[发明专利]测试拉伸/剪切复合加载下材料动态力学性能的装置及方法

说明书

本发明公开了一种测试拉伸/剪切复合加载下材料动态力学性能的装置及方法，包括冲击机构、冲击杆、入射杆、透射杆以及应变信号采集装置；在所述的透射杆的一端安装试样，另一端安装一个缓冲器，所述的冲击杆在冲击机构装置的冲击下冲击入射杆的一端，入射杆的另一端冲击试样；且试样的一侧安装有图像采集装置；在所述的入射杆和透射杆上安装有应变片；所述的应变片与采集卡相连，所述的采集卡与信号显示装置相连。

技术领域

本发明涉及一种测试拉伸/剪切复合加载下材料动态力学性能的试样结构设计及测试方法，尤其是一种测试材料高应变率变形力学性能和捕获材料实时变形及失效行为的技术。

背景技术

加载速率和应力状态是影响材料变形和失效行为的重要因素。材料在动态加载作用下发生不同于静载荷下的力学行为，理解与掌握材料的动态力学性能对合理控制材料变形与失效，实现工程应用中的趋利避害具有重要意义，比如爆炸和撞击、地震、工程爆破、弹体对装甲的侵彻、核爆炸及其防护、微陨石和雨雪冰沙对飞行器的高速撞击、高速加工、等径角挤压变形等均涉及材料动态力学性能的研究。复合应力状态下的材料变形和失效行为与单轴应力状态下相比具有显著差异，材料(或零件)的实际服役环境多为复合应力状态，包括拉伸/剪切复合、压缩/剪切复合、弯曲/扭转复合等，但传统材料力学性能测试主要利用材料力学性能试验机实现单轴拉伸、单轴压缩和扭转等装置测试获取材料变形和断裂参数，所获得的材料静态力学性能参数不能描述材料在复合应力状态与动态加载下的变形与失效行为。

材料在静态(或准静态)加载时的变形过程缓慢，应变率范围为10^-3/s-1/s，利用力学性能试验机测试材料静态(或准静态)变形行为时可以使用普通数码相机追踪其变形过程，材料失效后通过测试试样伸长率及断面收缩率即可确定材料断裂应变等力学参数。但对于高应变率复合应力状态下的材料变形和断裂行为研究，一方面需要设计合理的试样结构和测试装置实现材料的高应变率复合应力加载；另一方面需要开发有效的测试方法捕获材料动态变形和断裂过程。这正是本发明所解决的两个核心问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述已有材料力学性能测试装置和测试方法存在的不足，提供一种测试拉伸/剪切复合加载下材料动态力学性能的试样结构设计及测试方法，材料动态力学性能测试装置基于分离式霍普金森压杆工作原理所搭建，测试应变率高达10⁴/s以上，设计的材料力学性能测试试样能够实现拉伸/压缩复合应力加载，在被测试试样表面涂覆荧光粉(或荧光漆)，测试时利用高速相机追踪拍摄试样表面的荧光粉(或荧光漆)粒子运动轨迹，通过分析荧光粒子的运动即可捕获被测试试样的高应变率变形和断裂行为。该装置和方法可以测试超高应变率加载和复合应力状态下的材料力学性能，测试精度和测试效率高，适用于塑性材料和脆性材料的动态力学性能测试。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种测试拉伸/剪切复合加载下材料动态力学性能的装置，包括冲击机构、冲击杆、入射杆、透射杆以及应变信号采集装置；在所述的透射杆的一端安装试样，另一端安装一个缓冲器，所述的冲击杆在冲击机构装置的冲击下冲击入射杆的一端，入射杆的另一端冲击试样；且试样的一侧安装有图像采集装置；在所述的入射杆和透射杆上安装有应变片；所述的应变片与采集卡相连，所述的采集卡与信号显示装置相连。

进一步的，所述的冲击机构包括一个炮管和为炮管充气的充气装置，所述的炮管的一端插装在冲击杆，另一端连接充气装置，所述的充气装置为炮管充气，进而推动冲击杆冲击入射杆。

进一步的，所述的入射杆受冲击端安装有波形整形器，所述波形整形器采用直径小于杆系直径的薄铜片或薄铝片。

进一步的，所述的缓冲器用于吸收杆件冲击能量，一般由柔性材质如橡胶、软木块等构成。

进一步的，所述的图像采集装置包括高速相机和光源，其中高速相机的最高采样频率不低于100000Hz，在采样频达到100000Hz时拍摄的图像分辨率不低于256x256像素。