[發明專利]測試拉伸/剪切復合加載下材料動態力學性能的裝置及方法

有效

• 申請號: 201611101077.3
• 申請日: 2016-12-02
• 公開（公告）號: CN106525577B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 劉戰強;王兵;史振宇;萬熠;宋清華
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01N3/06
• 分類號: G01N3/06;G01N1/28
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙敏玲

本發明公開了一種測試拉伸/剪切復合加載下材料動態力學性能的裝置及方法，包括沖擊機構、沖擊桿、入射桿、透射桿以及應變信號采集裝置；在所述的透射桿的一端安裝試樣，另一端安裝一個緩沖器，所述的沖擊桿在沖擊機構裝置的沖擊下沖擊入射桿的一端，入射桿的另一端沖擊試樣；且試樣的一側安裝有圖像采集裝置；在所述的入射桿和透射桿上安裝有應變片；所述的應變片與采集卡相連，所述的采集卡與信號顯示裝置相連。

技術領域

本發明涉及一種測試拉伸/剪切復合加載下材料動態力學性能的試樣結構設計及測試方法，尤其是一種測試材料高應變率變形力學性能和捕獲材料實時變形及失效行為的技術。

背景技術

加載速率和應力狀態是影響材料變形和失效行為的重要因素。材料在動態加載作用下發生不同于靜載荷下的力學行為，理解與掌握材料的動態力學性能對合理控制材料變形與失效，實現工程應用中的趨利避害具有重要意義，比如爆炸和撞擊、地震、工程爆破、彈體對裝甲的侵徹、核爆炸及其防護、微隕石和雨雪冰沙對飛行器的高速撞擊、高速加工、等徑角擠壓變形等均涉及材料動態力學性能的研究。復合應力狀態下的材料變形和失效行為與單軸應力狀態下相比具有顯著差異，材料(或零件)的實際服役環境多為復合應力狀態，包括拉伸/剪切復合、壓縮/剪切復合、彎曲/扭轉復合等，但傳統材料力學性能測試主要利用材料力學性能試驗機實現單軸拉伸、單軸壓縮和扭轉等裝置測試獲取材料變形和斷裂參數，所獲得的材料靜態力學性能參數不能描述材料在復合應力狀態與動態加載下的變形與失效行為。

材料在靜態(或準靜態)加載時的變形過程緩慢，應變率范圍為10^-3/s-1/s，利用力學性能試驗機測試材料靜態(或準靜態)變形行為時可以使用普通數碼相機追蹤其變形過程，材料失效后通過測試試樣伸長率及斷面收縮率即可確定材料斷裂應變等力學參數。但對于高應變率復合應力狀態下的材料變形和斷裂行為研究，一方面需要設計合理的試樣結構和測試裝置實現材料的高應變率復合應力加載；另一方面需要開發有效的測試方法捕獲材料動態變形和斷裂過程。這正是本發明所解決的兩個核心問題。

發明內容

本發明的目的是為克服上述已有材料力學性能測試裝置和測試方法存在的不足，提供一種測試拉伸/剪切復合加載下材料動態力學性能的試樣結構設計及測試方法，材料動態力學性能測試裝置基于分離式霍普金森壓桿工作原理所搭建，測試應變率高達10⁴/s以上，設計的材料力學性能測試試樣能夠實現拉伸/壓縮復合應力加載，在被測試試樣表面涂覆熒光粉(或熒光漆)，測試時利用高速相機追蹤拍攝試樣表面的熒光粉(或熒光漆)粒子運動軌跡，通過分析熒光粒子的運動即可捕獲被測試試樣的高應變率變形和斷裂行為。該裝置和方法可以測試超高應變率加載和復合應力狀態下的材料力學性能，測試精度和測試效率高，適用于塑性材料和脆性材料的動態力學性能測試。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種測試拉伸/剪切復合加載下材料動態力學性能的裝置，包括沖擊機構、沖擊桿、入射桿、透射桿以及應變信號采集裝置；在所述的透射桿的一端安裝試樣，另一端安裝一個緩沖器，所述的沖擊桿在沖擊機構裝置的沖擊下沖擊入射桿的一端，入射桿的另一端沖擊試樣；且試樣的一側安裝有圖像采集裝置；在所述的入射桿和透射桿上安裝有應變片；所述的應變片與采集卡相連，所述的采集卡與信號顯示裝置相連。

進一步的，所述的沖擊機構包括一個炮管和為炮管充氣的充氣裝置，所述的炮管的一端插裝在沖擊桿，另一端連接充氣裝置，所述的充氣裝置為炮管充氣，進而推動沖擊桿沖擊入射桿。

進一步的，所述的入射桿受沖擊端安裝有波形整形器，所述波形整形器采用直徑小于桿系直徑的薄銅片或薄鋁片。

進一步的，所述的緩沖器用于吸收桿件沖擊能量，一般由柔性材質如橡膠、軟木塊等構成。

進一步的，所述的圖像采集裝置包括高速相機和光源，其中高速相機的最高采樣頻率不低于100000Hz，在采樣頻達到100000Hz時拍攝的圖像分辨率不低于256x256像素。