[发明专利]一种高速率单向拉伸试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单向拉伸试验装置及方法。

背景技术

材料的应力-应变曲线是衡量材料力学性能最直观、最常用的方法。材料在常规受力或塑性变形下的力学性能通常用准静态拉伸应力-应变曲线来衡量。但随着现代工业和科学技术发展的需要，金属材料、建筑材料、超导材料、复合材料在瞬时冲击载荷作用、撞击等工况条件下的力学性能表现与评价尤为重要，越来越引起人们重视。如薄钢板汽车覆盖件在瞬时撞击条件下的结构完整形表现、钢筋等建筑材料在外加强冲击条件下的承载能力评价，尤其在高速率成形过程中金属材料的变形抗力与变形能力关系是科学研究和生产应用面临的难题。

以金属板材高速率成形为例，材料在高速率变形过程中的本构关系与常规成形条件下有着本质的不同，因此不能用准静态拉伸下的应力-应变曲线来衡量材料的性能。目前，研究金属材料在高速率伸长变形条件下的本构关系的常用方法是霍普金森分离式拉杆实验。霍普金森拉杆实验的原理是：将试样固定于运动杆与固定杆之间，通过运动杆的高速运动带动试样实现高速拉伸，装置中的仪器记录材料变形过程中的应力与应变，从而得到试验材料在高应变速率下的应力-应变关系曲线。对于某种具体的高速率成形方法，截至目前，金属材料的应力-应变曲线通常通过霍普金森拉杆实验间接获得，虽然在一定程度上反应了高速率变形过程对材料承载能力、流动应力的影响，但是不能直接给出材料在具体成形过程中的本构关系。另外霍普金森拉杆实验设备昂贵，在国内工程应用不普遍，实现起来比较困难，很难获得应力-应变关系曲线。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速率单向拉伸试验装置及方法，以解决采用霍普金森拉杆实验研究金属材料在高速率伸长变形条件下的本构关系存在不能直接给出材料在具体成形过程中的本构关系，且霍普金森拉杆实验设备昂贵，很难获得应力-应变关系曲线的问题。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：

本发明的一种高速率单向拉伸试验装置，所述装置包括底板、驱动片、线圈、刚性线圈限位环、绝缘隔板、线圈骨架、拉伸模具、线圈支撑套、试样固定板及两个拉杆；

线圈支撑套的中心处由下至上设有相通的内台肩孔及通孔，线圈固定在线圈支撑套的内台肩孔中，试样固定板设置在线圈支撑套的正上方，底板设置在线圈支撑套的正下方，两个拉杆相对于底座的竖向中心线对称设置，两个拉杆的下端与底板连接，拉杆与线圈支撑套及试样固定板可拆卸连接，线圈支撑套的下端设有刚性线圈限位环，线圈支撑套与刚性线圈限位环之间设有绝缘隔板，绝缘隔板为环形，刚性线圈限位环、绝缘隔板及线圈支撑套三者可拆卸连接，拉伸模具包括底座和拉伸杆，拉伸杆与底座的中心处固定连接，拉伸杆依次穿出线圈限位环、绝缘隔板、线圈骨架及线圈支撑套，驱动片设置在底座与刚性线圈限位环之间，驱动片与底座可拆卸连接，线圈两端引线与电容器组连接，由高压开关控制电容器组放电，确保装配后的驱动片紧贴于线圈绝缘隔板上。

本发明的一种实现高速率单向拉伸试验方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：先将标准拉伸试样表面印制网格，然后将标准拉伸试样的下端用第一销钉固定于拉伸模具的拉伸杆上，将标准拉伸试样的上端用第二销钉固定于试样固定板上，标准拉伸试样旁边固定有网格标准块，将高速摄像机对准标准拉伸试样标距区；

步骤二：通过高压开关控制电容器组的充/放电；先使电容器组充电完毕，之后接通高压开关，使强度为20KA~200KA的瞬间强电流通过线圈，同时使高速摄像机工作，试样在瞬间电磁力作用下实现高速向下拉伸，拉伸速率在10m/s~300m/s之间，直至拉断，高速摄像机记录试样拉伸过程每一时刻的伸长变形；

步骤三：对试验数据进行处理；试样在拉伸过程中的流动应力通过理论计算得到，而试样拉伸每一时刻的应变通过高速摄像机记录的照片分析得到；具体分析方法如下：

1)试样拉伸过程应变ε；由高速摄像机记录，借助ASAME网格应变测量系统进行测量；高速摄像机曝光时间为t，则开始变形后的第i张照片，变形时间为t·i时的应变ε_i即为ASAME网格应变测量系统测出的第i张照片的应变；

2).试样拉伸过程流动应力σ计算；

试样所受到的力由力的平衡方程得到：

F+G=F_i+F_f                    公式一