一种冲击拉伸下试件中空穴演化观测试验装置与试验方法

摘要

本发明公开了一种冲击拉伸下试件中空穴演化观测试验装置与试验方法，该观测装置包括对称布置在板条试件的两个表面的第一微应变片和第二微应变片，板条试件包括非空穴簇区和空穴簇区，板条试件固定安装于霍普金森拉杆设备上，非空穴簇区靠近输入杆，空穴簇区靠近输出杆，多片第一微应变片布置在非空穴簇区，多片第二微应变片布置在空穴之间，一片第一微应变片通过超动态应变仪与高速摄影机连接，余下的第一微应变片和全部的第二微应变片分别通过超动态应变仪与示波器连接。使用本发明后，研究人员能够方便地掌握在可控可测的冲击拉伸载荷作用下试件中空穴的演化规律。本发明也可应用于工业用与工程用含孔洞板条结构件的冲击拉伸强度与失效试验。

说明书

技术领域

本发明涉及冲击拉伸下微空穴增长与聚集规律的可观测试验装置及其试验方法，也可应 用于含孔洞板条结构件的冲击拉伸强度与失效试验。

背景技术

延性金属材料的动态拉伸断裂，从微、细观机理上，已归结为材料内部微空穴的动态成 核、增长及聚集过程。其中空穴的动态聚集诱发突变，形成材料的动态断裂。对于动态断裂 过程这一关键阶段的关注，已成为动态断裂研究的前沿。目前虽有若干关于空穴聚集的理论 模型，但尚无实验装置及实验方法进行直接检验与评估。其原因在于微空穴位于材料内部， 难于观测，况且在微空穴聚集阶段，可能又有新的空穴随机出现，这进一步增加了研究和观 测难度。目前，尚无在冲击拉伸下试件中空穴演化的观测试验装置与试验方法。此外，在工 业界或工程中，含孔洞的板条结构件很多，在可控可测冲击拉伸载荷下的性态观测往往涉及 关键技术。但是，目前也无在冲击拉伸下板条构件中孔洞演化的观测试验装置和试验方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对尚无在冲击拉伸下观测试件中空穴演化的试验装置 与试验方法的现状，提供一种冲击拉伸下试件中空穴演化观测试验装置与试验方法，采用该 空穴演化观测试验装置后，研究人员可方便地对可控可测的冲击拉伸载荷作用下试件中空穴 的演化规律进行观测和研究。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种冲击拉伸下试件中空穴演化观测试 验装置，包括对称布置在板条试件的两个表面的微应变片，所述的微应变片包括多片第一微 应变片和多片第二微应变片，所述的板条试件包括非空穴簇区和预置有多个空穴的空穴簇区， 所述的板条试件固定安装于霍普金森拉杆设备的输入杆和输出杆之间，所述的非空穴簇区靠 近所述的输入杆，所述的空穴簇区靠近所述的输出杆，多片所述的第一微应变片布置在所述 的非空穴簇区，多片所述的第二微应变片布置在所述的空穴之间，一片所述的第一微应变片 通过超动态应变仪与高速摄影机连接，余下的所述的第一微应变片和全部的所述的第二微应 变片分别通过所述的超动态应变仪与示波器连接。

所述的霍普金森拉杆设备的主体部分包括输入杆、输出杆、气体炮和吸收杆，应用时， 由气体炮发射撞击管，撞击管撞击与输入杆一端连接的撞击块，在撞击块中引起的压缩应力 脉冲在撞击块的自由端反射为拉伸应力脉冲并被定义为入射应力脉冲，入射应力脉冲在输入 杆中传播，当入射应力脉冲到达输入杆与板条试件的界面时，入射应力脉冲的一部分通过板 条试件传入输出杆并被定义为透射应力脉冲，入射应力脉冲的剩余部分被反射回输入杆并被 定义为反射应力脉冲，三种应力脉冲被置于输入杆与输出杆上的应变片测量与记录，并通过 超动态应变仪及示波器显示。

一种冲击拉伸下试件中空穴演化观测试验方法：应用霍普金森拉杆设备，对预置有空穴 簇的板条试件施加可控可测的冲击拉伸载荷，采用高速摄影技术，观测空穴簇的演化过程， 采用电测技术，确定空穴的聚集时刻。

上述试验方法具体包括以下步骤：

1）在板条试件的一端预置空穴簇形成空穴簇区，板条试件的另一端即为非空穴簇区，将 板条试件的两个表面打磨光亮；

2）在板条试件的两个表面对称布置微应变片，使多片第一微应变片布置在非空穴簇区， 多片第二微应变片布置在空穴之间；

3）将上述板条试件固定安装于霍普金森拉杆设备的输入杆和输出杆之间，并使板条试件 的空穴簇区靠近输出杆，非空穴簇区靠近输入杆；

4）将一片第一微应变片与超动态应变仪连接，再将该超动态应变仪与高速摄影机连接； 将余下的第一微应变片和全部的第二微应变片分别与上述超动态应变仪连接，再将该超动态 应变仪与示波器连接；

5）调节气体炮发射撞击管的速度，对板条试件施加可控可测的冲击拉伸载荷，板条试件 产生变形，高速摄影机记录空穴簇在不同分幅时刻下变形的图像，从而对空穴簇的演化过程 进行观测；超动态应变仪与示波器显示空穴簇区和非空穴簇区的应变变化情况，从而对空穴 的聚集时刻进行确定。

采用激光打孔或电火花打孔的方法在板条试件上预置空穴簇。

通过调节气体炮驱动撞击管撞击撞击块的速度，控制可控可测的冲击拉伸载荷的强度， 结合霍普金森拉杆设备中的测试系统测录的应力脉冲波形，通过以下公式可计算出施加在板 条试件上的可控可测的冲击拉伸载荷的大小：

F=EAε_T

其中，E为输出杆的杨氏模量，A为输出杆的横截面面积，ε_T为透射应力脉冲的应变。 可见，本发明空穴演化观测装置对施加在预置有空穴簇的板条试件上的冲击拉伸载荷可控可 测，而不仅仅是像现有的霍普金森拉杆设备那样只能提供测试试件的动态应力—应变曲线。

与现有技术相比，本发明的优点在于：一片第一微应变片通过超动态应变仪与高速摄影 机连接，余下的第一微应变片和全部的第二微应变片分别通过超动态应变仪与示波器连接。 通过分析对比高速摄影机记录的图像，可直观地判断在可控可测的冲击拉伸载荷作用下试件 中空穴的动态增长与聚集过程；由于空穴簇聚集的机理并非空穴增长致相互接触，而是因空 穴间基体的塑性失稳引起的断裂，因此，当空穴发生聚集时，由于空穴间基体的失稳，引起 布设在空穴间的第二微应变片发出的信号间断，超动态应变仪与示波器记录和显示的应力脉 冲也相应中断，从而可对空穴的聚集时刻作出相应判断。可见，本发明空穴演化观测试验方 法简单，使用本发明空穴演化观测试验装置后，研究人员能够方便地掌握在可控可测的冲击 拉伸载荷作用下试件中的空穴的演化规律，为发展空穴动态聚集理论模型提供可视的实验依 据，并可判断各种数值模拟中所用的空穴聚集理论模型的正确性。

本发明空穴演化观测试验装置也可应用于含孔洞板条结构件的冲击拉伸强度与失效试 验。在这种情况下，板条结构件上的孔洞簇也可以按需要设计，与板条试件上的空穴簇一样， 孔洞簇的构形设计与试验目的有关，设计参数包括孔洞与试件的相对尺度、孔洞间的相对尺 度与方位、孔洞簇与冲击拉伸方向的相对方位等。板条试件的冲击拉伸载荷与板条试件的孔 洞簇演化关系，对于含孔洞簇板条构件的冲击拉伸强度的评估是极其重要的。如果工业用或 工程用含孔洞簇板条构件的尺度较大，可以经缩比试验后，应用本发明空穴演化观测装置。

附图说明

图1为实施例中板条试件与霍普金森拉杆设备的连接示意图；

图2为粘贴了第一微应变片和第二微应变片的板条试件的正视图；

图3为图2的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图所示，一种冲击拉伸下试件中空穴演化观测试验装置，包括对称布置在板条试件1 的两个表面的微应变片，微应变片包括两片第一微应变片21和22和两片第二微应变片31和 32，板条试件1包括非空穴簇区11和预置有多个空穴121的空穴簇区12，板条试件1固定 安装于霍普金森拉杆设备的输入杆41和输出杆42之间，非空穴簇区11靠近输入杆41，空 穴簇区12靠近输出杆42，两片第一微应变片21和22布置在非空穴簇区11，两片第二微应 变片31和32布置在空穴121之间，一片第一微应变片21通过超动态应变仪（图中未示出） 与高速摄影机（图中未示出）连接，另一片第一微应变片22和两片第二微应变片31和32分 别通过超动态应变仪（图中未示出）与示波器（图中未示出）连接。

上述霍普金森拉杆设备的主体部分包括输入杆41、输出杆42、气体炮（图中未示出）和 吸收杆43，应用时，由气体炮发射撞击管44，撞击管44撞击与输入杆41一端连接的撞击块 45，在撞击块45中引起的压缩应力脉冲在撞击块45的自由端反射为拉伸应力脉冲并被定义 为入射应力脉冲，入射应力脉冲在输入杆41中传播，当入射应力脉冲到达输入杆41与板条 试件1的界面时，入射应力脉冲的一部分通过板条试件1传入输出杆42并被定义为透射应力 脉冲，入射应力脉冲的剩余部分被反射回输入杆41并被定义为反射应力脉冲，三种应力脉冲 被置于输入杆41与输出杆42上的应变片46和47测量与记录，并通过超动态应变仪48及示 波器49和计算机50显示。

一种冲击拉伸下试件中空穴演化观测试验方法，具体包括以下步骤：

1）采用激光打孔或电火花打孔的方法在板条试件1的一端预置空穴簇形成空穴簇区12， 板条试件1的另一端即为非空穴簇区11，将板条试件1的两个表面打磨光亮；

2）在板条试件1的两个表面对称布置微应变片，使两片第一微应变片21和22布置在非 空穴簇区11，两片第二微应变片31和32布置在空穴121之间；

3）将上述板条试件1固定安装于霍普金森拉杆设备的输入杆41和输出杆42之间，并使 板条试件1的空穴簇区12靠近输出杆42，非空穴簇区11靠近输入杆41；

4）将一片第一微应变片21与超动态应变仪连接，再将该超动态应变仪与高速摄影机连 接；将另一片第一微应变片22和两片第二微应变片31和32分别与上述超动态应变仪连接， 再将该超动态应变仪与示波器连接；

5）调节气体炮43发射撞击管44的速度，对板条试件1施加可控可测的冲击拉伸载荷， 板条试件1产生变形，高速摄影机记录空穴簇在不同分幅时刻下变形的图像，从而对空穴簇 的演化过程进行观测；超动态应变仪与示波器显示空穴簇区12和非空穴簇区11的应变变化 情况，从而对空穴121的聚集时刻进行确定。