學術干貨丨金屬材料動態力學性能及測試技術
【前言】
金屬材料力學性能的研究涉及了很多因素，不僅與材料性質有關，而且與外部加載條件如加載速率、溫度、加載的大小、方向有關，甚至和材料的幾何結構有關，其中加載應變率、加載應力狀態是兩個重要的影響因素[1]。不同應變率加載條件下材料表現出不同的響應特點，在高應變率動載作用下，材料在高應變率載荷下的動態力學行為與準靜態有很大不同，材料的流變形為同時受應變硬化、應變率硬化及熱軟化共同作用。
材料在高應變率下的動態力學性能對于研究爆炸、高速碰撞、動態斷裂、彈塑性應力波傳播等動力學響應過程具有重要意義，是結構設計的基礎，也是開展數值模擬研究的基礎[2]。
【主要載荷形式】
金屬材料動態力學性能涉及的主要載荷主要有兩種：沖擊載荷及爆炸載荷。下面對這兩種載荷形式進行簡要介紹。
（1）沖擊
沖擊是以很大的速度將載荷作用到物體上的一種加載方式。在這種載荷作用下，作用力在極短的時間內有很大的變化幅度。生產有時要利用沖擊載荷來實現靜載荷難以達到的效果，如鑿巖機、沖床、鍛錘及鉚釘槍等都是利用沖擊載荷進行工作的。沖擊載荷和靜載荷的主要區別在于他們的加載速度不同。加載速度指的是單位時間內、單位面積上載荷增加的數值，其量綱是MPa/s。由于加載速度的增加，變形速度也就隨之增加。變形速度指的是單位時間的形變量，有兩種表示方法：（1）變形速度（2）應變速率。由于載荷的沖擊性，使得材料的塑性變形機制、斷裂機制和抗力有明顯變化。
生產實踐和研究結果表明，當應變速率處于10-4-10-2/s范圍內，金屬的力學行為沒有明顯的變化，可按靜載處理；當應變速率處于102-106/s時，金屬力學行為將發生顯著變化，因此必須考慮由于變形速度增大而給材料力學行為帶來的一系列變化[3]。圖1給出了沖擊試驗示意圖。
圖1 沖擊實驗示意圖
（2）爆炸
爆炸是一種偶遇荷載，峰值壓強大，作用時間短，給結構構件帶來很大的動力沖擊，使材料產生應變率效應的同時，也使構件產生不可忽略的慣性，因此需要進行瞬態動力分析，并在分析中采用應變率相關的材料模型。
爆炸荷載是非常不穩定的荷載，在千分之幾毫秒內就會產生巨大的變化，但通常可以簡化成三角形或雙峰值加載模型。文獻[4]研究認為爆炸發生在室內時，會在地面附近形成一熱空氣層，沖擊波在熱層中的傳播速度要比在未加熱的空氣中快，因而產生前驅附加沖擊波，在主激波前傳播，這種前驅效應通常使峰值壓力降低、升壓時間增加以及動壓增加。前驅效應不僅影響波的參數，而且改變了波形，典型的前驅波有兩個壓力峰值，第一個峰值小于第二個峰值；Smith 等人[5]提出了在對氣體有約束泄壓的情況下發生爆炸時爆炸波的峰值特征標準時程曲線；Bruce[6]給出了爆炸超壓模擬的幾種新方法，通過合理的不確定性評估得到設計壓力的還原值，并討論了與概率方法相關界限，并給出了證明這些界限的方法；天津大學的徐慧和楊靖海[7]采用日本學者惠美洋彥提出的等效 TNT 方法，估算了可燃氣體泄漏引發爆炸產生的最大壓力，研究爆炸載荷作用下構件的變形和破損的定量評估；大連理工大學的丁信偉和楊國剛實驗研究了內置半球柵條形障礙物半徑、柵條寬度與空隙寬度 3 個參數對可燃氣云爆炸場的影響，實驗結果表明，該類型障礙物對可燃氣云爆炸威力有較大的增強作用,最大超壓可達無障礙物時的 10 倍以上。上述各研究表明，爆炸荷載會隨著爆炸物類型、爆炸場地、泄壓條件、有無障礙物等因素而改變。圖2展示了爆炸載荷示意圖。
圖2?? 爆炸載荷示意圖
【主要測試方法及技術】
測量高應變率下材料的力學性能參數，如今主要常用的是 Hopkinson 桿實驗技術；若進行更高應變率的研究，可采用一級或多級輕氣炮撞擊，炸藥爆炸加載等方法，并結合 VISAR 和錳銅壓阻技術進行實驗研究[8]。下面對主要測試方法及技術進行簡要介紹。
（1）霍普金森壓桿實驗技術
Hopkinson 壓桿技術是由霍普金森在 1914 年提出的，克萊斯蓋（Kolsky）在 1948年對這一技術進行了改進，將壓桿分為兩截，試件夾在兩桿之間，這使 Hopkinson 壓桿技術得到了成功發展，使其推廣到用以研究材料在高應變率下力學性能及動態本構關系的領域[9]。 SHPB 實驗裝置是能夠測量材料在?102~104/s 應變率范圍內的力學性能。Hopkinson壓桿實驗技術不斷發展，出現了帶有同步組裝系統的高溫 Hopkinson 壓桿技術以及微型SHPB 技術。
在 SHPB 實驗過程中，將短試件放在兩根壓桿之間，通過氣室加載推動撞擊桿使之以一定的速度撞擊入射桿，產生沖擊脈沖對試件進行加載。同時利用分別粘貼在入射桿和透射桿上并距桿端一定距離的應變片來記錄脈沖信號。SHPB 實驗裝置實物如圖3。實驗裝置示意圖如圖 4所示。
圖 4 Hopkinson 壓桿實驗裝置示意圖
根據一維應力波理論[10]，當子彈以一定速度撞向入射桿時，在其中形成一列入射應力波向試樣方向傳播，入射脈沖的長度是子彈長度的2倍，脈沖幅值與撞擊速度成正比，入射波到達試樣與入射桿的接觸面后，一部分被反射，反射波沿入射桿以拉伸波的形式返回，另一部分波通過試樣透射進透射桿，由于加載脈沖的作用時間比試樣中波的傳播時間要長的多，所以這里忽略試樣內部波的傳播效應。吸收桿在透射桿的后方，其端部與大質量的鉛塊接觸，吸收透射桿傳來的無用動量。在入射桿和透射桿到試樣距離相等處沿壓桿徑向安裝應變傳感器，它把應力波在桿中產生的應變轉化成電壓信號，通過示波器記錄下來，根據一維彈性波傳播理論則可以計算出試樣的應力和應變。根據得到的數據就可以繪制出應力應變曲線，這便是研究金屬材料動態力學性能所需要的。圖5展示了G50鋼準靜態壓縮及動態壓縮實驗應力-應變曲線[11]。
圖5 G50鋼動態壓縮實驗應力-應變曲線
（2）爆炸測試
常用的爆炸壓力測試方法大致分為以下幾種：機械法、應變法、壓電法和壓阻法。
機械式：機械式壓力傳感器曾經在早期的試驗中廣泛使用。由于機械慣性的存在，使它們不能響應快速變化的壓力，因而研制了其它形式的壓力傳感器。但機械式依然有：結構簡單、使用方便、可靠、抗振性能好、抗電磁干擾能力強等優點。因此，在大藥量的試驗中， 依然是測量空氣沖擊波壓力的主要手段之一。這種傳感器的最大缺點就是只能測量靜態的峰值壓力。在瞬態的壓力測量中，嚴重的依賴脈沖寬度和流場的作用方向，只適用于大藥量的爆炸測量。
應變式：因為力學學科的發展，應變測量技術發展比較成熟。早期的動態壓力測量就應用了應變測量技術，發展了各種形式的應變式壓力傳感器。應變式壓力傳感器的形式較多。但它們的基本思想都是將壓力轉變為彈性元件的變形，通過測量該變形值來得出外加的壓力。總的來說，這類壓力傳感器的響應頻率較低，適用于大藥量爆炸壓力或較遠距離的沖擊波壓力測量。
壓電法：在外界壓力作用下產生電荷效應，并使負載元件獲得有用的電壓或電流信號，這種效應統稱為壓電效應。利用這種效應制成的傳感器稱為壓電傳感器， 具有靈敏度適中、響應速度快、線性范圍寬、過載能力強、體積小、重量輕、使用壽命長等優點。
壓阻式：壓阻式壓力傳感器是利用半導體材料的壓阻效應制成的。它的特點是靈敏度高、線性遲滯誤差小、響應快、工作頻帶寬、體積小、質量輕，對被測流場的干擾小，抗沖擊性能也好。但用半導體壓阻壓力傳感器測量沖擊波壓力時，傳感器的輸出具有100%的過沖， 必須采用低通濾波器濾波。因而壓力測試系統的上限頻率不高，限制了它在沖擊波壓力測試中的應用。
因為爆炸過程時間極短，通常100kHz以上的采樣頻率才滿足信號的測試要求。故傳感器的響應頻率應為被測信號頻率的5-10倍，工作頻率應為被測信號的1.2-1.5倍。適用于爆炸過程的低壓動態測量傳感器有兩種：一種是壓電式，一種是壓阻式。
圖6為一種壓阻法測試系統線路圖。系統的整體結構應該是傳感器和二次儀表及采集裝置分開，二者采用專用電纜線相連， 以保證信號質量，同時信號線深埋于地下不影響自由場的分布。
圖6 一種壓阻式測試系統線路圖
【參考文獻】
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[9] 姜錫權,? 胡時勝.? 霍普金森桿實驗技術發展綜述[C].Hopkinson? 桿實驗技術研討會會議論文集. 2007: 147-158.
[10] 郭偉國,李玉龍,索濤. 應力波基礎簡明教程[M]. 西安：西北工業大學出版社，2007.
[11] 田杰，胡時勝. G50 鋼動態力學性能的實驗研究[J].工程力學,2006,23(6):108.
本文由材料人編輯部學術干貨組劉冠旗供稿，材料牛編輯整理。
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