[发明专利]一种仪器化冲击试验力-位移修正方法

说明书

本发明公开了一种仪器化冲击试验力‑位移修正方法，通过有限元方法得到锤刃与试样的接触柔度；采用施力装置和激光干涉仪测量砧座柔度；依据标准对标准V型冲击试样进行仪器化夏比摆锤冲击试验，得到试验过程中摆锤冲击试样过程中的力值数据。对砧座和锤刃形变进行修正；根据计算的修正后数据，重新绘制仪器化冲击试验所得的力‑位移曲线。该方法提出一种接触柔度的表达公式，依据有限元法获得此公式中的具体参数，以此为依据，修正锤刃在冲击过程中形变所导致的位移误差；相比于传统方法中将砧座和锤刃视为绝对刚体的作法，本发明将锤刃和砧座视为弹性体，在原理上更为接近真实情况，修正后的数据更加科学合理。

技术领域

本发明属于冲击计量与测试领域，针对仪器化冲击试验机的砧座和锤刃非绝对刚性这一现实特性所提出的基于二者接触柔度的仪器化冲击实验结果中力-位移曲线的修正方法，为更加准确地评估材料冲击韧性提供参考修正算法，以获得更加准确的材料冲击性能数据。

背景技术

作为材料的基本性能，冲击韧性(即在冲击载荷下材料塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力)是工程应用中对于材料抗冲击载荷的能力的一种量化指标，其具体的实验方法，按其服役工况，有简支梁下的冲击弯曲试验(夏比冲击试验)、悬臂梁下的冲击弯曲试验(艾氏冲击试验)以及冲击拉伸试验。其中夏比冲击试验是由法国工程师夏比(Charpy)于1905年左右建立起来的，距今已有百余年的历史。这一试验方法具有试样加工简便，试验时间短，试验数据对材料组织结构、冶金缺陷等敏感的优点，成为了在评价金属材料冲击韧性时应用最为广泛的一种传统力学性能试验。

传统的夏比冲击试验使用的是摆锤式夏比冲击试验机是根据能量守恒原理设计制造的，所使用的是摆锤式设计：摆锤在某一高点从静止状态释放后，进行钟摆式的运动，在最低点处接触并冲断待测试样，冲断后的剩余能量使摆锤摆至终止位置，通过表盘记录初始位置与终止位置的角度，在已知摆锤摆长之后，计算得出初始位置与终止位置的高度差，配合摆锤重量，可以计算出冲断试样所消耗的能量，这一能量即对应试样的冲击韧性。

传统的夏比冲击试验能够在一定程度上满足测试研究材料冲击韧性的需要，但其试验方法决定了其有效数据只有冲断试样的冲击功，再无其他。在冲击试验过程中，作用在试样上的冲击力在(3～5)ms以内的时间内由零骤增到十几至几十千牛又重新下降为零。如果在试验中某两种材料有着不同的断裂机制(体现为走势不同的力-位移曲线)，但却有着相同的冲击能试验结果，那么单单冲击能这一种参数则无法反应二者在抗冲击性能方面的不同。这种由于试验方法所导致的参数单一化是制约材料抗冲击性能研究的一大障碍。

为了能够深入地评估材料的抗断裂性质、对冲击过程进行更为细致的研究，科研部门和工业界提出了考察分析材料在整个冲击过程中受力情况的需求。为此，在近三、四十年发展迅猛的电子采样技术支持之下，仪器化冲击试验机应运而生，仪器化冲击试验机的机械部分和传统的冲击试验机基本一致，但在锤刃部位安装有力传感器，与适当的电子仪器配合后，力传感器能够将冲击过程中作用于锤刃上的力信号连续记录下来，从而实现对冲击力值变化的动态监测，以所采得的力值信号为基础进行计算，得到力-位移曲线，对其进行积分，得到冲击功，解决了传统冲击试验“只有结果量，没有过程量”的问题，使得冲击试样在冲击过程中的实时受力情况能够被记录分析。

一般地，仪器化冲击试验中的位移-时间数据是从力-时间数据中计算而得的，冲击功是从力-位移数据计算而得的。具体的计算公式由相应的试验方法标准给出，所涉及的试验方法有《GB/T 19748-2019金属材料夏比V型缺口摆锤冲击试验仪器化试验方法》、《ISO14556-2015 Metallic materials—Charpy V-notch pendulum impact test—Instrumented test method》以及《ASTM E2298–18 Standard Test Method forInstrumented Impact Testing of Metallic Materials》。三者所采用的计算公式均为