（力学专业论文）lc9铝合金在高温和不同动载条件下力学性能研究.pdf

国防科学技术大学研究牛院硕十学位论文 摘要 l c 9 铝合金是航天工程中应用广泛的一种材料，常常应用于高温、高应变率 等各种严酷的环境。分离式霍普会森压杆( s h p b ) 实验技术是测量材料动态力学 性能的重要手段。本文在传统的s h p b 实验平台上，搭建了单脉冲、双脉冲加载 实验装置，建立了高温实验条件，对l c 9 铝合金进行了不同加载条件和不同温度 条件下动态力学性能研究。 论文首先分析了单脉冲、双脉冲加载s h p b 实验技术的原理，搭建了单脉冲、 双脉冲加载s h p b 实验平台，阐述了单脉冲、双脉冲加载的实现方法，并通过高 速摄影验证其可行性。 对l c 9 铝合金进行应变率效应研究和单脉冲、双脉冲加载实验，获得不同加 载条件下该材料的应力应变曲线。比较和分析实验结果表明，应变率和应力历史 对该材料的力学性能影响较小。 研制了用于高温s h p b 实验的加热装置，阐述了利用该装置进行高温实验的 实验方法和步骤，分析了由该实验装置带来的误差。利用该实验技术测量了l c 9 铝合金在不同温度加载条件下的应力应变曲线。结果表明，该材料的温度软化效 应很明显。 研究了l c 9 铝合金的本构方程，利用实验数据对修正的j o h n s o n c o o k 模型中 的参数进行拟合，得到的模型曲线能较好地预估实验结果，表明该本构方程能较 好地描述l c 9 铝合金材料的动力学响应。 主题词：l c 9 铝合金；s h p b ；单脉冲加载；双脉冲加载；高温动力学性能 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 a b s t r a c t l c 9a l u m i n u ma l l o yi so n ek i n do ft h em o s tw i d e l yu s e da s t r o n a u t i c sm a t e r i a l i ti s o f t e nu s e du n d e rh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hs t r a i n - r a t ea n dm a n yc o m p l e xl o a d i n g s s p l i t h o p k i n s o np r e s s u r eb a r ( s h p b ) i su s u a l l yu t i l i z e dt oo b t a i nt h ed y n a m i cb e h a v i o ro f m a t e r i a l s t h ep a p e rh a se s t a b l i s h e dd e v i c e so fas i n g l el o a d i n gt e c h n i q u e ，ad o u b l e l o a d i n gt e c h n i q u ea n dah i g ht e m p e r a t u r et e c h n i q u eb a s e do nt h ec o n v e n t i o n a ls h p b b yu s i n gt h e s ed e v i c e s ，l c 9a 1 一a l l o y sm e c h a n i c a lb e h a v i o r u n d e rt h ed i f f e r e n tl o a d i n g c o n d i t i o na n dh i g ht e m p e r a t u r eh a sb e e nr e s e a r c h e d t h ep a p e ra n a l y s e st h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h es i n g l el o a d i n gt e c h n i q u ea n dt h e d o u b l el o a d i n gt e c h n i q u e ，s e t su pt h es i n g l el o a d i n ga n dt h ed o u b l el o a d i n gs h p b s y s t e m t h ew a y st o a c h i e v et h es i n g l e l o a d i n ga n dt h ed o u b l el o a d i n gd u r i n g e x p e r i m e n ta r eg i v e n ah i g hs p e e dp h o t o g r a p h yi sa p p l i e dt oc o n f i r mt h ev a l i d a t i o no f t h e s et e c h n i q u e s l c 9a i a l l o yi st e s t e du n d e rt h es i n g l el o a d i n ga n dt h ed o u b l el o a d i n g t h e i s o t h e r m a ld y n a m i cl o a d i n gs t r e s s s t r a i nc u r v eo fl c 9a i - a l l o ya tr o o mt e m p e r a t u r ei s o b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h a tt h es t r a i n r a t ea n ds t r e s sh i s t o r yp l a yl i t t l e p a r ti nt h ed y n a m i cm e c h a n i c a lb e h a v i o ro f t h em a t e r i a l t h ep a p e rd e s i g n sah e a t i n gf u r n a c es y s t e mf o rh i g ht e m p e r a t u r es h p be x p e r i m e n t ， i n t r o d u c e st h ew a ya n dt h ep r o c e s st oc a r r yo u tt h ee x p e r i m e n t ，a n da n a l y s e st h ee r r o r d u r i n g t h ee x p e r i m e n t t h el c 9a i - a l l o yd y n a m i cs t r e s s s t r a i nu n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ei so b t a i n e db yu s i n gt h i sh e a t i n gs y s t e m t h er e s u l t s h o w st h a tt h el c 9 a i a l l o yi ss t r o n g l yt e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y u s i n gt h ea v a i l a b l es h p bs y s t e m ，t h ep a p e ri n v e s t i g a t e s t h el c 9a i - a l l o y s c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n t h em o d i f i e dj o h n s o n c o o k sm o d e l i su s e dt od e s c r i b ei t t h e p a r a m e t e r so ft h em o d e la r ec a l c u l a t e db a s e do nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s b yp r o v i n g ，t h e m o d e lc o u l dd e s c r i b et h ed y n a m i cb e h a v i o ro ft h el c 9a i - a l l o y k e y w o r d s ：l c 9a l u m i n u ma l l o y ；s h p b ；s i n g l el o a d i n gt e c h n i q u e ；d o u b l e l o a d i n gt e c h n i q u e ；d y n a m i cb e h a v i o ra th i g ht e m p e r a t u r e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 表目录 表3 1l c 9 铝合金化学成分2 4 表3 2l c 9 铝合金物理性能一2 4 表3 3l c 9 铝合金静态力学性能一2 4 表3 4l c 9 铝合金不同应变率曲线应变为5 时应力值比较2 6 表3 5 单脉冲加载和传统加载试样受载后应变偏差比较一2 7 表4 1 求解本构参数采用的数据点4 3 表4 2l c 9 铝合金j o h n s o n c o o k 本构模型参数4 3 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 图目录 图1 1 分离式霍普金森压杆实验装置示意图3 图1 2 入射波在样品中反射与透射示意图4 图1 3n e m a t - n a s s e r 单脉冲加载实验原理6 图1 4n e m a t - n a s s e r 单脉冲加载实验典型入射波形6 图1 5w c h e n 单脉冲加载实验原理6 图1 6w c h e n 单脉冲加载实验典型入射波形6 图1 7w c h e n 双脉冲加载子弹7 图1 8 电磁加热原理图( 3 5 】8 图1 9 辐射加热装置示意副3 8 】8 图1 1 0 辐射加热装置的立体示意图【3 8 j 9 图1 1 l 采用同步组装的高温s h p b 实验系统示意图【4 1 1 l o 图2 1n e m a t - n a s s e r 单脉冲加载实验装置1 2 图2 2n e m a t - n a s s e r 单脉冲加载波系图1 2 图2 3 改进后n e m a t 。n a s s e r 单脉冲加载实验装置1 3 图2 4 改进后n e m a t n a s s e r 单脉冲加载波系图1 3 图2 5w c h e n 单脉冲加载实验装置1 4 图2 6w c h e n 单脉冲加载波系图1 4 图2 7 安装后质量块和法兰实物图。1 5 图2 8 实验中入射杆测得的典型波形l5 图2 9 预留缝隙计算1 6 图2 1 0 不同预留缝隙时实验波形比较1 7 图2 1 l 未采用单脉冲加载时泡沫试样的压缩变形照片1 7 图2 1 2 采用单脉冲加载后泡沫试样的压缩变形照片1 8 图2 13 夹心弹结构示意图1 9 图2 1 4 夹心弹实物图1 9 图2 1 5 夹心弹工作x t 图及相应的o t 曲线【4 4 1 2 0 图2 1 6 保持不变，t o 和d 的关系验证图2 l 图2 1 7 保持d 不变，d 和1 的关系验证图2 l 图2 1 8 双脉冲加载实验高速摄影过程尼龙材料的压缩照片2 2 图3 1l c 9 铝合金试样实物图2 5 图3 2l c 9 铝合金加载应力平衡图2 5 图3 3 相同加载条件下l c 9 铝合金应力应变曲线比较2 5 第1 v 页 国防科学技术火学研究生院硕十学位论文 图3 4l c 9 铝合金常温下彳i h 应变率应力应变曲线2 6 图3 5l c 9 铝合金单脉冲实验典型入射波形2 8 图3 6l c 9 铝合金单脉冲实验应力平衡图2 8 图3 7l c 9 铝合金2 5 0 c 时等温加载应力应变曲线2 9 图3 8 双脉冲加载实验应力平衡图3 0 图3 9l c 9 铝合金双脉冲加载应力应变曲线3 0 图3 1 0l c 9 铝合金不同加载条件下应力应变曲线比较3 1 图4 1 电炉剖面示意图。3 5 图4 2 加热电炉侧视图3 5 图4 3p i d 控制柜外观图图3 6 图4 4p i d 控制柜电路示意图3 6 图4 5 加热过程示意图3 6 图4 6 较低温度的高温实验试样安装俯视图3 7 图4 7 温度较高的高温实验试样安装图3 7 图4 8 温度较高的高温实验流程图3 8 图4 9 加载杆没有贴紧的实验波形图一3 9 图4 1 0l c 9 铝合金不同温度下加载应力应变曲线3 9 图4 1l 温度较高的高温实验测温及试样安装示意图4 0 图4 1 2 杆与试样接触时间测量原理图4 1 图4 1 3 杆与试样接触时问测量典型波形4 l 图4 1 4 本构模型拟合用到的实验曲线4 3 图4 1 5 常温各应变率实验一模型应力应变曲线比较4 4 图4 1 6 不同温度下实验模型应力应变曲线比较4 4 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：埏2 丝佥金查壶遏塑丕圄边越釜往王左堂性丝盟塞 学位论文作者样：军鳢 日，期：劲7 年f 月2 2 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者张李缝 作者指导教师签名：灶 日舌口 加 嘶 兹 钞 月 月 ， 年 年 岁dl 加 一 期 期 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第一章绪论弟一早 三百下匕 1 1 研究背景 铝在地壳中的蕴藏量很大，约占地壳重量的8 1 3 t 。它比其它有色金属蕴藏 量的总和还要多，是地壳中分布最广的金属元素。通常情况下纯铝的强度较低， 一般不作为结构材料使用。在纯铝中加入其它元素制成铝合金，可大大提高其力 学性能。 铝合金作为轻质合金具有较高的比强度和比刚度，某些铝合金的比强度可与 合会钢相媲美，而其比刚度则超过了钢。铝合金容易采用挤压等方法制造成不同 截面的型材，同时具有良好的加工性能，而且在大气环境中，表面能产生致密的 a 1 2 0 3 薄膜，使其具有较好的抗腐蚀性。部分型号铝合金在超低的温度下，仍然具 有很好的机械性能。另外铝合金还具有很好的导电性和导热性。因此铝及铝合金 在交通运输、化工、机械、电力、电子、仪表、建筑、农业及轻工业等部门中得 到了广泛的应用。在航空、航天及许多国防工业部门中，铝及铝合会更是必不可 少的材料【l 】。我国的长征系列运载火箭、神州号飞船和风云等型号卫星的主体结构 材料均采用铝合金制造；前苏联的能源号、美国的d e l t a 、法国的a r i a n e 和日 本的h 2 等航天飞行器的主体结构件材料也同样采用铝合金制造。可见铝合金在 国内外航天飞行器的结构材料上占据主导地位。因此开展对铝合金材料力学性能 的研究是十分必要和有意义的。 l c 9 铝合金( 我国新牌号为7 a 0 9 ，美国牌号为7 0 7 5 ) 属于热处理强化高强度 铝合金，是我国目前使用的强度最高的铝合金之一。该合金以其高的比强度、比 刚度、良好的耐蚀性及易加工等特点，在汽车、船舶、机械制造、国防工业得到 了广泛使用，尤其是在航空、航天以及兵器等行业显示了其良好的应用前景。在 这些领域的应用过程中，材料不仅会受到静态载荷作用，还常常处于不同的环境 温度和不同的冲击速度下的动态载荷加载。在动载荷下材料承受的应变率可达 1 0 2 s o 1 0 4 s ，甚至更高。相对于静态或者准静态加载而言，高温高应变率加载下 材料的响应和性能与静载荷作用下有明显不同，更为复杂，不仅表现为应变率相 关，而且伴随绝热过程，力学效应与热学效应耦合在一起，表现出许多独特的行 为和现象，因此材料在动载作用下的性能往往是研究人员关心的热点也是上述领 域的使用者关心的重点。动载荷作用下材料的变形和破坏机理已成为当前固体力 学中的一个重要研究课题，它与工程问题尤其是军事工程和航空航天工程等问题 有着紧密的联系，具有十分重要的实际意义。因j l ：，为了保障飞行器、武器具有 高的生存力，研究者们急需伞面了解l c 9 铝合会在极端环境下的动态性能。 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 1 2l c 9 铝合金材料性能研究状况 在过去的数十年中，关于铝合金力学性能的研究已有大量报道f 2 - 5 l 。 1 9 9 7 年，陈天赐【6 】对l c 9 铝合金时效工艺进行了研究；2 0 0 0 年，林高用【1 7 】在 g l e e b l e 2 1 5 0 0 热模拟试验机上采用高温等温压缩试验，对l c 9 铝合金在高温压缩变 形中的流变应力行为进行了研究。同年，陈康华【9 1 研究了升温固溶处理对提高l c 9 铝合金的结晶相固溶程度和力学性能的影响。2 0 0 1 年，杨立斌【9 】采用圆柱试样在 g l e e b l e 2 1 5 0 0 热模拟机上进行高温压缩变形实验，研究了l c 9 铝合金在高温塑性变 形过程中流变应力的变化规律。2 0 0 5 年，刘钢【lo 】在静液压力下对l c 9 铝合金圆环 进行压缩实验研究。2 0 0 6 年，张明渊【i l 】研究了l c 9 铝合金超塑性变形特性。 在这些报道中，普遍认为铝合金的力学性能对温度和应变率是敏感的，其塑 性流动应力随温度历史、应变率历程和应变过程而演化变化。 虽然国内外对l c 9 铝合金在微观组织结构、塑性加工、热处理过程中进行了 大量研究，但基本都是在准静态加载条件下进行的，有关l c 9 铝合金材料在冲击 载荷响应特性和高应变率情况下的力学性能实验数据很欠缺，国内外对于该材料 的动态力学性能少有研究报道。 霍普金森压杆( s h p b ) 装置自1 9 4 9 年问世以来，经过几十年的不断发展， 其应用范围和技术方法不断的拓展和进步。它具有结构简单、操作方便、测量方 法精巧、加载波形易控制等优点，其所涉及的应变率范围( 1 0 2 s - l 1 0 4 s 。1 ) 也是人们 所关心的一般工程材料流动应力的应变率敏感性变化比较剧烈的范围，正是由于 这些原因，s h p b 装置已经成为测量材料动态力学性能的重要手段。本文利用s h p b 实验装置，对l c 9 铝合金在高温和不同加载条件下动态力学性能进行研究。 1 3s h p b 基本原理与研究进展 1 3 1s h p b 实验原理 霍普金森压杆雏形是在1 9 1 4 年由h o p k i n s o n 提出来的，当初只能够用来测量 冲击载荷下的脉冲波形。19 4 9 年k o l s k y t l 2 j 对该装置进行了改进，将压杆分成两截， 试样置于其中，从而使这一装置可以用于测量材料在冲击载荷下的应力应变关系。 由于这一装置采用了分离式结构，因而被称为分离式h o p k i n s o n 压杆，简称s h p b ( s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r ) 。经过半个世纪的发展，该技术得到了长足进步， 应用范围也越来越广：同时也由该技术延伸拓宽发展了新的实验技术分离式 霍普金森拉杆( s h t b ) 与分离式霍普金森扭杆( t s h b ，t o r s i o n a ls p l i th o p k i n s o n 第2 页 国防科学技术人学研究牛院硕十学位论文 b a r ) ，并得剑r 斗日应应片j 。下面论义将对论文涉及到的分离式霍普金森压l ；r 技术 进行介绍。 分离式霍普金森压杆实验装置【1 3 】主要由3 部分组成：子弹( s t r i k e r ) ，入射杆 ( i n c i d e n tb a r ) ，透射杆( t r a n s m i s s i o nb a r ) 。试样( s p e c i m e n ) 被安放在入射杆 与透射杆之间，另外还有一些附属设备：发射装置，测速装置，测试系统，缓冲 装置等，见图1 1 。 一一，子弹， 入射杆 试样 透射杆 一一、 i - l 乒习千e 二乓；了乒e 了一 发射装置测速装置测试系统缓冲装置 图1 1 分离式霍普金森压杆实验装置示意图 实验装置各部分的作用如下【1 4 j ： 1 发射装置用来将子弹加速到某一确定速度。 2 子弹用来撞击入射杆并产生具有一定幅值和一定宽度的压力脉冲。 3 测速装置用来测量子弹的初始撞击速度。 4 入射杆与透射杆用来传播由子弹引起的应力波，对试样进行加载。 5 测试系统用来对入射杆与透射杆中的应变情况进行测量、记录。 6 缓冲装置包括吸能压杆及缓冲仓，前者用于吸收透过试样进入透射杆的能 量，防止自由面反射信号对有效测试信号的干扰；后者用于缓冲压杆，防 止压杆脱落及端面损坏。 从上面实验装置各部分的作用来看，压杆在霍普会森杆实验装置中起着关键 作用，其材料的选用，尺寸的确定都有很严格要求。压杆材料的选择，一方面要 求在一定变形范围内只发生( 线) 弹性变形；另一方面希望材料具有较高的弹性 屈服极限，可以对待测试样施加较大的冲击载荷；同时，也要求压杆端面具有一 定硬度，保证实验过程中压杆端面不变形( 主要是凹陷) ，不影响对试样应变的 测量。压杆尺寸的确定需要在应力波传播基础上进行综合考虑： 1 子弹长度决定入射应力脉冲的宽度。 2 入射杆长度应满足既有利于入射脉冲的稳定传播，又可以在杆上某测试点 分别获得完整的入射和反射波形，以便于进一步的数据处理。 3 透射杆的长度应保证其末端反射波不会影响到透射波的测量。 4 由于霍普金森杆实验技术是建立在杆中一维应力波理论基础上的，忽略了 压杆横向惯性所引起的波在传播时的弥散现象，而这只有当杆的直径远小 于应力脉冲宽度时才成立，般要求压力脉冲宽度远大于5 倍压杆直径。 分离式霍普金森压杆实验原理主要是通过使用应变片对入射杆中的入射信号 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 8 ，、从杆与试样交界面反射回来的反射信号，以及透射卡f 中透射信号，进行测量， 然后根据一维应力波理论导出试样中的应力应变关系。该实验技术的成立依靠两 个基本假定，即：一维性假定和均匀性假定。根据一维性假定，可以通过一维弹 性波理论推导出试样材料的应力应变应变率关系基本公式；根据均匀性假定，可 以进一步简化这一公式。 设试样与入射杆相连的端面为1 ，试样与透射杆相连的端面为2 ，见图1 2 。 假定压杆为同一种材料并具有相同横截面积，压杆的弹性模量、应力波波速和横 截面积分别为e 、c d 、a o ：试样的横截面积和厚度分别为a ，和厶。 试样 & 入射杆 。_ t 透射杆 钾一 jlj l ， i 图1 2 入射波住样品中反射与透射不意图 由应力波理论，得到试样中应变率计算公式 争( e i - - 8 r - - e t ) ( 1 1 ) 对上式进行时间积分，可以计算出试样的应变 t 2 i c o j 。t ( t 一一q ) 西 ( 1 2 ) 试样中的平均应力为 os：旦：一eao(占，+q+q)a，2 a ， “ ( 1 3 ) 以上( 1 1 ) 、( 1 2 ) 和( 1 3 ) 三式就是计算试样应变率、应变和应力的三波 公式。实际上三波公式反映的是试样中的平均应力、应变和应变率。 如果试样两端面受力相等，即达到力平衡，有：p l = 尸2 。此时可以认为试样内 部处于应力应变均匀状态，可以得到s 以) + 占，( ，) = q ( ，) 。这样三波公式便可以简 化为两波公式( 选择透射波和反射波进行计算) 仃。：堕q仃c = 二占f a s ( 1 4 ) 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 一铷啦 5 ， 叠。= 一竺g ， ( 1 6 0 ) s j2 一。g r ll ， l j 这样只要试样中应力应变处于均匀状态，便可以根据应变片测量的反射信号 和透射信号计算出试样中的应力、应变和应变率。以上公式中计算出的应力和应 变为工程应力和工程应变。在不可压假定下，真实应力和应变与工程应力仃和应 变s 之间的换算关系为【1 5 】 盯7 ，= ( 1 一c ) c ri g r2 一l n ( 1 一g ) j ( 1 7 ) 其中，仃7 、8 t 分别表示试样的真实应力和真实应变。 由上述分析可知，s h p b 技术的巧妙之处在于把应力波效应和应变率效应进行 了解耦。一方面，对于同时起到冲击加载和动态测量双重作用的入射杆和透射杆， 由于始终处于弹性状态，允许忽略应变率效应而只计应力波的传播，并且只要杆 径小得足以忽略横向惯性效应，就可以用一维应力波的初等理论来分析。另一方 面，对于夹在入射杆和透射杆之间的试样，由于长度足够短，使得应力波在试样 两端问的传播所需时问与加载总时间相比时，小得足可以把试样视为处于均匀变 形状态，从而允许忽略试样中的应力波效应而只计其应变率效应。这样，压杆和 试样中的应力波效应和应变率效应都分别解耦了，试样材料相应的应变率相关性 可以通过弹性杆中应力波传播的信息来确定。对于试样而言，这相当于高应变率 下的“准静态”实验；而对于压杆而言，这相当于杆中波传播信息反推相邻的短 试样材料的本构响应。 1 3 2 单脉冲实验技术研究状况 应力反转的h o p k i n s o n 装置由s n e m a t n a s s e r 在1 9 9 1 年提出1 1 3 】，通过重新设 计加载装置和入射杆的加载端，如图1 3 所示，可以在入射杆中产生一个由压缩部 分和紧随其后的拉伸部分组成的应力波。 将入射杆的加载端加工成一个传递法兰( t r a n s f e rf l a n g e ) 。入射管( i n c i d e n t t u b e ) 是和子弹等长的圆筒，与子弹和入射杆横截面积相同，材料相同，波阻抗相 同。反应质量块( r e a c t i o nm a s s ) 是入射杆穿过其中的钢制大圆筒。入射管安装在 传递法兰和反射质量块之间。当子弹以速度撞击传递法兰时，从接触面质点速 度方程和轴向动量守恒可得，入射杆和入射管中的质点速度均为v 0 3 。在入射杆 和入射管中都会产生压缩波。入射杆中的压缩波传到试样端而对试样进行加载， 第5 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 而入射管中的压缩波传播到反应质量块端衄会反射一个压缩波，与从子弹自由面 反射的拉伸波同时到达传递法兰与入射管的交界面，子弹开始回弹。由于入射管 和入射杆横截面积相同，材料相同，传递法兰被入射管加载一个等幅度的拉伸波。 于是向入射杆中传进一个紧随压缩波的拉伸波，图1 4 是典型入射波形。 r e n c t i o nm a s si n c i d e n tt u b e 岁 e 吕 要 ； c ：c o m p r e s s i o nw a v e ；t ：t e n s i o nw a v e t j m e ( p s ) 图1 3n e m a t n a s s e r 单脉冲加载实验原理 图1 4n e m a t - n a s s e r 单脉冲加载实验典型入射波形 由于入射管的存在，法兰盘所承受的拉伸应力数值上等于入射压缩应力的值， 若子弹撞击速度较高时，容易将法兰盘与杆的连接处拉断( 如果它和杆是一体的， 可能在连结处剪断，如果由螺丝连接，则可能螺丝拉断) 。1 9 9 7 年文献【1 6 】又在原 实验基础上做了部分改进，在入射管和传递法兰问预置一个间隙，当子弹撞击入 射杆时，在入射杆产生的变形量正好等于预设问隙。这时，传递法兰与入射管紧 密接触。通常的h o p k i n s o n 压杆的二次加载是由于反射拉伸波在入射杆的撞击端反 射形成的压缩波( 此时子弹已经与入射杆分离) ，而在此装置中，反射拉伸波被入 射管完全吸收。国内李玉龙等也是采用的此设计方案【r 卜1 9 】。 r e l i o nm 5p r e - f i x e dg a p p u l s es h a p e r 柏 八队 lv 一 02 0 04 0 06 0 0 的1 0 0 01 2 0 0 c ：c o r n p r e s s i o nw a v e ；t ：t e n s l o nw a v e m e ( 脚 图1 5w c h e n 单脉冲加载实验原理图1 6w c h e n 单脉冲加载实验典型入射波形 在s n e m a t - n a s s e r 方案的改进设计中，入射管已经不是必需的了，w c h e n 给出了更简单的设计【2 0 1 。当反射拉伸波到达法兰时，由于质量块的限制，相对于 第6 页 o (em口#o， 国防科学技术大学研究牛院硕十学何论文 拉伸波是一个幽壁界面，反射一个拉仲波。不会再对试样有压缩波加载，从f 面实 现了单脉冲加载。波系分析如图1 5 所示。入射杆应变片所测的典型波形如图1 6 所示。由图中可以看到，反射拉伸波传到法兰处反射回去的还是拉伸波，因此基 本不会再对试样有压缩波加载。在此技术中法兰盘与质量块之间的预留缝隙设置 是一个关键环节，如图1 5 中小图所示。 1 3 3 双脉冲实验技术研究状况 关于双脉冲加载实验技术，1 9 6 4 年，l i n d h o l m 2 1 1 利用从s h p b 中入射杆和试 样接触表面的反射波在入射杆的撞击端反射形成压缩波对试样进行二次加载，研 究a l 材料在此加载历史下的动态响应。 近几年，w c h e n 2 z - 2 3 1 等利用弹簧把两个不同材料的子弹连接成一个双重子弹， 一次发射产生两个脉冲，用以研究a d 9 9 5 氧化铝和s i c - n 陶瓷在初次冲击加载后 材料后续的动态力学性能，其装置中脉冲的时间间隔用压缩弹簧控制。双重子弹 示意图如图1 7 所示。 a l u m i n u ms t r i k e r s t e e is t r i k e r i n c i d e n tb a r s p r i n g sc o p p e rp u l s es h a p e r 图1 7w c h e n 双脉冲加载子弹 1 3 4 高温s h p b 实验技术研究状况 在低变率下，材料的高温力学性能测量可以通过i n s t r o n 、m t s 等材料试验 机完成，而在高应变率下材料的高温力学性能的测量一直是研究中的难点之一。 利用s h p b 进行材料高温动态力学性能的测试，有两种方法：一是将试样以及小 部分波导杆放入温度箱中同时进行加热1 2 4 | 。这样将不可避免地在入射、透射杆上 形成温度梯度1 25 。，而温度梯度的存在将对测量精度产生一定影响，因此在进行数 据处理时，需采取各种方式对实验信号进行相应的修正，同时该方法需要测试波 导杆中的温度分布，并了解波导杆模量随温度变化的规律。二是通过实验装置的 特殊设计，缩短温度梯度场的影响域进而忽略这一影响，例如用热不敏感材料制 作入射、透射杆，在实验温度比较低的情况下忽略温度梯度场，进行局部瞬时加 温及采用隔热材料连接杆与试件等【2 7 。3 。这种方法使得数据的处理时不必考虑温 度梯度场的影响，从而使得数据处理简单，但带来了试验装置的复杂化。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 自上个世纪人十年代j l c h i d d i s t e r l 3 2 】、u s l i n d b o l m l 3 3 1 等就试图将s h p b 装 置应用于高温动态力学性能的测量，国内王春奎【3 4 】等也进行了相应研究。 1 9 8 6 年，r o s e n b e r g 和d a w i c k e t 3 5 j 等人首先提出了一种利用金属材料的涡旋电 流和磁滞现象发热的电磁加热方法，其加热原理图如图1 8 所示。 h i 渊豫l ! 倒岖yc u r r n t p a s s e s 俅r g hc o ll 刖i c h m e 她a i e r i 磊【t o8 eh e 酊国 f o r 艟sl h es f c o n i ) 鑫r y 图1 8 电磁加热原理图3 5 】 如图所示，在待研究的金属试样表面缠绕一层导电线圈。当线圈中通以高频 交流电时，由于电磁效应金属试样内部会感应生成涡旋电流从而产生大量的热量。 如果该种金属还具有磁性，比如铁等，则材料的剩磁效应同样会产生热量。这种 加热方式的最大特点就是可以对试样进行集中加热，从而提高加热效率。然而， 此方法的局限性也是显而易见的。首先，加热原理利用的是金属在交变磁场中产 生涡旋电流的性质，所以这种方法只能对金属材料进行加热。另外，感应线圈会 带来较强的磁场干扰，产生较强的电磁辐射，从而对实验的电学测量带来影响。 1 9 9 8 年，m a c d o u g a l l l 3 6 - 3 7 】首次设计使用辐射加热装置对试样进行加热。2 0 0 3 年s o n g w o ns e o 等【3 8 】对热辐射加热装置进行了改进，其装置示意图如图1 9 和图 1 1 0 所示。 图1 9 辐射加热装置示意图f 3 8 1 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图1 1 0 辐射加热装置的立体示意图1 3 8 1 图1 9 和图1 1 0 分别是此装置的平面图和3 d 视图。这套装置主要包括两个部 分：两个椭球反射镜和两个6 5 0 w 的碘钨灯。两个椭球反射镜共用一个焦点，两 个碘钨灯分别位于两个反射镜的另外一个焦点上。加热时将试样放置在公共焦点， 利用椭球的几何特性，可以集中碘钨灯辐射出的能量对其进行加热。在温度测量 方面则采用红外温度计进行测量，以达到非接触测量的目的。这套装置最突出的 特点在于整个加热和测温过程都是非接触的，从而避免了可能由接触引起的一些 问题。这种辐射加热方式最主要的优点在于加热效率高，速度快，然而，从图1 1 0 可以看出，这套加热设备结构比较复杂，加工成本较高。 同年夏开文等【3 9 】采用附有恒温加热炉的s h p b 装置，通过修正温度梯度场对 测量的影响，研究了s h p b 装置用于材料高温动态力学性能的测量，从而使得应 用s h p b 装置进行高温动态力学测量更为准确可靠。 同时期s n e m a t n a s s e r 【4 叫l j 及其合作者使用了一种同步组装系统，当加热试样 时，试样与杆未接触，当试样加热到预定温度时，开启空气炮发射撞击杆，撞击 入射杆，在入射杆中产生应力脉冲，同时启动同步组装系统，使得应力波到达入 射杆与试样接触面时，入射杆、试样及透射杆刚好紧密接触，从而测量材料高温 动态力学性能。国内的李玉龙【4 2 1 在2 0 0 5 年也研究设计了类似的实验装置，如图1 1 1 所示，实现了在高应变率条件下材料的高温力学性能的测量。这种试验方法可以 不考虑实验杆和试样中的温度变化，数据处理相对简单。但整套气动装置复杂， 精确设计气动同步装置比较困难，对实验操作的要求也非常高。 第9 页 国防科学技术人学研究生院颤十学位论文 io u t i c lv “l2l i elv u v o 3 阻i tre h t m b o r ，f m h _ n b o 5 $ n i e eb r ei n c l d c n t h r 7r - 8h n l l 吨h 9 轴m p k il ot r l i l t q db - r 凯r 茄蔚盛n 嚣黼“s h “p ”b 喾裁籍酬 1 4 本文主要工作 本文在理学院轻气炮实验室已有的s h p b 实验平台基础上，搭建了s h p b 的 单脉冲、双脉冲加载实验装置，自行设计了s h p b 高温实验装置，利用搭建好的 s h p b 实验装置，研究l c 9 铝合金在不同加载条件下和高温环境f 的动态力学性 能。各章具体内容安排如下： 第一章为绪论，简述l c 9 铝合金不同加载条件下和高温下动态力学性能的研 究背景和该材料的研究现状，介绍s h p b 的基本原理和单脉冲、双脉冲加载和高 温s h p b 实验技术的研究状况，井概述本文的主要工作。 第二章介绍s h p b 单脉冲、双脉冲加载实验技术的工作原理和实现方法，并 对实验技术进行可行性分析和验证。 第三章利用s h p b 单脉冲、般脉冲加载实验技术，研究l c 9 铝合金在不同加 载条件下的力学性能。 第四章介绍高温s t l p b 实验技术，并对l c 9 铝台金在不同温度条件下进行测 试，得到不同温度下材料的应力应变曲线。并基于j o h n s o n - c o o k 本构模型，研究 l c 9 铝合金考虑温度效应、应变率效应的本构关系。 第五章是全文工作的总结及对今后工作的展望。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 第二章单脉冲、双脉冲加载s h p b 实验技术 2 1 单脉冲s h p b 实验原理和方法 随着科学技术的不断进步，材料宏观力学性能的测试与材料细微观结构分析 结合得更加紧密，对材料施加一定的载荷，在获得材料力学性能的同时，希望通 过回收试样，观察材料在相应载荷下细微观结构的变化，把实验测得的受载情况 与材料细微观结构的变化准确对应起来，为改进材料结构、提高材料性能提供可 靠的依据。 自1 9 4 9 年h k o l s k y 建立s h p b 实验技术以来，经过了半个多世纪的系统与 深入研究，s h p b 实验技术被广泛应用于测量材料的动态力学性能。但是，在传统 的s h p b 实验中，由入射杆和试样接触面反射的拉伸波在入射杆的撞击端反射形 成压缩波，对试样进行多次加载。实验用以研究材料受载和力学性能的数据都是 用第一次脉冲加载的数据，而实际上试样在实验过程中己被多次冲击加载，这样 导致回收的试样所反映的受载情况与实验测得的受载不相一致，给分析试样的破 坏程度带来了误差，影响实验的准确性。为解决该问题，需要改进实验技术，使 实验过程中，对试样进行二次加载的压缩波被吸收，试样在整个过程中只被加载 一次，实现对试样的单脉冲加载，消除了多次加载对试样破坏的影响，从而材料 细微观结构的变化与实验测得的数据准确对应起来。 2 1 1 实验原理 2 1 1 1n e m a t - n a s s e r 单脉冲加载实验技术原理 1 9 9 1 年s n e m a t n a s s e r 首先提出单脉冲加载的h o p k i n s o n 压杆技术i l3 1 。通过 对加载装置和入射杆加载端重新设计，可以在入射杆中产生一个由压缩部分和紧 随其后的拉伸部分的应力波。图2 1 为s n e m a t n a s s e r 单脉冲加载h o p k i n s o n 杆装 置。将入射杆的加载端加工成一个传递法兰( t r a n s f e rf l a n g e