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1、第13卷 第1期实 验 力 学Vol.13No.11998年3月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSMar.1998X材料冲击拉伸实验的若干问题探讨胡时胜 邓德涛 任小彬(中国科学技术大学,合肥,230026)摘要 本文提出了一套反射式的分离型Hopkinson拉杆,并对不锈钢材料(1Cr18Ni9Ti)进行了冲击拉伸试验。具体讨论了冲击拉伸试验过程中试件螺纹联接部分所引起的干扰信号,试验段应变值确定以及试件尺寸和形状所引起的二维效应。关键词 Hopkinson实验技术 冲击拉伸性能 不
2、锈钢随着生产实践和科学技术的发展需要,研究结构材料在冲击载荷下的力学响应,即研究材料的动态力学性能已愈来愈引起人们的重视。为了这种研究,人们相继提出了一系列专用于测材料动态力学性能的冲击加载装置,其中尤以Kolsky(1949)提出的分离式Hopkinson压杆(SHPB)最为典型,并已形成比较完整的Hopkinson实验技术,获得广泛应用。然而,Hopkinson实验技术主要用于测材料的冲击压缩性能,较少考虑测材料的冲击拉伸性能。究其原因,一是过去涉及的工程材料大多为金属及其合金,这类材料属韧性材料,其拉压特
3、性基本对称,因此大多只进行冲击压缩实验;二是实现冲击拉伸实验在技术上会遇到更大的困难。然而,随着复合材料等拉压性能明显不同的工程材料的大量应用,开展对材料冲击拉伸性能的实验研究就显得愈来愈重要了。六十年代以来,曾有不少学者设计研制过不少专用于测材料冲击拉伸性能的冲击加载装[1]置。典型的有Kawata和Kobayashi设计的杆-块型装置(图1),其中摆锤式的,施加在试件上的应变率太低,而转盘式的虽可达到比较高的应变率,但因其结构复杂、造价高,不利于推广。因此人们更多地是借助于已有的SHPB装置,进行适当改造,
4、设计出各种各样分离式Hop2kinson拉杆(SHTB)装置。图2中给出的是两种比较典型的SHTB装置。其中图2(a)为Harding等人提出的装置示[2]意图,它是利用拉杆外面的套管传播套管子弹撞击所产生的压缩波,并通过联结点转换为输入拉杆中的拉伸波,直接对试件实施冲击拉伸。这套装置需要配备驱动套管子弹的大口径压气枪;另外,套管及拉杆的对心难度大,产生的拉伸波形不太好,因此推广起来有一定难度。图2[3](b)为Staab和Gilat提出的装置示意图,它是在输入拉杆中间安装一套夹具,由它夹紧拉杆,再预拉该拉杆的
5、一端,随后突然松开夹具,使储存在输入杆前半段的巨大拉伸能量瞬间释X本文于1997年3月28日收到第1稿,1997年11月18日收到修改稿©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.1 实 验 力 学 0(1998年)第13卷 放,产生拉伸波。虽说这套装置能产生比较好的拉伸波波形,但它对夹具的要求很高。图3为[4]Nicholas提出的装置示意图。它是利用压缩波到达自由端时可反射
6、为拉伸波,故称之为反射式SHTB装置。它与前面两种SHTB装置相比,设计思想新颖,设备改造简单方便,因此最易推广使用。目前国内外采用的SHTB装置较多的为这一种。图1 杆-块型冲击加载装置图2 两种典型的SHTB装置反射式SHTB装置的工作原理如图3所示。图中套在试件外面的是一个承压环,鉴于它的截面积比试件试验段的面积大得多,因此它可承受压缩脉冲的主要部分,从而可保证试件不被压坏,但它又不能承受任何的拉伸脉冲,因此拉伸脉冲可全部作用于试件的试验段。当压缩脉冲在输入杆的自由端反射后,即成了拉伸脉冲,它将作为入射波
7、作用到拉伸试件上。试件在该载荷作用下高速变形,同时在两个杆中产生反射波和透射波。利用所测得的入射波、反射波和透射波即可得到该试件材料的冲击拉伸的应力-应变曲线。然而,采用反射式SHTB装置实施冲击拉伸试验尚需解决的关键问题是干扰对三个波形的影响,另外还有两个问题是针对所有冲击拉伸试验的,一个是应变值的准确确定,另一个是试件的尺寸形状所产生的二维效应。由于拉伸试件与拉杆之间大多采用螺纹连接,因此两者螺纹间的间隙以及试件与拉杆螺孔底部的间隙必然会产生干扰信号(如图3中的虚线),它们有可能叠加在入射波、反射波和透射波
8、上,这将严重影响着数据的采集处理。为了消除这种影响,办法之一是尽可能消除或减小这种干扰。实践表明,采用这种办法是很困难的。也有人提出将装置中的两根实心的拉杆改为©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 第1期 胡时胜等:材料冲击拉伸实验的若干问题探讨 11[5]
