学术干货丨金属材料动态力学性能及测试技术
【前言】
金属材料力学性能的研究涉及了很多因素，不仅与材料性质有关，而且与外部加载条件如加载速率、温度、加载的大小、方向有关，甚至和材料的几何结构有关，其中加载应变率、加载应力状态是两个重要的影响因素[1]。不同应变率加载条件下材料表现出不同的响应特点，在高应变率动载作用下，材料在高应变率载荷下的动态力学行为与准静态有很大不同，材料的流变形为同时受应变硬化、应变率硬化及热软化共同作用。
材料在高应变率下的动态力学性能对于研究爆炸、高速碰撞、动态断裂、弹塑性应力波传播等动力学响应过程具有重要意义，是结构设计的基础，也是开展数值模拟研究的基础[2]。
【主要载荷形式】
金属材料动态力学性能涉及的主要载荷主要有两种：冲击载荷及爆炸载荷。下面对这两种载荷形式进行简要介绍。
（1）冲击
冲击是以很大的速度将载荷作用到物体上的一种加载方式。在这种载荷作用下，作用力在极短的时间内有很大的变化幅度。生产有时要利用冲击载荷来实现静载荷难以达到的效果，如凿岩机、冲床、锻锤及铆钉枪等都是利用冲击载荷进行工作的。冲击载荷和静载荷的主要区别在于他们的加载速度不同。加载速度指的是单位时间内、单位面积上载荷增加的数值，其量纲是MPa/s。由于加载速度的增加，变形速度也就随之增加。变形速度指的是单位时间的形变量，有两种表示方法：（1）变形速度（2）应变速率。由于载荷的冲击性，使得材料的塑性变形机制、断裂机制和抗力有明显变化。
生产实践和研究结果表明，当应变速率处于10-4-10-2/s范围内，金属的力学行为没有明显的变化，可按静载处理；当应变速率处于102-106/s时，金属力学行为将发生显著变化，因此必须考虑由于变形速度增大而给材料力学行为带来的一系列变化[3]。图1给出了冲击试验示意图。
图1 冲击实验示意图
（2）爆炸
爆炸是一种偶遇荷载，峰值压强大，作用时间短，给结构构件带来很大的动力冲击，使材料产生应变率效应的同时，也使构件产生不可忽略的惯性，因此需要进行瞬态动力分析，并在分析中采用应变率相关的材料模型。
爆炸荷载是非常不稳定的荷载，在千分之几毫秒内就会产生巨大的变化，但通常可以简化成三角形或双峰值加载模型。文献[4]研究认为爆炸发生在室内时，会在地面附近形成一热空气层，冲击波在热层中的传播速度要比在未加热的空气中快，因而产生前驱附加冲击波，在主激波前传播，这种前驱效应通常使峰值压力降低、升压时间增加以及动压增加。前驱效应不仅影响波的参数，而且改变了波形，典型的前驱波有两个压力峰值，第一个峰值小于第二个峰值；Smith 等人[5]提出了在对气体有约束泄压的情况下发生爆炸时爆炸波的峰值特征标准时程曲线；Bruce[6]给出了爆炸超压模拟的几种新方法，通过合理的不确定性评估得到设计压力的还原值，并讨论了与概率方法相关界限，并给出了证明这些界限的方法；天津大学的徐慧和杨靖海[7]采用日本学者惠美洋彦提出的等效 TNT 方法，估算了可燃气体泄漏引发爆炸产生的最大压力，研究爆炸载荷作用下构件的变形和破损的定量评估；大连理工大学的丁信伟和杨国刚实验研究了内置半球栅条形障碍物半径、栅条宽度与空隙宽度 3 个参数对可燃气云爆炸场的影响，实验结果表明，该类型障碍物对可燃气云爆炸威力有较大的增强作用,最大超压可达无障碍物时的 10 倍以上。上述各研究表明，爆炸荷载会随着爆炸物类型、爆炸场地、泄压条件、有无障碍物等因素而改变。图2展示了爆炸载荷示意图。
图2 爆炸载荷示意图
【主要测试方法及技术】
测量高应变率下材料的力学性能参数，如今主要常用的是 Hopkinson 杆实验技术；若进行更高应变率的研究，可采用一级或多级轻气炮撞击，炸药爆炸加载等方法，并结合 VISAR 和锰铜压阻技术进行实验研究[8]。下面对主要测试方法及技术进行简要介绍。
（1）霍普金森压杆实验技术
Hopkinson 压杆技术是由霍普金森在 1914 年提出的，克莱斯盖（Kolsky）在 1948年对这一技术进行了改进，将压杆分为两截，试件夹在两杆之间，这使 Hopkinson 压杆技术得到了成功发展，使其推广到用以研究材料在高应变率下力学性能及动态本构关系的领域[9]。 SHPB 实验装置是能够测量材料在 102~104/s 应变率范围内的力学性能。Hopkinson压杆实验技术不断发展，出现了带有同步组装系统的高温 Hopkinson 压杆技术以及微型SHPB 技术。
在 SHPB 实验过程中，将短试件放在两根压杆之间，通过气室加载推动撞击杆使之以一定的速度撞击入射杆，产生冲击脉冲对试件进行加载。同时利用分别粘贴在入射杆和透射杆上并距杆端一定距离的应变片来记录脉冲信号。SHPB 实验装置实物如图3。实验装置示意图如图 4所示。
图 4 Hopkinson 压杆实验装置示意图
根据一维应力波理论[10]，当子弹以一定速度撞向入射杆时，在其中形成一列入射应力波向试样方向传播，入射脉冲的长度是子弹长度的2倍，脉冲幅值与撞击速度成正比，入射波到达试样与入射杆的接触面后，一部分被反射，反射波沿入射杆以拉伸波的形式返回，另一部分波通过试样透射进透射杆，由于加载脉冲的作用时间比试样中波的传播时间要长的多，所以这里忽略试样内部波的传播效应。吸收杆在透射杆的后方，其端部与大质量的铅块接触，吸收透射杆传来的无用动量。在入射杆和透射杆到试样距离相等处沿压杆径向安装应变传感器，它把应力波在杆中产生的应变转化成电压信号，通过示波器记录下来，根据一维弹性波传播理论则可以计算出试样的应力和应变。根据得到的数据就可以绘制出应力应变曲线，这便是研究金属材料动态力学性能所需要的。图5展示了G50钢准静态压缩及动态压缩实验应力-应变曲线[11]。
图5 G50钢动态压缩实验应力-应变曲线
（2）爆炸测试
常用的爆炸压力测试方法大致分为以下几种：机械法、应变法、压电法和压阻法。
机械式：机械式压力传感器曾经在早期的试验中广泛使用。由于机械惯性的存在，使它们不能响应快速变化的压力，因而研制了其它形式的压力传感器。但机械式依然有：结构简单、使用方便、可靠、抗振性能好、抗电磁干扰能力强等优点。因此，在大药量的试验中， 依然是测量空气冲击波压力的主要手段之一。这种传感器的最大缺点就是只能测量静态的峰值压力。在瞬态的压力测量中，严重的依赖脉冲宽度和流场的作用方向，只适用于大药量的爆炸测量。
应变式：因为力学学科的发展，应变测量技术发展比较成熟。早期的动态压力测量就应用了应变测量技术，发展了各种形式的应变式压力传感器。应变式压力传感器的形式较多。但它们的基本思想都是将压力转变为弹性元件的变形，通过测量该变形值来得出外加的压力。总的来说，这类压力传感器的响应频率较低，适用于大药量爆炸压力或较远距离的冲击波压力测量。
压电法：在外界压力作用下产生电荷效应，并使负载元件获得有用的电压或电流信号，这种效应统称为压电效应。利用这种效应制成的传感器称为压电传感器， 具有灵敏度适中、响应速度快、线性范围宽、过载能力强、体积小、重量轻、使用寿命长等优点。
压阻式：压阻式压力传感器是利用半导体材料的压阻效应制成的。它的特点是灵敏度高、线性迟滞误差小、响应快、工作频带宽、体积小、质量轻，对被测流场的干扰小，抗冲击性能也好。但用半导体压阻压力传感器测量冲击波压力时，传感器的输出具有100%的过冲， 必须采用低通滤波器滤波。因而压力测试系统的上限频率不高，限制了它在冲击波压力测试中的应用。
因为爆炸过程时间极短，通常100kHz以上的采样频率才满足信号的测试要求。故传感器的响应频率应为被测信号频率的5-10倍，工作频率应为被测信号的1.2-1.5倍。适用于爆炸过程的低压动态测量传感器有两种：一种是压电式，一种是压阻式。
图6为一种压阻法测试系统线路图。系统的整体结构应该是传感器和二次仪表及采集装置分开，二者采用专用电缆线相连， 以保证信号质量，同时信号线深埋于地下不影响自由场的分布。
图6 一种压阻式测试系统线路图
【参考文献】
[1] 赵鹏铎. 分离式霍普金森压剪杆实验技术及其应用研究[C]. 国防科学技术大学研究生院,2011.
[2] 常列珍，潘玉田，张治民等.一种调质 50SiMnVB 钢 Johnson-Cook 本构模型的建立[J]. 兵器材料科学与工程，2010，33(4)：68.
[3] 杨王玥，强文江等.材料力学行为[M].化学工业出版社，2009.
[4] 李国豪. 工程结构抗爆动力学[M]. 上海科学技术出版社, 1989.
[5] Smith P D, Hetherington J G, Smith P D, et al. Blast and ballistic loading of structures[M]. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1994.
[6] R L Bruce. Blast overpressure prediction-modeling the uncertainties[J]. ASCE, Journal of Structural Engineering,1992.
[7] 徐慧, 杨靖海, 胡云昌. 可燃气体爆炸压力下海洋平台舱室围壁变形及破损计算[J]. 天津大学学报, 2000, 5.
[8] 陶俊林. SHPB 实验技术若干问题研究[D].中国工程物理研究院，2005.
[9] 姜锡权, 胡时胜. 霍普金森杆实验技术发展综述[C].Hopkinson 杆实验技术研讨会会议论文集. 2007: 147-158.
[10] 郭伟国,李玉龙,索涛. 应力波基础简明教程[M]. 西安：西北工业大学出版社，2007.
[11] 田杰，胡时胜. G50 钢动态力学性能的实验研究[J].工程力学,2006,23(6):108.
本文由材料人编辑部学术干货组刘冠旗供稿，材料牛编辑整理。
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