研究金属材料高温动态拉伸性能新方法_陈小安.pdf

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1、第20卷2期应用基础与工程科学学报Vol．20，No．22012年4月JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERINGApril2012文章编号:1005-0930(2012)02-0321-008中图分类号:O346．5文献标识码:Adoi:10．3969/j．issn．1005-0930．2012．02．016研究金属材料高温动态拉伸性能新方法11，2陈小安，宋顺成(1．西南交通大学力学与工程学院，四川成都610031;2．冲击环境材料技术国家级重点实验室，浙江宁波315103)摘要:采用自行设计带有小型加温装

2、置的改进的分离式Hopkinson拉杆装置测试了金属材料在高温条件下的动态拉伸性能，并用修正的Johnson-Cook模型作为材料的本构关系，提出了一种拟合金属材料在弹性及塑性阶段应变率及温度相关的损伤模型，并拟合出参数．结果表明:改进装置能够精确控制加温速率及温度，减小杆端软化的影响，测试结果相对误差小于1．5%;金属材料304不锈钢的屈服应力及断裂应变具有明显的正应变率效应的温度软化效应，但材料弹性模量具有负应变率效应和负温度效应;在293—625K之间计算结果和试验结果吻合较好，表明可用这种方法测试及估算材料高温动态力学性能，并用

3、于工程分析．关键词:金属材料;动态拉伸性能;高温;应变率;新方法目前由于高速加载装置的发展，越来越多的学者开始关注高温下材料的力学性［1］［2-5］能，针对金属材料的动态力学性能研究还主要在常温动态拉压力学性能，而对在高温下金属的动态力学性能的报道更是很少且集中在对具有典型晶体结构的金属展开，［6］Nemat-NasserS等利用Hopkinson压杆对纯钛材料进行了高温压缩实验，LennonAM［7］等利用红外预加温及Kolsky杆对铜，矾及α-钛进行了高温压缩实验，这种装置认为试样和杆件装配前后的温度一致，同时这种测温方式也暗示试样

4、的温度场始终均匀的假设，［8］这种方法的可靠性还有待验证．VaidyaRU等研究对比了Ti-46．5Al-3Nb-2Cr-0．2W和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo两种金属在高温下的压缩性能．在金属的高温动态拉伸力学性能的［9］研究上，MostafaShazly等采用了SHTB装置对金属材料高温下力学性能进行了研究，其中压缩采用喷出的高温气体进行温度加载，拉伸实验中在试样上缠裹电阻丝进行温度加载，这两种方法均难以控制试样温度的均匀性，同时导致实验段温度无法精确测量，而且［10］实验存在应力应变的非本构抖动．SturgesJL等采用

5、U形感应线圈对试件快速加温然后移开线圈采用飞行楔体对试件进行冲击拉伸实验，这样的方法很难保证试样温度的稳定性和均匀性，而且这种装置无法消除惯性效应影响．在常温动态拉伸测试方面Lindholm［11］US等采用Hopkinson压杆装置及一种顶端帽形试样完成，但这种方法无可避免地在测收稿日期:2010-11-04;修订日期:2011-03-29基金项目:国家自然科学基金资助项目(50874095)作者简介:陈小安(1985—)，男，博士研究生．E-mail:chenxiaoan0218@163．com322应用基础与工程科学学报Vol．2

6、0［12］试结果中存在剪切应力的影响，而且测试用试样在加工上存在相当的难度．NicholasT采用反射拉伸的方法进行测试，测试中材料的结果会受到第一次压力波的影响，而且文中的紧固方式会不可避免地存在拉伸应力的非本构抖动．综合以上文献，除文献［6］在位错动力学基础上给出了高温下金属材料的动态压缩参数，其余文献均未给出材料数值拟合参数．本文采用小型加温炉和自主研发制造的Hopkinson缸、杆分离式直接拉伸装置测试了304不锈钢材料在不同温度下的动态拉伸性能．采用修正的Johnson-Cook模型作为材料的本构关系，提出了一种拟合金属材料在

7、弹性阶段应变率及温度相关的特征规律的损伤模型，并拟合出其不同参数．结果表明这种新的实验方法及数值模型能够完成对金属材料在高温高应变率下的拉伸性能研究．1实验设备及原理本实验采用自主研发制造的Hopkinson缸、杆分离式动态拉伸设备和具有可调温度并可实时监控的加温设备对金属材料在不同应变率和不同温度下进行动态拉伸实验．实验装置如图1所示．图1动态拉伸装置示意图Fig．1Schematicoftheapparatusfordynamictensileexperiment在这种新的测试技术中，测试杆采用空心杆，其目的主要是为了放大测试信号，

8、减小横向惯性效应对应力波弥散的影响，空心杆穿过子弹发射筒，而与之相连的气缸单独分离出来，为缸、杆分离式气动直接动态拉伸装置，与现有的设备相比，由于降低了子弹发射腔的密封性要求，新增的输入杆套筒结构简单，仅在