[发明专利]一种用于脆性材料的单轴双向动态拉伸实验方法

说明书

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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。本发明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的两个中国发明创造中，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的发明创造中，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。

发明内容