可测量材料宽应变率力学性能的实验装置及实验方法制造方法及图纸

一种可测量材料宽应变率力学性能的实验装置及实验方法，通过电机推进实现低应变率加载

【技术实现步骤摘要】
可测量材料宽应变率力学性能的实验装置及实验方法


[0001]本专利技术涉及材料力学测试装置
，具体说明是一种用于材料宽应变率加载下测试力学性能的加载装置和加载方法
。

技术介绍

[0002]在材料力学性能测试中，应变率是影响力学性能的主要因素之一
。
因此想要完整的了解材料的力学性能，需要开展不同应变率下的测试实验
。
[0003]低应变率实验
(10
‑5～
100s
‑1)
，即准静态实验，可以在
GB/T16825.1
规定的电子万能试验机上完成
。
根据
GB/T 228.1
‑
2021
金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法中规定在准静态室温拉伸实验中试样横截面可为圆形
、
矩形
、
多边形
、
环形
。
同时对不同形式的试样尺寸进行了规定
。
在
GB/T 7314
‑
2017
金属材料室温压缩试验方法中规定在准静态室温压缩实验中，试样采用圆柱体
、
正方形柱体
、
矩形板
、
带凸耳板状等形式
。
但是当应变速率高于
10s
‑1时
,
准静态试验使用的力传感器由于波的多次反射将对力值信号造成严重干扰
。
[0004]中应变率实验<br/>(100～
102s
‑1)
通过高速伺服液压试验机完成，如张宇等人于
2020
年在振动与冲击
2020
年第二期
P249
‑
P254
上发表的文章“2024
‑
T42
铝合金低中应变率力学性能及本构关系”中通过电子万能试验机和高速液压伺服材料试验机进行了准静态
、
低中应变率拉伸实验，得到了不同应变率下的应力
‑
应变曲线
。
在实验中，
0.1
～
100s
‑1应变率实验采用标距段
50mm
狗骨状试验件，
500s
‑1采用标距段
20mm
狗骨状试验件
。
在申请号为
CN201810047039.7
专利中，西北工业大学提出一种电磁加载的中应变率拉压杆加载实验方法，能够实现中应变率下单轴拉伸或者单轴压缩加载
。
在使用伺服试验机进行中应变率实验时仍存在一些问题
。
例如，白春玉等人在爆炸与冲击期刊
2015
年第4期
P507
‑
P512
中发表“中应变率下材料动态拉伸关键参数测试方法”一文中提到：在通过高速伺服液压试验机进行中应变率实验过程中，当拉伸速度超过
1m/s
或应变率大于
20s
‑1时，试验机自带的载荷传感器所测得的拉伸载荷在塑性段出现剧烈振荡，将掩盖材料动态拉伸过程的真正力学行为，以至于无法得到屈服极限
、
强度等关键材料参数
。
在申请号为
201810047039.7
专利中，西北工业大学提出了一种中应变率拉压杆加载实验方法，该方法能够实现中应变率，但其使用应力波加载枪主线圈的外径和匝数为普通霍普金森杆加载装置的3～5倍，其装置较为复杂，且成本高，无法实现量产
。
[0005]高应变率实验
(102～
104s
‑1)
通过霍普金森杆装置进行
。
在
GB/T 30069.1
‑
2013
金属材料高应变速率拉伸试验第1部分：弹性杆型系统中规定在高应变率拉伸实验中实验采用两种狗骨状试样，且对试样参考标距段与过渡段长度提出建议
。
在
GB/T34108
‑
2017
金属材料高应变速率室温压缩试验方法中规定在高应变速率压缩实验中采用圆柱体试样
。
在
GB/T32967.1
‑
2016
金属材料高应变率扭转试验第1部分
:
室温试验方法中规定在高应变率扭转实验中采用圆柱形法兰薄壁圆管试样或六边形法兰薄壁圆管试样
。
[0006]根据上述内容可以发现，进行不同应变率实验时，需要使用不同形式试样
。
低应变率与高应变率实验可以采用相同形式试样，但二者国标规定尺寸却不相同
。
通过不同形式
、
不同尺寸的试样得到的实验结果之间往往有一定误差，即尺寸效应，因此不具备可比性
。
[0007]例如，顾阳林等人在材料科学与工程学报
2015
年第5期上发表的：“复杂应力状态下超细晶材料的塑性”一文中通过
w+bLFM20KN
拉伸试验机对平板试样和缺口平板试样对超细晶铜和粗晶铜进行拉伸试验，结果发现在使用平板试样时，两种材料延伸率相差
15
％，而在使用缺口平板试样时两种材料的差异仅为
10
％
。
[0008]同时，使用相同地设备，仍会出现一些问题
。2007
年
11
月，中国爆炸力学实验技术专业组组织了一次常规
SHPB
实验结果对比活动
。
专业组事前选用了同一根棒料分别发给5个单位地专业组成员，要求大家按照各自地
SHPB
规格大小，自行安排试件加工并进行实验测试
。
各单位给出的平均应变率为
1500s
‑1的应力应变曲线，结果不同单位给出的应力应变曲线差异较大，尤其是实验曲线的初始加载部分
。
研究发现，除了试样不同会产生的尺寸效应，不同机器在相同条件下测量得到的数据也可能不一样
。
[0009]这意味着建立一套能够使用同种试样进行宽应变率实验的装置十分重要
。
[0010]在公开号为
CN103994922A
的专利技术创造中
,
提出了一种新的加载枪结构，所述结构既可以产生拉伸波和压缩波
,
又可以使用传统的整形方式对波形进行整形
。
在专利号为
201510051071
的专利技术专利中，提出了一种电磁式实验装置的主线圈结构和使用方法，以提高电磁式实验装置所产生的幅值和脉冲宽度的变化范围
。
这两个专利技术专利仅适用于高应变率加载，无法实现低应变率与中应变率加载
。
本专利技术基于所述专利技术创造，创新性的提出一套实现宽应变率的实验装置及实验方法<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种可测量材料宽应变率力学性能的实验装置，其特征在于，包括电容充电器
(2)、
可编码伺服电动驱动器
(3)、
电动缸
(4)、
同轴器
(6)、
两个应力波加载枪
、
入射杆
(10)、
透射杆
(11)
和滑轨
(14)
；所述两个应力波加载枪分别是第一应力波加载枪
(7)
和第二应力波加载枪
(7)
；两个应力波加载枪分别位于所述滑轨
(14)
的两端；所述透射杆安装在该第一应力波加载枪的内侧，所述入射杆
(10)
按安装在第二应力波加载枪
(16)
的内侧；该透射杆与入射杆相邻的端面之间有试样
(15)
；可编码伺服电动驱动器
、
电动缸
、
减速机自外向内地安置在该滑轨上，并位于所述第一应力波加载枪的外侧，并使该电动缸与该透射杆
(11)
之间有同轴器
(6)
；所述电容充电器
(2)
的第一正极输出线与第一应力波加载枪的正极线相接，同时，所述电容充电器的第二正极输出线与第二应力波加载枪相连；该电容充电器的输入端与电源1的输出端联通；在该电容充电器中串联
90uH
的电感，从而实现中应变率加载
。2.
如权利要求1所述可测量材料宽应变率力学性能的实验装置，其特征在于，所述电容充电器由
10
个额定电压为
5000V、
额定电容为
4mf
电容和1个
90uH
电感组成
。3.
如权利要求1所述可测量材料宽应变率力学性能的实验装置，其特征在于，当进行低应变率单轴压缩实验时，所述透射杆
(10)
的端面与减速机端面同轴贴合；当进行低应变率单轴拉伸实验时，所述透射杆的端面与减速机的端面之间通过同轴器相连；当进行中应变率或者高应变率单轴压缩实验时，所述入射杆的端面无需与法兰
(13)
连接；当进行中应变率或者高应变率单轴拉伸实验时，入射杆端面与法兰连接
。4.
如权利要求1所述可测量材料宽应变率力学性能的实验装置，其特征在于，在进行低应变率实验时，两个应力波加载枪起支撑固定作用，不进行加载；控制系统
(8)
通过信号控制线与伺服电动驱动器
(3)
连接，同时该控制系统通过信号控制线与电容充电器
(2)
连接；通过控制系统设定伺服电动驱动器的加载速度，通过电动缸推动透射杆，从而对试样
(15)
进行加载
。5.
一种使用权利要求1所述实验装置测量材料宽应变率力学性能的方法，其特征在于，包括低应变率的单轴压缩加载实验
、
中应变率的单轴压缩加载实验和高应变率的单轴压缩加载实验；具体过程是：步骤1，排布器材
、
安装试样；步骤2，粘贴应变片；步骤3，设定参数；步骤4，进行加载：当进行低应变率的单轴压缩加载实验时，按下控制系统
(8)
中触摸屏上的放电按钮，使电动缸按步骤3中设定的速度开始推动透射杆
(11)
，完成一次加载，并通过应变片采集所需数据；当进行中应变率的单轴压缩加载实验时，按下控制系统中触摸屏上的放电按钮，第二应力波加载枪
(7)
进行放电，推动入射杆
(10)
，完成一次加载，并通过应变片采集所需数据；当进行高应变率的单轴压缩加载实验时，加载过程与进行中应变率的单轴压缩时相同；步骤
5.
数据处理：当进行低应变率的单轴压缩加载实验时，通过所述应变片采集电压信号，并通过惠斯
通电桥将采集到的电压信号传输至数据采集器
(9)
中并记录存储；所述数据采集器将惠斯通电桥的桥臂电压变化信号
V
记录并存储；其中
V
由透射杆上应变片测得；通过公式
(1)
将该数据采集器记录的桥臂电压变化信号转化为透射杆上的应变信号，公式具体表达式为：其中，
ε
为单轴压缩加载实验时透射杆的应变信号，
U
为单轴压缩加载实验时惠斯通电桥的供电电压，
k
为单轴压缩加载实验时应变片灵敏度系数，
V
是单轴压缩加载实验时数据采集器记录的惠斯通电桥的桥臂电压变化信号；通过公式
(1)
得到单轴压缩加载实验时透射杆应变信号
ε
单轴压缩加载实验时试样有效测试段的应力
σ
S
为：其中，
σ
S
为单轴压缩加载实验时试样有效测试段应力，
E
T
为单轴压缩加载实验时透射杆弹性模量，
A
T
为单轴压缩加载实验时透射杆横截面积，
A
S
为单轴压缩加载实验时试样有效测试段横截面积；采用数字图像相关法技术方法测量所述单轴压缩加载实验时试样的应变
ε
S
；以单轴压缩加载实验时试样的应变
ε
S
为横轴，以单轴压缩加载实验时试样有效测试段的应力
σ
S
为竖轴画图，得到试样的应力
‑
应变曲线，至此完成低应变率的单轴压缩实验；当进行中应变率的单轴压缩加载实验时，其数据处理过程与低应变率的单轴压缩相同；当进行高应变率的单轴压缩加载实验时，其数据处理过程与低应变率的单轴压缩相同
。6.
如权利要求5所述实验装置测量材料宽应变率力...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭亚洲，丁翼，索涛，汤忠斌，李玉龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：