第三届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集镁铝合金高温动态力学性能实验研究 胡昌明 西南流体物理研究所,冲击波物理与爆轰波物理实验室(四川绵阳 621900) 中国科学院中国科学技术大学材料力学行为和设计重点实验室(安徽合肥 230027) 摘要: 利用金属材料在高温、高应变率下的本构关系,代入数值模拟程序来预测这些材料在更高温度、更高应变率条件下 的力学行为,已成为研究材料动态力学性能的重要手段。如何描述带有温度效应的本构关系,就必须凭借材料的高温试 验。本文在原有高温加热的SHPB 实验装置上作了一些改进,以克服实验过程中由于密封加热时,对试样的是否还与两 压杆保持同一轴线缺乏了解的缺点,同时减少了高温对压杆的影响。另外,通过研究 MB2 合金在高温、高应变率下的 力学性能,得到该合金修正后的Johnson-Cook 本构关系。 关键词:SHPB,温度效应,应力,高应变率 中图分类号:O347.3 文献标识码:A 引言 工程材料的力学性能,与应变率、温度等有密切的关系。镁铝合金MB2 材料往往应用于高温、高 应变率、高温升等极端条件,因此研究这些材料在高温、高应变率条件下的力学行为是非常重要的。目前,研究材料在高温、高应变率条件下的力学行为的实验手段主要是轻气炮和SHPB,其中在SHPB 验装置上实现高温或低温实验条件还比较容易,而利用轻气炮实验装置进行高温或低温实验,目前还没有这方面的文献报道。 利用 SHPB 实验装置研究材料在高温(环境温度)下的力学性能时,其环境温度箱在对试件进行 加温的同时也对两侧的压杆进行加温,将不可避免地会在输入、输出杆中造成一个温度梯度场,而这一 温度梯度场对入射波、反射波和透射波的传播有影响。为了消除这种影响,可采用两种方法来解决。 ,缩短温度梯度场的影响域,进而忽略这一影响。例如,利用热不敏感材料制成入射杆和透射杆,或在实验温度比较低的情况下忽略温度梯度场,或进行局部瞬时加温及采用隔 热材料连接杆与试件等。第二种方法是在处理数据时设法消除这一影响 。本文采用的是第一种方法,它会带来实验结构的复杂性,但可使数据处理简单。 实验装置 我们的实验是对原有的加热炉装置作些改进。原有的加热炉即环境温度箱在加热试样的同时也对 压杆加热。当加热温度低于 200 时,尚可不考虑温度对压杆材料的影响,当加热温度很高时,被加 热的压杆不可避免的会影响到应变片测得的信号。为尽可能减少上述这种影响,我们设计加工了一种新 的加温设备。当温度低于 200 时,我们仍采用原来的方法,即试样和两侧的压杆被同时加热,由于 加热炉的体积小,沿轴线方向的温度梯度影响较小;当需求的温度高于 200 时,我们采用改进的温 度加热装置,即在加热之前先将试件和压杆系统对好,随后移去试件两侧的压杆,但仍保持在同一轴线 上,之后才开始对试样进行加热。当加热到所需的温度后,迅速将两压杆复位,发射子弹,完成冲击实 223 **基金项目:中国工程物理研究院重大基金项目(2000Z037) 作者简介:胡昌明,男,硕士研究生,主要从事材料动态力学性能方 面的研究。 第三届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集 验,以减少温度对杆材模量的影响。 我们采用的实验装置如图1 所示。恒温加热装置由加热炉、热电偶探头、电源和控制箱组成,在设 定的试验温度下,继电器根据来自热电偶的温度反馈控制电源以达到恒温的目的。 1413 12 11 10 1-子弹,2-入射杆,3-应变片,4-试样,5-透射杆,6-吸收杆,7-缓冲器,8-热电偶,9-加热炉,10-控制箱,11-电源,12-超动态应变仪,13 示波器,14-计算机 SHPB装置加热示意图 Projectile,2-Input bar, 3-Strain gage, 4-Specimen, 5-Output bar, 6-Momentum bar, Momentumtrap, Thermalcouple, 9-Furnace,10-Control box,11-Power, 12-Amplifier,13-Digital oscilloscope,14-Computer Fig. SplitHopkinson bar Apparatus SHPB 高温实验 本实验中,我们采用的入射杆和透射杆的尺寸均为φ14.5 mm800 mm,试样尺寸为φ12 mm6 mm,设定的环境温度为 100 、200 400,并进行不同应变率下的冲击压缩实验,相同加载 条件下的试验重复3 次,所得结果取平均。加热平衡时间10 分钟左右,使试样内部能够达到一个均匀 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 50100 150 200 250 300 350 400 strain rate: 1x10-3 -1T=16 0.000.02 0.04 0.06 0.08 50100 150 200 250 300 strain rate -1T=100 应变率:1-110-3 -1,2-973 -1,3-1476 -1,4-2231 -1Fig. :1-110-3 -1,2-973 -1,3-1476 -1,4-2231 -1224 第三届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 50100 150 200 250 300 350 strain rate -12---1500 -13--1900 -1T=200 0.000.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 50100 150 200 250 300 350 Strainrate: 1--872 -12--1450 -13--1890 -1T=400 -1Fig 不同温度下MB2的应力~应变曲线 Fig. MB2alloy differenttemperature 的温度场。将热电偶探头伸入到接近试样位置进行测量,以保证所测温度与试样的初始温度误差较小。 另外,我们还采用了波形整形实验技术,即在入射杆打击端垫上一波形整形器,以减少波形的高频震荡。 实验的部分结果如图2 所示。 从实验结果可以看出,降低加载应变率和升高温度对流动应力的影响具有某种等效性。在较高的 温度下流动应力几乎不随温度变化,呈现“平台”特征,当温度接近材料熔点(700 )的时候流动应 力又急剧下降直到几乎为零(对应流体状态)。在不同温度情况下,MB2 合金的应变率敏感程度有些不同, 这里我们取常温情况下和400时,在相同应变不同应变率下,流动应力变化情况进行比较如图3,可 以发现,MB2 在常温下应变率效应比较明显,而在高温情况下,材料的应变率效应减弱。这表明,随 着温度的升高,温度引起的热软化作用(即温度效应)在不断弱化应变率的强化效应。事实上,一旦环 境温度愈接近MB2 的熔化温度时,也就表现不出应变率的强化效应了。 -500 5001000 1500 2000 2500 120 160 200 240 ε=6% ε=4% ε=2% 5001000 1500 2000 2500 120 160 200 240 ε=6% ε=4% ε=2% 不同应变下MB2的应力~应变率的关系 Fig.3 MB2alloy differentStrain 利用不同温度、不同应变率下的实验结果,我们拟合出了MB2 合金的修正后的Johnson-Cook 关系是:225 第三届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集 (55.23060 9530 MPa结果分析与讨论 利用改进的高温加热炉,可以减少数据处理时,利用经验公式修正温度对实验结果带来的影响;同时,可以保证试样在加热过程中保持在压杆端面的中间位置,以减少试样在加热过程中偏离原来对好的 位置而对实验结果带来的影响。但是,这种加热装置也有其不利于实验的一面,那就是当试样加热到指 定的温度时,为了保证试样和压杆之间的热传导,这就要求发射装置能够快速的发射子弹,以减少试样 中热量的散失,目前,国内还没有配有这种自动发射装置,对材料加热要达到理想状态还有一定的差距。 为了满足更高精度的实验要求,还需寻求合加温装置配套的自动SHPB 实验装置发射系统。 利用这种改进的高温实验方法,得到了 MB2 合金的动态压缩的应力~应变曲线,从实验结果可 以看出,降低加载应变率和升高温度对流动应力的影响具有某种等效性,这与大多数金属材料的高温动 态力学性能是一致的。 参考文献 Gilat,A.and Wu, X.(1994) Elevated temperature testing torsionalsplit Hopkinson bar. Exper. Mech. 34, 166-170. A.M.Lennon K.T.Ramesh,A Technique DynamicBehavior HighTemperatures, International Journal Plasticity,Vol 14,NO. 12, 1279-1292,1998. Ramesh,K.T.(1963),Compression-impact testing elevatedtemperatures, Exper. Mech. 1998,307-313. 夏开文,刘文彦,唐志平,30CrMnSiA钢高温动态力学性质的实验研究,爆炸与冲击,Vol.18, NO.4, 1998,310-316. Experimental Study DynamicalMechanical Properties MB2Alloy HighTemperature ShockWave DetonationPhysics Research, Southwest Institute FluidPhysics Mianyang, Sichuan 621900 KeyLaboratory MechanicalBehavior Materials,University China,Chinese Academy SciencesHefei, Anhui 230027 ABSTRACT: Using constitutiverelations metalmaterials hightemperature highstrain rates dynamicalbehavior higherstrain rates highertemperature numericalanalysis programs has been importantmethod dynamicalproperties materials.Describing constitutiverelations including temperature effects needs some experiments lowtemperature constitutiveequations. smallstove veryhelpful dynamicalmechanical behavior materials,which can 226 第三届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集 overcome coaxialline. Furthermore, dynamicalproperties MB2alloy hightemperature highstrain rates were studied apparatus.Finally, constitutiveequation MB2alloy modifiedJohnson-Cook constitutive model. Key Words: SHPB,Effects temperature,Stress,Highstrain rates 227