[发明专利]一种用于脆性材料的单向动态拉伸实验方法

权利要求书

1.一种用于脆性材料的单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选定：

设定控制台电容充电器充电电压X为800V，并使该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电容值；

步骤3、电容充电器组充电：

根据设定的充电电压，对电容充电器组进行充电；

步骤4、单向动态加载：

电容器组充电完成后，启动电磁加载实验系统的放电开关，使电磁加载枪的主线圈放电直至电容器电压降至0V；放电电流通过电磁加载枪主线圈并产生电磁斥力；

该电磁斥力作用在次级线圈上，产生加载应力波，并通过入射杆传递至试样，对试样进行持续时间为120us的单向动态加载；

步骤5、实验数据的采集和处理

通过粘贴在所述入射杆上的应变片和透射杆上的应变片，将各电阻应变片所在的入射杆的应变信号或透射杆的应变信号分别转化成电压信号并输出至数据采集器中；

根据桥盒公式(2)和移波法将由数据采集器所得到的入射杆上应变片的电压信号转化为反射应变ε_R，将数据采集器所得到的透射杆上应变片的信号转化为透射应变ε_T

式中，ε为应变信号，K值是所选用的应变片的灵敏度系数，ΔU为相应采集通道的随着时间变化输出的电压值，U₀为惠斯通电桥电压；

根据一维应力波理论，通过公式(3)、(4)和(5)得到单向加载条件下试样的内部应力σ、工程应变ε和工程应变率

式中，σ为待测试样的工程应力；ε为待测试样的工程应变；为工程应变率；E为钛合金波导杆弹性模量，A为钛合金波导杆横截面积，c₀为钛合金波导杆弹性波波速，A₀为待测试样横截面积，l₀为待测试样测试段长度；

根据巴西圆盘劈裂公式得到试样的动态抗拉强度σ_T：

式中，D为待测圆盘试样直径，P为试样所受到的压应力，t为待测圆盘试样厚度；以时间t为横轴，以动态拉应力σ_t为纵轴作图，得到试样在单向动态拉伸条件下的应力-时间曲线；

以时间t为横轴，为纵轴作图，得到试样在单向动态拉伸条件下拉伸应变率-时间图；得到了试样的单向加载拉伸应力以及双向加载拉伸应变率随时间变化的曲线；至此，用于脆性材料的单向动态实验方法结束。

2.如权利要求1所述用于脆性材料的单向动态拉伸实验方法，其特征在于，步骤1中的排布器材是对充放电系统的排布；依次使充放电系统中的次级线圈与主线圈之间的接触面无缝隙贴合，使入射杆与次级线圈在端面处无缝隙贴合；在所述入射杆长度的1/2处的圆周表面和所述透射杆长度的1/2处的圆周表面分别粘贴电阻应变片，并使各电阻应变片上的应变片引线均朝向波导杆与试样接触一端，各电阻应变片的引线均平行于波导杆的轴线，并成直角弯折后与数据采集器的信号输入端连接，使所述应变片引线在与数据采集器连通中呈直线状态；各电阻应变片以惠斯通电桥连接方式接入数据采集系统中。

3.如权利要求2所述用于脆性材料的单向动态拉伸实验方法，其特征在于，所述射杆和透射杆均选取杨氏模量为123GPa，弹性波速为5189m/s的钛合金制成，入射杆直径和长度与透射杆的直径和长度相同。

4.如权利要求2所述用于脆性材料的单向动态拉伸实验方法，其特征在于，所述次级线圈的厚度为10mm；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。

5.如权利要求1所述用于脆性材料的单向动态拉伸实验方法，其特征在于，装夹试样时，在该试样的两个表面分别设置硬质垫块，并使该试样的表面与各所述硬质垫块的表面贴合；将被硬质垫块夹好的试样置于在入射杆与透射杆之间，与两根波导杆端面无缝隙贴合，完成实验准备工作。

6.如权利要求1所述用于脆性材料的单向动态拉伸实验方法，其特征在于，所述硬质垫块由两种密度和弹性波速均不相同的材料构成，将密度高的材料填充在密度较低的圆环形材料中心而成；垫块的厚度为5～6mm，通过公式(1)确定垫块的参数：

ρ_aC_aA＝ρ_bC_bA₁+ρ_cC_cA₂ (1)

式中，ρ_a为入射杆或透射杆的密度；ρ_b为组成垫块的高密度材料所对应的密度；ρ_c为组成垫块的低密度材料所对应的密度；C_a为入射杆或透射杆的应力波波速；C_b为组成垫块的高密度材料所对应的应力波波速；C_c为组成垫块的低密度材料所对应的应力波波波速；

A为入射杆或透射杆的横截面积，A＝A₁+A₂；其中A₁为组成垫块的高密度材料所对应的横截面积，A₂为组成垫块的低密度材料所对应的横截面积；

所述垫块中低密度材料为6063铝环，高密度材料为纯钨。