冲击载荷下瞬态温度的实时测量方法.pdf

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1、第34卷第4期爆炸与冲击Vo1．34，NO．42014年7月EXPL0S10NANDSHOCKWAVESJu1．，2014文章编号：1001—1455(2014)04—0471-05冲击载荷下瞬态温度的实时测量方法刘永贵，唐志平，崔世堂(中国科学技术大学中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，安徽合肥230027)摘要：将红外瞬态测温装置引入SHPB冲击实验，确定了不同材料试件的温度标定曲线，并实时测量了冲击下Al合金和伪弹性TiNi合金试样的表面温度。结果表明，2种试样温度变化都经历了加载过程的温度升高，主要不同在于卸载

2、过程，Al合金卸载过程中温度保持最大加载温度不变，而TiNi合金试样卸载过程中温度降低，这反映了2种材料不同的物理变形过程和温度变化机制。直接红外测温的实验结果与根据能量守恒理论计算的温度较好吻合，说明采用的红外测温方法实时测量冲击瞬态温度是可行的。关键词：固体力学；瞬态温度；红外测温；Al合金；实时；冲击；伪弹性rriNi合金中图分类号：O347．1国标学科代码：1301515文献标志码：A冲击载荷作用下，材料变形过程可近似为绝热过程。变形过程中可能存在塑性功、相变和断裂等因素，引起材料温度的变化，反过来温度变化又会影响

3、材料性能和瞬态响应，如改变后继阈值应力、材料热力学状态等。总之，温度是描述材料性能的一个重要物理参量，实时测量冲击过程中温度变化有利于理解材料的热力学性能、分析冲击过程中热和力的耦合作用。温度变化具有瞬时性，要求测温系统的响应时间跟得上冲击载荷的作用时间。目前，实时测温主要采用热电偶和红外测温方法，前者结构简单使用方便，但响应时间较长，一般不适用高速冲击过程。红外测温是一种光学测温方法，具有2个显著特点：一是非接触，适用于各种复杂环境；二是响应时间快可达亚微妙量级，能够满足冲击过程对时间分辨率的要求。目前，利用红外测温方法

4、实时测量材料瞬态温度，已开展了不少工作。J．Hodowany_1j、J．J．Mason等和S．J．Craig等采用1单元HgTeGe红外探测器测量了冲击下Al合金试件表面温度，确定了塑性功的热转化系数。A．Marchand等_4利用12单元线阵HgCdTe探测器测量了钢中剪切带区域温度变化。A．T．Zehnder等采用16单元线阵HgCdTe探测器实时得到了冲击下裂纹尖端温度场，分析了温度对裂纹扩展的影响。P．R．Guduru等利用自制8×8单元面阵HgCdTe探测器获得了裂纹起裂和传播过程中的温度场。夏源明等E73采用1

5、单元HgCdTe探测器测量了纤维复合材料冲击拉伸断裂过程中温度变化。可见，红外测温技术已广泛应用于冲击力学领域，为了解材料瞬态变形和破坏机理提供了途径。本文中，采用1单元HgCdTe红外探测器装置，在SHPB冲击压缩条件下，实时测量Al合金试件和处于伪弹性状态的TiNi形状记忆合金试样的表面温度，分析温度测量的可靠性，得到2种材料绝热变形过程中温度变化规律。l红外瞬态测温原理和标定1．1基本原理和方法红外测温的基本原理是斯特藩一玻耳兹曼定理引：P(丁)一￡T(1)式中：P(T)为温度为T时单位时间从物体单位面积上辐射出的总

6、辐射能，称为总辐射度；为斯特藩_*收稿日期：2012—11—29；修回日期：2013—0114基金项目：国家自然科学基金项目(11072240)作者简介：刘永贵(1982一)，男，博士研究生。爆炸与冲击第34卷玻耳兹曼常量；T为物体热力学温度，e为物体灰度。由上式可得：T一()式(2)是物体热辐射测温的数学描述。1．2标定红外测温的关键和难点是标定，实验测温精度取决于标定精度。标定建立示波器电压信号和被测试样表面温度的关系。原则上有理论和实验方法，但理论存在一些难以确定的因素，实际常采用实验标定办法。标定实验在14．5mm

7、SHPB压杆上完成，如图1所示。标定后的实验装置直接用于冲击红外瞬态温度测量，以确保实验和标定条件的一致性。红外测温系统由光学聚焦镜、红外探测器、前置放大器、斩波器及记录仪器等组成。当试件产生瞬态温度变化时，试件表面小块面积上的辐射能量通过光学系统聚焦到红外探测器光敏单元上转化为电信号，经前置放大器记录到示波器上。光学聚焦系统形式繁多]，本文中采用镀金凹面反射镜，焦距200mm，有效通光口径5Omm，试样表面距凹面镜中心600rnm。探测器采用Judson公司1单元HgCdTe红外探测器，传感器尺寸1mm×1mm，响应时间

8、0．5s，波长范围2～14m(对应黑体温度3OO～1200K)，温度分辨率0．1K，为减小探测器噪音需置于77K液氮环境下工作。红外探测器距凹面镜中心距离为3O0mm，根据几何光学，此时凹面镜的缩小倍数为2倍，因此对应的待测试样的表面辐射面积为2mm×2mm。前置放大器PA一101带宽10Hz～1MHz