[发明专利]一种测试材料冲击韧性的装置及方法

权利要求书

1.一种测试材料冲击韧性的装置，其特征在于：所述装置包括底座（1）、试样支撑架（2）、导向座（5）、圆筒（6）、弹簧（7）、冲头（8）、刚性支撑板（9）、驱动片（10）、线圈（11）、橡胶垫板（12）及顶盖（13）；

圆筒（6）的下端与底座（1）的上端面固定连接，导向座（5）固定于圆筒（6）内中部，刚性支撑板（9）位于冲头（8）的上端面且二者固定连接，刚性支撑板（9）的上端面固定连接有驱动片（10），驱动片（10）、刚性支撑板（9）及冲头（8）与圆筒（6）滑动配合，导向座（5）设有导向孔，冲头（8）与导向座（5）的导向孔同轴设置，冲头（8）的头部穿过导向座（5）的导向孔，冲头（8）与导向座（5）的导向孔呈间隙配合，冲头（8）的外侧套装有弹簧（7），冲头（8）的上端设有凸台（8-1），圆筒（6）内靠近其上端设有内台肩端面（6-1），线圈（11）置于驱动片（10）的上端面并固定于圆筒（6）的内台肩端面上，线圈（11）的两引线段通过高压开关（K）与高压脉冲电容器组（C）串联，线圈（11）在冲击实验过程中提供脉冲磁场力，橡胶垫板（12）放置于线圈（11）上表面，顶盖（13）设置在橡胶垫板（12）的上端面，顶盖（13）与圆筒（6）的上端可拆卸连接，试样支撑架（2）放置于底座（1）上端面，且位于冲头（8）的正下方。

2.根据权利要求1所述一种测试材料冲击韧性的装置，其特征在于：所述线圈（12）为平板线圈，线圈（12）的导线为铜导线，铜导线的横截面为矩形，相邻两根铜导线之间留有间隙，铜导线与铜导线之间用高压绝缘材料包覆隔开。

3.根据权利要求1所述一种测试材料冲击韧性的装置，其特征在于：所述驱动片（10）为紫铜板，紫铜板的厚度为5mm~8mm。

4.根据权利要求1所述一种测试材料冲击韧性的装置，其特征在于：所述圆筒（6）的外壁通过多个角形紧固件（4）与底座（1）固定连接。

5.一种利用权利要求1、2、3或4所述装置测试材料冲击韧性的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一：先将标准缺口试样（3）放置于试样支撑架（2）上，保证缺口试样（3）的缺口中心对准冲头（8）的头部；

步骤二：先使高压脉冲电容器组（C）充电完毕，之后接通高压开关（K），使瞬间强电流通过线圈（11），电流强度等级为20KA~200KA，由于电磁感应现象，驱动片（10）将受到瞬间的脉冲磁压力作用，瞬间的脉冲磁压力为5MPa~350MPa，驱动片（10）将带动刚性支撑板（9）和冲头（8）一起向下高速运动，运动速率在10m/s~100m/s之间，缺口试样（3）受到冲头（8）的冲击作用变形、断裂；

步骤三：获得材料冲击韧性；可以采用以下两种途径中的任意一种获得；

途径一；由冲头（8）在冲击缺口试样（3）前后的速度变化得到，设驱动片（10）、刚性支撑板（9）及冲头（8）的总质量为m，冲击前的速度为V₀，缺口试样（3）断裂后冲头速度为V₁，则测试材料的冲击功A_k=1/2·m(V₀²-V₁²)    公式一

途径二；对相同规格的缺口试样（3）进行多次冲击实验，得到缺口试样（3）刚好被冲头（8）冲断时的充电能量W，设所述装置的能量利用率为η，能量利用率η计算如下：

线圈（11）对驱动片（10）施加的冲量：

I=∫0πP(t)dt=mV]]>公式二

其中P(t)为磁压力，驱动片上的磁压力P(t)的计算如下：

P(t)=∫z2z1f(z)dz=12μ(Hz12-Hz22)=12μ(Bz12-Bz22)]]>公式三

其中：为驱动片上表面磁场强度；H_z2为驱动片下表面磁场强度；为驱动片上表面磁感应强度；为驱动片下表面磁感应强度，通常认为为0；、可通过磁感应强度信号测试得到；μ为介质的磁导率，可查；f(z)沿轴线方向作用于驱动片上体积磁场力密度；由公式三计算得到磁压力P(t)，再将磁压力P(t)代入公式二中，

由上述公式二计算出速度V，从而计算出该装置的能量利用率η：

η=1/2·mV21/2·CU2]]>公式四

式中：U为高压脉冲电容器组C的充电电压；

经上述公式四计算得到能量利用率η，最后将该能量利用率η及充电能量W代入材料的冲击功A_k中，

A_k=W·η，            公式五

由上述公式五计算出材料的冲击功A_k。