[发明专利]利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法

说明书

本发明公开了利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法，涉及动态力学性能测试领域，采用金刚石球头刀具在被测试材料表面进行变深度切削加工，获取不同加载条件下的变形行为；针对塑性域切削加工区域计算切削应力与切削应变率；进行不同应变率下的切削区域应力无量纲化处理，拟合获得无量纲化应力与无量纲化应变率之间的关系曲线，得到依赖于应变率的材料本构模型；利用激光辅助加热装置辐照被切削区域，以加热温度作为切削变量，建立综合考虑温度与应变率影响的材料本构模型。本发明将加工方法转变为材料性能测试方法，所实现的材料动态变形应变率高于分离式霍普金森压杆或拉杆等测试方法，为材料动态性能测试提供新的解决思路。

技术领域

本发明涉及动态力学性能测试领域，尤其涉及利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法。

背景技术

对于大多数工程材料，在动态载荷条件下的变形与失效行为与其静态或准静态加载变形相比具有显著差异，即材料表现出应变率敏感性。有效的材料动态力学性能测试技术和方法对于准确获取不同应变率范围内的材料力学响应特性，进而建立考虑应变率影响的材料本构模型和失效模型具有重要意义。

利用万能材料试验机进行拉伸、压缩或弯曲试验是最常用的材料力学性能测试方法，但常规万能材料试验机的最高测试应变率只能达到0.1/s–1/s量级，且高速液压伺服材料试验机的最高测试应变率通常小于200/s。更高范围应变率的力学性能测试需要借助特定设备实现，例如分离式霍普金森压杆和分离式霍普金森拉杆等可实现10³/s-10⁴/s范围的高应变率测试。

分离式霍普金森压/拉杆主要用于测试塑性材料的动态变形行为；对于高脆性材料而言，由于小尺寸圆柱形试样的制样难度大、塑性变形域窄，导致分离式霍普金森压/拉杆的适用性和测试精度较差。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法，在常用的切削加工方法基础上，将加工方法转变为材料性能测试方法，所实现的材料动态变形应变率高于分离式霍普金森压杆或拉杆等测试方法，将为材料动态性能测试提供新的解决思路。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了利用高速变深度切削测试脆性材料动态力学性能的方法，包括：

采用金刚石球头刀具在被测试材料表面进行变深度切削加工，获取不同加载条件下的变形行为；

以塑性域切削加工区域为应力分析区域，计算切削应力与切削应变率；

进行不同应变率下的切削区域应力无量纲化处理，拟合获得无量纲化应力与无量纲化应变率之间的关系曲线，得到依赖于应变率的材料本构模型；

固定切削速度，利用激光辅助加热装置辐照被切削区域，以加热温度作为切削变量，建立综合考虑温度与应变率影响的材料本构模型。

作为进一步的实现方式，将被测试材料进行预加工，切割制备出片状被测试样，且将被测试样表面抛光至镜面。

作为进一步的实现方式，将测力仪固定于工作台上表面，被测试样放置于测力仪上侧；测力仪用于测量变切深切削过程中的切削力分量。

作为进一步的实现方式，所述工作台为高速运动工作台，其覆盖1mm/min-10⁴mm/min的线性运动速度范围。

作为进一步的实现方式，以最低切削速度条件下的切削应力和应变率为基准，对各切削速度下的加工应力和应变率进行无量纲化处理；拟合获得无量纲化应力与无量纲化应变率之间的关系曲线，建立材料变形应力与应变率之间的函数关系。

作为进一步的实现方式，切削应力根据切削力分量与相应方向的投影面积比值得出；切削应变率根据切削速度与切削宽度的比值得出。