公式如下：
Figure FDA0002338304790000021
式中Eb为杆的弹性模量，Ab为杆的横截面积，Cb为杆的波速，ε(t)为杆在时间为t时刻的应变值，t0为杆上所贴的应变片记录到的应力波开始的时刻，tf为应力波结束的时刻，ε(x)为杆上位置为x处的应变值；
(4)利用步骤(3)得到的能量E入、E反和E透，计算样品发生动态断裂消耗的能量，即E断＝E入-E反-E透，其值即可表征金属材料的动态断裂性能。
7.如权利要求6所述的金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法，其特征在于：所述的标准三点弯曲样品为铝合金、钢或钛合金。
8.如权利要求7所述的金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法，其特征在于：所述的标准三点弯曲样品的尺寸为：B为3～4mm，W＝2B，S＝4W，L＞2.1W。
9.如权利要求6所述的金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法，其特征在于：所述的分离式霍普金森压杆的直径为
Figure FDA0002338304790000022
10.如权利要求6所述的金属材料动态变形及失效行为的准原位实验分析方法，其特征在于：所述的动态加载的气压为2atm～4atm，变形应变率为103s-1～104s-1。
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