[发明专利]一种金属材料动态断裂性能的表征方法

说明书

本发明公开了一种金属材料动态断裂性能的表征方法，属于材料动态力学实验技术领域。使用分离式霍普金森压杆对标准三点弯曲样品进行动态加载，表征参量为标准三点弯曲样品发生动态断裂时消耗的能量值。分离式霍普金森压杆为的分离式霍普金森压杆，加载气压为2atm～4atm，变形应变率为10³s^‑1～10⁴s^‑1，分离式霍普金森压杆的入射杆末端和透射杆前端均装有冲头，用于加载和支撑样品，入射杆和透射杆上贴有应变片，并通过信号采集系统获得加载过程中入射波、透射波和反射波的应力‑时间曲线。本发明的方法可定量表征金属材料在应变率为10³s^‑1～10⁴s^‑1下的动态断裂性能。

技术领域

本发明涉及一种金属材料动态断裂性能的表征方法，属于材料动态力学实验技术领域。

背景技术

材料动态变形及失效行为是指材料在高应变率(高于5/s)条件下的力学行为，涉及到如爆炸成形、冲击合成、高速侵彻和冲击防护等诸多民用及军用领域。

研究已证实，材料的动态力学行为和准静态力学行为之间存在明显差异：在准静态条件下，材料发生变形的应变速率较低，材料内部的每个单元在任何时间点都可视为处于应力平衡和热平衡的状态；而在动态条件下，变形的应变速率较高，此时，材料内部则偏离了应力平衡状态和热平衡的状态，不仅变形机制可能与准静态下发生区别，而且还有可能发生准静态条件下不会出现的破坏方式(如绝热剪切破坏)。因此，仅了解材料的准静态力学行为并不能帮助研究人员预测材料在高应变率下的宏观动态力学性能和失效条件。

已有大量研究表明，材料的断裂行为和加载速率有关，动态加载下的断裂性能和准静态加载下的断裂性能有着显著的不同，因此，准静态条件下材料的表征方法和表征参量对动态下的断裂性能研究并不适用。

目前，常用的表征材料动态断裂性能的常用参量有动态断裂韧性K_Id、起裂时间和裂纹传播速度等，以上表征量都与时间参量密切相关，这是动态断裂性能表征参量与准静态下表征参量的最大区别。

为研究材料的动态断裂性能，有大量测试表征的尝试性研究，但测试方法和表征方法尚未形成标准。按加载设备，可将目前动态断裂性能的表征实验分为Charpy/摆锤冲击法和SHPB(分离式霍普金森Hopkinson压杆)加载法。其中，SHPB加载法开展动态断裂性能的研究，该方法是将分离式霍普金森杆进行改装，实现对一点弯曲试样、三点弯曲试样、单边切口拉伸试样、双边切口拉伸板状试样、中心切口拉伸试样或紧凑拉伸试样进行加载，其中，应用较广泛的是仅使用子弹和楔形入射杆对三点弯样品加载的方式，对应的表征参量是K_Id。以SHPB进行动态断裂性能研究的优点：一是加载获得的裂纹传播速度可轻易达到10⁵MPam^1/2s^-1量级，二是这是一种示波冲击研究方法，可通过在波导杆上贴应变片的方法来获得载荷-时间曲线，并可通过在样品上贴应变片的方法获知样品的起裂时间。

虽然SHPB加载法具有以上优点，但这种方法至今无法形成标准，有以下三点原因：第一是起裂时间的测定不准确；第二是试件的设计及其联接较为困难；第三是应力强度因子难以实时测量，目前应用的均为依靠模拟产生的近似公式，因此，得到的K_Id值很大程度上受到选择模型的影响，所得结果并不一定准确。

尽管利用SHPB进行动态断裂性能的研究还存在以上问题，但因其是符合实验室条件下的测试方法，且操作便捷，值得尝试对该设备进行进一步改装、并提出新的表征参量，使其适用于动态断裂性能的研究。

因此，提出一种基于SHPB设备的金属材料动态断裂性能的表征方法，实现对金属材料抵抗动态断裂能力的表征，起裂时间测定准确，方便实验，测量更精准，达到实际应用水平；就成为该技术领域急需解决的技术难题。

发明内容