一种用于脆性材料的单轴双向动态拉伸实验方法技术

一种用于脆性材料的单轴双向动态拉伸实验方法，利用电磁能量转换技术所产生的应力脉冲波；通过放电开关的闭合产生脉冲，在该放电开关的触发闭合与应力波的产生之间几乎没有时间延迟，因此脉冲的产生的精确时间很容易通过电路来控制。这一优点使得对称加载的同步性得到很好的保证，克服了现有技术中在脆性材料拉伸实验中双向对称加载过程中的加载力同步性的问题，使脆性试样在双向动态拉伸实验过程中能够在短时间内到达应力平衡，实现恒应变率加载变形。

【技术实现步骤摘要】
一种用于脆性材料的单轴双向动态拉伸实验方法
本专利技术涉及材料动力学领域，具体是一种用于脆性材料单轴双向动态拉伸力学性能测试的基于电磁力加载的分离式霍普金森杆实验方法。
技术介绍
与延性金属材料相比，许多脆性材料具备密度低、压缩强度高、硬度高、熔点高和化学性能稳定等特性，是一类非常有发展前途的工程材料，广泛用于军事国防和建筑生产领域。确定脆性材料动态拉伸强度一直是材料动态力学领域中的重要课题。对于脆性材料来说，强度的测试一直是个难题。即使是在准静态加载条件下，一端固定，另一端加载的传统拉伸试验，操作起来也非常困难和复杂。试件加工过程所产生的误差以及装配时所产生的偏差，加载过程中的应力集中所造成的破坏模式不同都会对实验结果产生较大的影响。目前，测量脆性材料动态强度最常用的方法便是分离式霍普金森杆实验技术。这种技术的原理便是将待测试样置于两根波导杆之间，通过外力加速质量块撞击入射波导杆产生应力脉冲对试样加载，通过粘贴在两波导杆并距杆端有一定距离的应变片采集波导杆上的应变信息，利用移波法计算试样动态加载过程中的应力应变信息。自20世纪60年代Harding等利用霍普金森杆技术进行材料的动态拉伸性能测试以来，经过长期的发展，目前基于霍普金森杆实现动态拉伸加载的实验技术可以分为两类：一类是直接对试样进行拉伸加载，包括直接拉伸、反射式拉伸和层裂实验等；另一类是改变试样构形，将施加在试样上的压缩加载转换为对试样中某一部位的拉伸加载，如帽形试样、圆盘试样和三点弯试样等。脆性材料的直接拉伸实验，存在试样加工困难以及破坏形式不稳定等特点。本专利技术便主要是利用基于电磁式加载装置的脆性材料动态单、双向圆盘劈裂拉伸实验方法。由于传统霍普金森杆实验技术采用直接加载，加载波近似为方波，上升前沿约为10～20μs，并且波头上叠加了由直接碰撞引起的高频分量，对于金属这类高阻抗材料来说，弹性波速一般在5000m/s左右，即使试样厚度超过10mm，也能在加载波的上升时间内达到应力平衡。而对于低阻抗的脆性材料来说，由于其波速低，破坏应变小，破坏时间短，所以完全采用传统的霍普金森杆实验技术不能获得准确可信的实验数据。对于脆性材料在加载过程中难以到达应力平衡和均匀变形的问题，目前主要有两种解决方法，一类是从实验技术上加以改进；另一类是在数据处理上采取一定的措施，修正实验数据偏差。但是两种方法均在操作实施上存在极大的困难。近几年来，申请人开展了一系列基于电磁加载霍普金森杆的实验设备和方法的研究。电磁感应式霍普金森拉压杆加载装置的研制，是通过电磁斥力产生从而直接产生应力波。另外，由于电磁感应产生的应力波脉冲宽度可以通过电路参数调节，脉冲宽度可达毫秒量级，因此可以实现一些传统霍普金森杆无法实现的低应变率加载(例如100s-1以下)。在申请号为201420098605.4和201410161610.X的中国专利中，分别提出了将电磁铆接装置直接应用在霍普金森压杆装置中的设备方案和实验方法，但是此方法中所获得的波形具有局限性。在申请号分别为201410173843.1和201410171963.8的两个中国专利技术创造中，分别提出了两种既可以用于霍普金森拉杆又可以用于霍普金森压杆的实验设备和实验方法，但是这两种方案结构较为复杂，且传统的波形整形技术无法应用于拉伸情况。在专利号为201510051071.9的专利技术创造中，提出了一种电磁式应力波发生器的主线圈结构和使用方法，以提高电磁式应力波发生器所产生的幅值和脉冲宽度的变化范围。但是在此方法中由应力波发生器所产生的应力波无法直接在拉伸实验中使用，传统波形整形技术也无法应用于该实验设备中。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的双向对称加载过程中难以到达应力平衡和均匀变形的不足，本专利技术提出了一种用于脆性材料的单轴双向动态拉伸实验方法。本专利技术的具体过程是：步骤1排布器材、装夹试样；所述排布器材是将基于电磁力加载的分离式霍普金森杆实验装置中的电磁加载枪组装完成，使电磁加载枪的主线圈、次级线圈、第一入射杆和第二入射杆同轴。在所述第一入射杆长度1/2处和第二入射杆入射杆长度1/2处的外圆周表面分别粘贴有电阻应变片。分别将所述第一入射杆上的电阻应变片和第二入射杆上的电阻应变片以惠斯通电桥连接方式接入数据采集系统中。所述第一入射杆与第二入射杆的杨氏模量均为123GPa，弹性波速均为5189m/s；该第一入射杆与第二入射杆的直径均为25mm，长度均为3000mm；所述电阻应变片额定电压为30V，阻值为1000Ω，灵敏度系数为1.92。在装夹试样时，将所述试样置于两个垫块之间，并使该试样的两个表面分别与其中一个垫块的一个表面贴合；各所述垫块的另一个表面分别与所述第一入射的端面杆或第二入射杆的端面贴合。所述试样为玻璃试样，该玻璃试样的直径为9mm，厚度为5mm。所述垫块是在6063铝制成的铝环的心镶嵌碳化钨合金制成；所述铝环的外径为25.1mm，内径为8.35mm，厚度为5mm。所述碳化钨合金的直径为8.35mm，厚度为5mm。步骤2，实验电压以及电容的确定：设定控制台电容充电器充电电压X为1500V；所述充电电压在电容充电器的额定电压以内；通过并联或串联多个电容器以调整基于电磁力加载的分离式霍普金森杆实验装置所需的电容值；步骤3、电容充电器组充电启动基于电磁力加载的分离式霍普金森杆实验装置的充电按钮；电容器组电压至设定的1500V。步骤4、电容充电器组放电加载启动基于电磁力加载的分离式霍普金森杆实验装置的放电按钮，实验装置闭合控制开关完成对电磁加载枪的放电。由于两个电磁加载枪的额定工作电压、额定功率完全相同，该放电电流会平均分配给两个并联在电路中的加载枪。当电容器的电压降至0V时，放电完成。步骤5、实验数据的采集和处理：所述充电和放电过程完成后在第一入射杆中和第二入射杆中分别产生一个半正弦形入射波；两个所述的入射波分别沿着所在的入射杆轴向向试样传播共同组成了双向加载入射波。当两个所述入射波到达所在入射杆与试样的接触面时，第一入射杆中的入射波中的一部分反射回该第一入射杆，另一部分透射穿过试样进入第二入射杆中形成了透射波；同样，第二入射杆中的入射波中的一部分反射回该第二入射杆，另一部分透射穿过试样进入第一入射杆中形成了透射波。第一入射杆中入射波的反射波和第二入射杆中入射波的透射波将会叠加在一起形成第一入射杆中的叠加波；同样，第二入射杆中入射波的反射波和第一入射杆中入射波的透射波将会叠加在一起形成第二入射杆中的叠加波，第一入射杆中的叠加波与第二入射杆中的叠加波共同组成了双向加载叠加波。将经由数据采集器得到的电压信号通过公式(2)转化为入射杆上的应变信息式中，ε为应变信号，K值是所选用的应变片的灵敏度系数，U0为惠斯通电桥电压，ΔU为相应采集通道的随着时间变化输出的电压值。将第一入射杆中的入射波电压信号代入式(2)得到第一入射杆上的入射应变εi1，将第二入射杆中的入射波电压信号代入式(2)得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于脆性材料的单轴双向动态拉伸实验方法，其特征在于，具体过程是：/n步骤1排布器材、装夹试样；/n步骤2，实验电压以及电容的确定：/n设定控制台电容充电器充电电压X为1500V；所述充电电压在电容充电器的额定电压以内；通过并联或串联多个电容器以调整基于电磁力加载的分离式霍普金森杆实验装置所需的电容值；/n步骤3、电容充电器组充电：/n启动基于电磁力加载的分离式霍普金森杆实验装置的充电按钮；电容器组电压至设定的1500V；/n步骤4、电容充电器组放电加载：/n启动基于电磁力加载的分离式霍普金森杆实验装置的放电按钮，实验装置闭合控制开关完成对电磁加载枪的放电；由于两个电磁加载枪的额定工作电压、额定功率完全相同，该放电电流会平均分配给两个并联在电路中的加载枪；当电容器的电压降至0V时，放电完成；/n步骤5、实验数据的采集和处理：/n所述充电和放电过程完成后在第一入射杆中和第二入射杆中分别产生一个半正弦形入射波；两个所述的入射波分别沿着所在的入射杆轴向向试样传播共同组成了双向加载入射波；当两个所述入射波到达所在入射杆与试样的接触面时，第一入射杆中的入射波中的一部分反射回该第一入射杆，另一部分透射穿过试样进入第二入射杆中形成了透射波；同样，第二入射杆中的入射波中的一部分反射回该第二入射杆，另一部分透射穿过试样进入第一入射杆中形成了透射波；第一入射杆中入射波的反射波和第二入射杆中入射波的透射波将会叠加在一起形成第一入射杆中的叠加波；同样，第二入射杆中入射波的反射波和第一入射杆中入射波的透射波将会叠加在一起形成第二入射杆中的叠加波，第一入射杆中的叠加波与第二入射杆中的叠加波共同组成了双向加载叠加波；/n将经由数据采集器得到的电压信号通过公式(2)转化为入射杆上的应变信息/n...

【技术特征摘要】
1.一种用于脆性材料的单轴双向动态拉伸实验方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1排布器材、装夹试样；
步骤2，实验电压以及电容的确定：
设定控制台电容充电器充电电压X为1500V；所述充电电压在电容充电器的额定电压以内；通过并联或串联多个电容器以调整基于电磁力加载的分离式霍普金森杆实验装置所需的电容值；
步骤3、电容充电器组充电：
启动基于电磁力加载的分离式霍普金森杆实验装置的充电按钮；电容器组电压至设定的1500V；
步骤4、电容充电器组放电加载：
启动基于电磁力加载的分离式霍普金森杆实验装置的放电按钮，实验装置闭合控制开关完成对电磁加载枪的放电；由于两个电磁加载枪的额定工作电压、额定功率完全相同，该放电电流会平均分配给两个并联在电路中的加载枪；当电容器的电压降至0V时，放电完成；
步骤5、实验数据的采集和处理：
所述充电和放电过程完成后在第一入射杆中和第二入射杆中分别产生一个半正弦形入射波；两个所述的入射波分别沿着所在的入射杆轴向向试样传播共同组成了双向加载入射波；当两个所述入射波到达所在入射杆与试样的接触面时，第一入射杆中的入射波中的一部分反射回该第一入射杆，另一部分透射穿过试样进入第二入射杆中形成了透射波；同样，第二入射杆中的入射波中的一部分反射回该第二入射杆，另一部分透射穿过试样进入第一入射杆中形成了透射波；第一入射杆中入射波的反射波和第二入射杆中入射波的透射波将会叠加在一起形成第一入射杆中的叠加波；同样，第二入射杆中入射波的反射波和第一入射杆中入射波的透射波将会叠加在一起形成第二入射杆中的叠加波，第一入射杆中的叠加波与第二入射杆中的叠加波共同组成了双向加载叠加波；
将经由数据采集器得到的电压信号通过公式(2)转化为入射杆上的应变信息



式中，ε为应变信号，K值是所选用的应变片的灵敏度系数，U0为惠斯通电桥电压，ΔU为相应采集通道的随着时间变化输出的电压值；将第一入射杆中的入射波电压信号代入式(2)得到第一入射杆上的入射应变εi1，将第二入射杆中的入射波电压信号代入式(2)得到第二入射杆上的入射应变εi2；将第一入射杆的叠加波电压信号代入式(2)得到第一入射杆上的反射应变εr1，将第二入射杆的叠加波电压信号代入式(2)得到第二入射杆上的反射应变εr2；将所述得到的第一入射杆上的入射应变εi1、第二入射杆上的入射应变εi2，以及第一入射杆上的反射应变εr1和第二入射杆上的反射应变εi2分别代入公式(3)、(4)、(5)中，得到试样在动态双向加...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭亚洲，胡嘉奕，江斌，李玉龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61