[发明专利]一种测试材料冲击韧性的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料冲击韧性的装置及方法，该装置及方法利用脉冲磁场力实现。

技术背景

在实际工程机械中，有许多构件常受到冲击载荷的作用，机器设计中应力求避免冲击波负荷，但由于机械结构或运行的特点，冲击负荷难以避免，为了了解材料和构件在冲击载荷下的性能，必须进行冲击实验。

冲击实验是研究材料对动载荷抗力的一种实验，冲击实验可用于鉴定材料的质量，判断冶金、加工和热处理规程的适宜性，亦可测定材料韧脆转变趋势和转变温度，同时也可评定金属材料对缺口的敏感性。

冲击实验测量出的是材料的冲击吸收功A_k和冲击韧性值α_k。A_k和α_k的大小直接反应材料在冲击作用下产生塑性变形和断裂过程吸收能量的能力，冲击实验常用的装置是摆锤式冲击实验机。摆锤式冲击实验机由摆锤、机身、支座、度盘、指针等几部分组成，其主要原理是：将带有缺口的受弯试样安放于实验机的支座上，举起摆锤使它自由下落将试样冲断。假设摆锤重量为G，冲击摆锤的质心高度由H₀变成H₁，势能的变化为G(H₀-H₁)，它等于冲断试样所消耗的功W，亦即冲击中试样所吸收的功为：A_k=W=G(H₀-H₁)，α_k=A_k/S_n，其中S_n为试样缺口底部横截面积。

摆锤式冲击实验机自问世已有百年的历史，它具有设备简便，试样加工容易，实验时间短等优点，在测量材料的冲击韧性上得到了广泛的运用。随着科学技术的发展，机械设备已向着小型化、智能化、自动化的方向发展。而目前摆锤式冲击实验机设备较为庞大，冲击初始能量不能任意调控，特别是当所需的冲击能量要求较大时，摆锤式冲击实验机可能无法实现。因此冲击实验趋于需要体积小型化、冲击能量可任意精确调控的冲击实验机。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试材料冲击韧性的装置及方法，以解决现有摆锤式冲击实验机体积庞大，冲击初始能量不能任意调控的问题。

本发明为实现上述目的，采取的技术方案是：

一种测试材料冲击韧性的装置，所述装置包括底座、试样支撑架、导向座、圆筒、弹簧、冲头、刚性支撑板、驱动片、线圈、橡胶垫板及顶盖；

圆筒的下端与底座的上端面固定连接，导向座固定于圆筒内中部，刚性支撑板位于冲头的上端面且二者固定连接，刚性支撑板的上端面固定连接有驱动片，驱动片、刚性支撑板及冲头与圆筒滑动配合，导向座设有导向孔，冲头与导向座的导向孔同轴设置，冲头的头部穿过导向座的导向孔，冲头与导向座的导向孔呈间隙配合，冲头的外侧套装有弹簧，冲头的上端设有凸台，圆筒内靠近其上端设有内台肩端面，线圈置于驱动片的上端面并固定于圆筒的内台肩端面上，线圈的两引线段通过高压开关与高压脉冲电容器组串联，线圈在冲击实验过程中提供脉冲磁场力，橡胶垫板放置于线圈上表面，顶盖设置在橡胶垫板的上端面，顶盖与圆筒的上端可拆卸连接，试样支撑架放置于底座上端面，且位于冲头的正下方。

利用测试材料冲击韧性的装置测试材料冲击韧性的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：先将标准缺口试样放置于试样支撑架上，保证缺口试样的缺口中心对准冲头的头部；

步骤二：先使高压脉冲电容器组充电完毕，之后接通高压开关，使瞬间强电流通过线圈，电流强度等级为20KA~200KA，由于电磁感应现象，驱动片将受到瞬间的脉冲磁压力作用，瞬间的脉冲磁压力为5MPa~350MPa，驱动片将带动刚性支撑板和冲头一起向下高速运动，运动速率在10m/s~100m/s之间，缺口试样受到冲头的冲击作用变形、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；由冲头在冲击缺口试样前后的速度变化得到，设驱动片、刚性支撑板及冲头的总质量为m，冲击前的速度为V₀，缺口试样断裂后冲头速度为V₁，则测试材料的冲击功

A_k=1/2·m(V₀²-V₁²)                                公式一