關(guān)于霍普金森桿高溫動態(tài)實驗技術(shù)的簡單總結(jié)

1、 關(guān)于霍普金森桿高溫動態(tài) 實驗技術(shù)的簡單總結(jié) 匯報人：武強(qiáng) 主要內(nèi)容一、基本理論 二、高溫實驗方法及數(shù)據(jù)處理三、高溫實驗中應(yīng)該注意到的問題四、項目進(jìn)展 材料在沖擊加載條件下動態(tài)力學(xué)行為的研究是許多涉及沖擊加載問題的工程設(shè)計的基礎(chǔ)，此外，由于數(shù)值模擬在爆炸、碰撞等工程問題的研究中扮演者越來越重要的角色，所以確定材料在高應(yīng)變率和大應(yīng)變等極端條件下的力學(xué)行為，對于這些材料在如此環(huán)境下的應(yīng)用有著重要的意義。 自1949 年，Kolsky發(fā)明分離式霍普金森壓桿（SHPB）以來，它已被普遍認(rèn)為是測試多種材料，例如金屬、陶瓷、巖石、混凝土、復(fù)合材料、聚合物和泡沫材料等，在高應(yīng)變率下力學(xué)響應(yīng)的一種行之有效的實

2、驗手段。 SHPB 實驗技術(shù)是建立在兩個基本假定的基礎(chǔ)上的，即：(1) 桿中一維應(yīng)力波假定；(2) 試件內(nèi)部應(yīng)變/應(yīng)力均勻假定；在上述兩個基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，試件的平均應(yīng)力 ，應(yīng)變率 和應(yīng)變 可由下式得到：( )st( )st0( )2sIRTSAtASTRISSLVVVLVVt21)(tTRIStSSdtVVVLdttt00)(1)()( )St (1) (2) (3)通過其一維彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及彈性波理論別得到:RIRICVVV01TTCVV02 (4) (5)TRISSAEAt2)(0TRISSLCt0)(tTRISSdtLCt00)(0( )( )2sTsEAttA (6) (7) (8

3、)公式6-8即為SHPB實驗數(shù)據(jù)處理中的三波法在利用試件內(nèi)部應(yīng)力均勻性假設(shè)：( )( )( )IRTttt002( )( )tSRsCtt dtl 02( )( )SRsCttl 公式9-11即為常用的二波法 (9) (10) (11) 經(jīng)典的SHPB實驗技術(shù)可以有效測量材料高應(yīng)變率下的動態(tài)力學(xué)行為，但由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步, 當(dāng)前工程材料的工作環(huán)境不僅僅涉及涉高應(yīng)變率、大變形等極端條件, 同時還涉及高溫、高升溫率等條件，例如航空航天材料、核反應(yīng)堆材料、彈靶材料等, 因此, 高溫下材料的動態(tài)力學(xué)性能稱為人們非常關(guān)心的一個問題。而經(jīng)典的SHPB實驗技術(shù)無法滿足測量要求。進(jìn)行改進(jìn)最早在六十年代J. L

4、. Chiddister 1 、U . S. Lindholm 2 等就將分離式SHPB 裝置應(yīng)用于高溫動態(tài)力學(xué)性能的測量。國內(nèi)學(xué)者王春奎、夏開文、李玉龍、張方舉等也做了大量的工作。 Chiddister1Compression-impact testing of aluminum at elevated 1963 Lindholm2High strain rate testing：Tension and compression 1967 王春奎 LY-12鋁高溫屈服強(qiáng)度的測量 1991 夏開文30CrMnSiA鋼高溫動態(tài)力學(xué)性質(zhì)的實驗研究 1998SHPB裝置應(yīng)用于測量高溫動態(tài)力學(xué)性能的研究

5、 1998 李玉龍高溫SHPB實驗技術(shù)及其應(yīng)用 2005 張方舉SHPB系統(tǒng)高溫實驗自動組裝技術(shù) 2005一種改進(jìn)的金屬材料的高溫動態(tài)拉伸實驗技術(shù) 2011總體來說利用SHB測量材料高溫下的動態(tài)力學(xué)性能主要面臨兩方面的問題：一方面是實驗裝置設(shè)計上的困難；另一方面是實驗數(shù)據(jù)處理上也有一定的難度；利用SHB進(jìn)行的高溫實驗時，一般是用高溫爐對試件進(jìn)行加熱，而為了使試件溫度均勻，輸入桿及輸出桿都有一部分處在加熱爐中。輸入、輸出桿中形成一個溫度梯度場桿的彈性模量發(fā)生變化當(dāng)信號傳播經(jīng)過溫度場時，幅值會發(fā)生變化，從而對測量產(chǎn)生影響消除溫度影響的方法主要分為兩類利用特殊設(shè)計的實驗裝置，降低進(jìn)而忽略溫度梯度的影

6、響 處理實驗數(shù)據(jù)時設(shè)法消除溫度梯度場的影響1、先只對試件加熱，采用能夠迅速運動的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實驗前快速將試件安裝在系統(tǒng)中，其難點是系統(tǒng)的準(zhǔn)靜態(tài)對接與同步-3-4-7國外學(xué)者lennon and ramesh3采用能夠迅速運功的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能在壓力脈沖到達(dá)前的幾分之一秒內(nèi)，驅(qū)動冷桿與試件接觸，并用有限元方法模擬證明了如果接觸時間非常短，試樣中溫度變化不大，在數(shù)據(jù)處理中是可以忽略試樣的溫度變化。國內(nèi)學(xué)者張方舉、謝若澤4發(fā)明一套自動組裝裝置, 實驗前對試件加熱并自動保溫, 波導(dǎo)桿則置于加熱爐外, 實驗時進(jìn)行瞬態(tài)組裝, 由此避免了導(dǎo)桿溫度梯度對波形的影響。自動組裝裝置的裝配同步性可控制在100ms以內(nèi),

7、且具有良好的重復(fù)性；經(jīng)分析冷接觸時間若在400ms以內(nèi), 試件溫度不均勻可控制在10%以內(nèi)。2、試件和波導(dǎo)桿之間加裝彈性隔熱保護(hù)塊，使波導(dǎo)桿處于室溫狀態(tài)，其關(guān)鍵是保護(hù)塊的選取。Lankford5曾經(jīng)利用氧化鋁陶瓷作隔熱桿，得到了氧化鋁陶瓷在1500高溫下的動態(tài)力學(xué)性能，然而對溫度梯度的影響并未考慮。國內(nèi)學(xué)者肖大武6作建立了一套組合式隔熱陶瓷短桿高溫SHPB實驗系統(tǒng)。在壓桿和試件之間添加耐高溫、高強(qiáng)度的鋁陶瓷短桿，實驗時將其和試樣同時加熱，既可保證試件溫度場恒定，同時又可避開壓桿溫度場對應(yīng)力波傳播的影響。傳統(tǒng)接觸式高溫實驗方案，波導(dǎo)桿桿一部分被加熱達(dá)到桿的淬火溫度降低桿的強(qiáng)度，改變的彈性力學(xué)性能

8、，影響使用壽命實驗溫度不能太高不能用于測量高溫下強(qiáng)度仍然較高的材料在桿和試樣間添了耐高溫的A95陶瓷塊可以保證波導(dǎo)桿上的溫度場對其彈性性能的影響可以忽略A95陶瓷在1 000溫度下，屈服強(qiáng)度約2 Gpa7但是該文獻(xiàn)并未對陶瓷桿中溫度梯度場對波形帶來的影響進(jìn)行修正，仍采用常規(guī)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。3、采用熱不敏感材料制作波導(dǎo)桿，如采用馬氏體時效鋼或Inconel（鉻鎳鐵合金）合金鋼進(jìn)行600以下高溫實驗，由于這兩種材料在此溫度下的彈性性能和波阻抗變化很小，因而可以忽略溫度梯度場所帶來的影響。4、將桿做成退拔形，以保持沿桿長度方向桿的機(jī)械波阻抗不變(Eleiche and Dufry,19759)，這

9、種方法的缺點是一種桿的形狀只適合做一種溫度Gilat 8通過研究發(fā)現(xiàn)，高溫實驗時桿端與應(yīng)變測點之間的溫度梯度將對測量精度產(chǎn)生不可忽略的影響。所以為了為了消除這種影響，在實驗中采用對熱不敏感的材料制作波導(dǎo)桿。一些學(xué)者認(rèn)為在溫度不超過攝氏300度時，溫度對桿力學(xué)性能的影響(也就是對所測信號的影響)可以忽略不計10,11，但是當(dāng)溫度高于300度時必須考慮溫度的影響。文獻(xiàn)2中用一個統(tǒng)一的修正公式處理入射波與透射波：測試波導(dǎo)桿中的溫度分布波導(dǎo)桿模量隨溫度變化的規(guī)律3041atC 其中a1、 a2 為常數(shù)， 代表應(yīng)變片測到的常溫下的波形， 代表溫度為T 的試件處的實際波形34201()/aCa TTa0t

10、處理實驗數(shù)據(jù)時設(shè)法消除溫度梯度場的影響J. L. Chiddister 1 把分離式SHPB 裝置應(yīng)用于高溫動態(tài)力學(xué)性能的測量，將桿上的連續(xù)溫度分布簡化成五個臺階,用彈性波的透射、反射理論處理測量值從而得到真實值。1998年，夏開文等人12,13在30CrMnSiA鋼的高溫動態(tài)力學(xué)性能研究中，首先利用一維應(yīng)力波傳播理論和傳熱學(xué)原理, 修正了溫度梯度場對波形測量的影響。0()mxTTTTe由傳熱學(xué)原理可知, 置于空氣中一端有一恒溫大熱源的半無限長的圓桿, 其溫度分布可表達(dá)為140TT其中m2=hp/kA，x為離熱源的距離， 為熱源溫度， 無窮遠(yuǎn)處溫度（即為室溫），h空氣熱交換系數(shù)，p為桿截面周長

11、，k為桿的熱導(dǎo)率，A 為桿的橫截面積。（1）利用公式算的攝氏600度時的溫度分布在文獻(xiàn)1 中, J. L. Chiddister 對溫度分布作了測量, 結(jié)果與公式符合的還是比較好由實驗下獲得的不同溫度下的彈性模量19擬合出模量隨溫度線性變化的曲線擬合出一個桿模量隨溫度變化的經(jīng)驗公式:3213210( )1.0/(/)E TcTcTcTc（2）由公式（1）、（2）我們可以得到不同實驗溫度下彈性模量隨距離x的變化規(guī)律E(x)桿中一維應(yīng)力波傳播控制方程組vxt0( )vE TtXvxt0()vE XtX11122111111220()()()nnnnjjjjnnnnjjjjtvvxtvvEEx對方程

12、組有限差分，采用半隱格式該差分方程組描述了波在具有溫度梯度的波導(dǎo)桿MN中的傳播，可以由應(yīng)變片處測得的應(yīng)變信號計算出MN中其它各點的應(yīng)變信號。入射波經(jīng)過溫度梯度場, 其形狀基本不變, 彈性段差別不大，流動段幅度有10%左右的變化尚兵15運用同樣的方法根據(jù)桿上測量的應(yīng)變信號，計算出當(dāng)波傳到桿上其它任意點處的應(yīng)變信號。典型的處理結(jié)果，縱坐標(biāo)為數(shù)字電壓信號在波形上的不同位置, 幅度變化并不一致，所以文獻(xiàn)2處理方法并不準(zhǔn)確波由低溫運動到高溫時桿的應(yīng)變幅值增大 此外，數(shù)值模擬也經(jīng)常被用來研究SHB實驗，但一般只是涉及常溫下的動態(tài)試驗，同時考慮高溫環(huán)境下溫度梯度的文獻(xiàn)還很少見。 1、利用SHB進(jìn)行高溫實驗時

13、，我們首先應(yīng)該明白的是我們到底是要研究材料在什么微觀狀態(tài)下的力學(xué)性能。材料在高溫下保溫一段時間，其微觀結(jié)構(gòu)要發(fā)生變化，而迅速加熱，立即實驗，材料的微觀結(jié)構(gòu)還來不及變化，保持其出廠時的微觀狀態(tài)。上述兩種不同的研究目標(biāo)，決定了不同的加熱手段，不同的實驗方法。如果保持出廠微觀狀態(tài)，最好的加熱手段就是輻射快速加熱16。2、當(dāng)高溫實驗的溫度高于1000攝氏度時，如果是壓縮實驗，當(dāng)前可行的方法一種是采用自動組裝裝置，另一種就是試件和波導(dǎo)桿之間加裝彈性隔熱保護(hù)塊（如陶瓷塊）；而對于拉伸實驗，由于加熱前試件必須與桿相聯(lián)接，所以目前還沒有行之有效的方法。3、波從高溫區(qū)傳到低溫區(qū)后，測量到的應(yīng)變幅值會減小，也就是

14、高溫區(qū)的真實應(yīng)變值大于應(yīng)變片處測量到的應(yīng)變值，而在經(jīng)過修正以后，試件高溫下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中，屈服應(yīng)力又是比不修正時小的17 。原因在溫度場中，應(yīng)變幅值的變化率與桿彈性模量的變化率不一致所致。 在600攝氏度下，由17可知修正后的高溫區(qū)的應(yīng)變比測量值大了約8%，有18可知，高溫區(qū)的桿的彈性模量比常溫下降低了約15%，彈性模量的降低明顯大于應(yīng)變值的增加，也就可以理解為什么修正后的屈服應(yīng)力要減小。4、進(jìn)行高溫動態(tài)實驗時，不僅僅是測量到的應(yīng)變信號需要修正，二波法、三波法公式中涉及的彈性模量、波速也不再是常溫下的值，而是桿在高溫下對應(yīng)的彈性模量與波速參考文獻(xiàn)：1Chiddister，JLand Mal

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