[發明專利]一種霍普金森拉桿實驗裝置及測試方法

無效

• 申請號: 201410128230.6
• 申請日: 2014-04-01
• 公開（公告）號: CN103868802A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 孫光永;李光耀;崔俊佳;耿輝輝;唐春紅
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G01N3/18
• 分類號: G01N3/18
• 代理公司: 北京律譜知識產權代理事務所(普通合伙) 11457
• 代理人: 王慶海

技術領域

本發明屬于材料高溫動態力學性能研究領域，具體涉及一種在高溫、高精度霍普金森拉桿實驗裝置以及基于該裝置的對于材料應力-應變曲線的測試方法。

背景技術

雖然人們對材料的研究與應用有很長的歷史，但是直到十九世紀人們才意識到材料在動載和靜載下的力學性能往往是不同的。在大量的沖擊試驗中，材料的應變率能達到10²S^-1量級，遠遠高于靜載實驗中10^-5-10^-1S^-1量級。在如此高的應變率下，材料的屈服極限、強度極限顯著提高，延伸率降低，而且屈服滯后和斷裂滯后等現象變得顯著起來。鑒于材料的本構關系對應變率的依賴性，研究高應變率下材料的應力-應變關系有重要的意義。

目前，工程和科研領域里人們廣泛利用霍普金森拉桿來研究材料的動態力學性能。霍普金森拉桿裝置主要由氣槍、子彈、入射桿、透射桿和數據采集裝置組成。試件通過一定的方式與入射桿和透射桿連接。管狀子彈受高壓氣室的推動，撞擊入射桿的法蘭端，在入射桿中形成一個拉伸脈沖，即入射波，入射波在入射桿中向前傳播。當波傳至入射桿與試件接觸的界面時，由于試件和透射桿的慣性效應，整個試件將被拉伸。同時，由于桿與試件的波阻抗的差異，入射波部分反射為反射波返回入射桿，而另一部分則透過試件進入透射桿形成透射波。入射波和反射波由貼在入射桿表面的應變片測出，透射波由貼在透射桿表面的應變片測出，由測得的入射波、反射波和透射波就可以處理得到材料的變形和破壞情況，從而獲得材料的應力-應變曲線。

目前，國內關于霍普金森拉桿的研究取得了一些研究成果。名稱為“溫度和應變率對拉伸載荷下高溫鋁合金本構關系影響的研究”的文章（佟景偉等，實驗力學，1999，14（4）：498～504）將試件及波導桿同時加熱，然后對波導桿進行溫度梯度修正的方式，其缺點是數據處理比較復雜。名稱為“高溫沖擊拉伸實驗中的快速接觸加溫技術”的文章（昝祥等，實驗力學，2005，20（3）：321～327）采用大熱容量熱慣性溫升的快速接觸溫升技術，其缺點是加熱器可能對試件產生橫向沖擊，影響實驗的精度。名稱為“一種高溫霍普金森拉伸實驗裝置”的發明專利（專利申請號：201010516125.1）采取了電阻加熱的方式，但是對加熱段的空氣沒進行處理，試件在高溫下容易被空氣氧化，影響結果的可靠性。因此，急需一種操作相對簡單、精度及可靠性較高的拉桿裝置及測試方法來獲取材料在高速拉伸下的動態力學性能。

隨著數字圖像相關（DIC：Digital?Image?Correlation）技術的發展，DIC技術為我們提供了一種測定實時應變的方法，結合應變片得到的材料的應力-時間關系，便可以得到材料動態的應力-應變曲線。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高溫下高精度霍普金森拉桿實驗裝置及測試方法。采用該套實驗裝置及方法，可以有效解決高溫下霍普金森拉桿實驗對試件的加熱問題，避免試件在高溫下被氧化的問題，同時能獲得試件更高應變率下的應力-應變曲線。此外利用數字圖像相關技術（DIC）獲取試件的實時應變，并利用應變片獲取試件的應力-時間曲線，保證實驗的精確度。

本發明的技術方案是提供了一種霍普金森拉桿實驗裝置，該裝置包括電磁激發器、入射桿、水冷管道、入射桿端夾頭、試件、溫控儀、透射桿端夾頭、套筒、透射桿、密封艙、高速攝像機、示波器，其特征在于：

電磁發射器的線圈固定在線圈擋板的凹槽中，線圈擋板固定在支座上；銅板通過螺栓與入射桿法蘭端連接；水冷管道粘附于入射桿的右端；入射桿端夾頭左右兩端分別與入射桿和試件連接；試件右端開有一銷孔，套筒套入試件后，用銷軸固定；

密封艙左端繞過入射桿端夾頭，右端接觸透射桿，通過支座固定形成密封空間；密封艙頂端開有四孔，從左到右依次為氦氣進氣孔、加熱夾頭II導線入口、熱電偶入口、加熱夾頭I導線入口，底端右側開有出氣孔，左端開辟透明玻璃窗口。

進一步地，透射桿端夾頭左端內壁與套筒外壁在之間留有間隙，透射桿端夾頭右端通過均布于斷面的6個螺栓與透射桿的法蘭端剛性連接。

進一步地，當試件裝夾好后，密封艙充入氦氣，打開加熱開關，同時打開水冷裝置，通過水泵，讓冷水從入水口A進入，從排出口B排出。

進一步地，實驗時，線圈內的電流和銅板內的感應電流會各自產生感應磁場和次級感應磁場，并在入射桿上形成拉伸波，拉伸波沿著入射桿傳播，當波傳至入射桿與試件接觸的界面時，由于試件和透射桿的慣性效應，整個試件將被拉伸。

本發明的有益效果：