1、 關于霍普金森桿高溫動態 實驗技術的簡單總結 匯報人：武強 主要內容一、基本理論 二、高溫實驗方法及數據處理三、高溫實驗中應該注意到的問題四、項目進展 材料在沖擊加載條件下動態力學行為的研究是許多涉及沖擊加載問題的工程設計的基礎，此外，由于數值模擬在爆炸、碰撞等工程問題的研究中扮演者越來越重要的角色，所以確定材料在高應變率和大應變等極端條件下的力學行為，對于這些材料在如此環境下的應用有著重要的意義。 自1949 年，Kolsky發明分離式霍普金森壓桿（SHPB）以來，它已被普遍認為是測試多種材料，例如金屬、陶瓷、巖石、混凝土、復合材料、聚合物和泡沫材料等，在高應變率下力學響應的一種行之有效的實

2、驗手段。 SHPB 實驗技術是建立在兩個基本假定的基礎上的，即：(1) 桿中一維應力波假定；(2) 試件內部應變/應力均勻假定；在上述兩個基本假設的基礎上，試件的平均應力 ，應變率 和應變 可由下式得到：( )st( )st0( )2sIRTSAtASTRISSLVVVLVVt21)(tTRIStSSdtVVVLdttt00)(1)()( )St (1) (2) (3)通過其一維彈性應力應變關系及彈性波理論別得到:RIRICVVV01TTCVV02 (4) (5)TRISSAEAt2)(0TRISSLCt0)(tTRISSdtLCt00)(0( )( )2sTsEAttA (6) (7) (8

3、)公式6-8即為SHPB實驗數據處理中的三波法在利用試件內部應力均勻性假設：( )( )( )IRTttt002( )( )tSRsCtt dtl 02( )( )SRsCttl 公式9-11即為常用的二波法 (9) (10) (11) 經典的SHPB實驗技術可以有效測量材料高應變率下的動態力學行為，但由于科學技術的進步, 當前工程材料的工作環境不僅僅涉及涉高應變率、大變形等極端條件, 同時還涉及高溫、高升溫率等條件，例如航空航天材料、核反應堆材料、彈靶材料等, 因此, 高溫下材料的動態力學性能稱為人們非常關心的一個問題。而經典的SHPB實驗技術無法滿足測量要求。進行改進最早在六十年代J. L

4、. Chiddister 1 、U . S. Lindholm 2 等就將分離式SHPB 裝置應用于高溫動態力學性能的測量。國內學者王春奎、夏開文、李玉龍、張方舉等也做了大量的工作。 Chiddister1Compression-impact testing of aluminum at elevated 1963 Lindholm2High strain rate testing：Tension and compression 1967 王春奎 LY-12鋁高溫屈服強度的測量 1991 夏開文30CrMnSiA鋼高溫動態力學性質的實驗研究 1998SHPB裝置應用于測量高溫動態力學性能的研究

5、 1998 李玉龍高溫SHPB實驗技術及其應用 2005 張方舉SHPB系統高溫實驗自動組裝技術 2005一種改進的金屬材料的高溫動態拉伸實驗技術 2011總體來說利用SHB測量材料高溫下的動態力學性能主要面臨兩方面的問題：一方面是實驗裝置設計上的困難；另一方面是實驗數據處理上也有一定的難度；利用SHB進行的高溫實驗時，一般是用高溫爐對試件進行加熱，而為了使試件溫度均勻，輸入桿及輸出桿都有一部分處在加熱爐中。輸入、輸出桿中形成一個溫度梯度場桿的彈性模量發生變化當信號傳播經過溫度場時，幅值會發生變化，從而對測量產生影響消除溫度影響的方法主要分為兩類利用特殊設計的實驗裝置，降低進而忽略溫度梯度的影

6、響 處理實驗數據時設法消除溫度梯度場的影響1、先只對試件加熱，采用能夠迅速運動的機械結構，實驗前快速將試件安裝在系統中，其難點是系統的準靜態對接與同步-3-4-7國外學者lennon and ramesh3采用能夠迅速運功的機械結構，能在壓力脈沖到達前的幾分之一秒內，驅動冷桿與試件接觸，并用有限元方法模擬證明了如果接觸時間非常短，試樣中溫度變化不大，在數據處理中是可以忽略試樣的溫度變化。國內學者張方舉、謝若澤4發明一套自動組裝裝置, 實驗前對試件加熱并自動保溫, 波導桿則置于加熱爐外, 實驗時進行瞬態組裝, 由此避免了導桿溫度梯度對波形的影響。自動組裝裝置的裝配同步性可控制在100ms以內,

7、且具有良好的重復性；經分析冷接觸時間若在400ms以內, 試件溫度不均勻可控制在10%以內。2、試件和波導桿之間加裝彈性隔熱保護塊，使波導桿處于室溫狀態，其關鍵是保護塊的選取。Lankford5曾經利用氧化鋁陶瓷作隔熱桿，得到了氧化鋁陶瓷在1500高溫下的動態力學性能，然而對溫度梯度的影響并未考慮。國內學者肖大武6作建立了一套組合式隔熱陶瓷短桿高溫SHPB實驗系統。在壓桿和試件之間添加耐高溫、高強度的鋁陶瓷短桿，實驗時將其和試樣同時加熱，既可保證試件溫度場恒定，同時又可避開壓桿溫度場對應力波傳播的影響。傳統接觸式高溫實驗方案，波導桿桿一部分被加熱達到桿的淬火溫度降低桿的強度，改變的彈性力學性能

8、，影響使用壽命實驗溫度不能太高不能用于測量高溫下強度仍然較高的材料在桿和試樣間添了耐高溫的A95陶瓷塊可以保證波導桿上的溫度場對其彈性性能的影響可以忽略A95陶瓷在1 000溫度下，屈服強度約2 Gpa7但是該文獻并未對陶瓷桿中溫度梯度場對波形帶來的影響進行修正，仍采用常規方法進行數據處理。3、采用熱不敏感材料制作波導桿，如采用馬氏體時效鋼或Inconel（鉻鎳鐵合金）合金鋼進行600以下高溫實驗，由于這兩種材料在此溫度下的彈性性能和波阻抗變化很小，因而可以忽略溫度梯度場所帶來的影響。4、將桿做成退拔形，以保持沿桿長度方向桿的機械波阻抗不變(Eleiche and Dufry,19759)，這

9、種方法的缺點是一種桿的形狀只適合做一種溫度Gilat 8通過研究發現，高溫實驗時桿端與應變測點之間的溫度梯度將對測量精度產生不可忽略的影響。所以為了為了消除這種影響，在實驗中采用對熱不敏感的材料制作波導桿。一些學者認為在溫度不超過攝氏300度時，溫度對桿力學性能的影響(也就是對所測信號的影響)可以忽略不計10,11，但是當溫度高于300度時必須考慮溫度的影響。文獻2中用一個統一的修正公式處理入射波與透射波：測試波導桿中的溫度分布波導桿模量隨溫度變化的規律3041atC 其中a1、 a2 為常數， 代表應變片測到的常溫下的波形， 代表溫度為T 的試件處的實際波形34201()/aCa TTa0t

10、處理實驗數據時設法消除溫度梯度場的影響J. L. Chiddister 1 把分離式SHPB 裝置應用于高溫動態力學性能的測量，將桿上的連續溫度分布簡化成五個臺階,用彈性波的透射、反射理論處理測量值從而得到真實值。1998年，夏開文等人12,13在30CrMnSiA鋼的高溫動態力學性能研究中，首先利用一維應力波傳播理論和傳熱學原理, 修正了溫度梯度場對波形測量的影響。0()mxTTTTe由傳熱學原理可知, 置于空氣中一端有一恒溫大熱源的半無限長的圓桿, 其溫度分布可表達為140TT其中m2=hp/kA，x為離熱源的距離， 為熱源溫度， 無窮遠處溫度（即為室溫），h空氣熱交換系數，p為桿截面周長

11、，k為桿的熱導率，A 為桿的橫截面積。（1）利用公式算的攝氏600度時的溫度分布在文獻1 中, J. L. Chiddister 對溫度分布作了測量, 結果與公式符合的還是比較好由實驗下獲得的不同溫度下的彈性模量19擬合出模量隨溫度線性變化的曲線擬合出一個桿模量隨溫度變化的經驗公式:3213210( )1.0/ (/)E TcTcTcTc（2）由公式（1）、（2）我們可以得到不同實驗溫度下彈性模量隨距離x的變化規律E(x)桿中一維應力波傳播控制方程組vxt0( )vE TtXvxt0()vE XtX11122111111220()()()nnnnjjjjnnnnjjjjtvvxtvvEEx對方

12、程組有限差分，采用半隱格式該差分方程組描述了波在具有溫度梯度的波導桿MN中的傳播，可以由應變片處測得的應變信號計算出MN中其它各點的應變信號。入射波經過溫度梯度場, 其形狀基本不變, 彈性段差別不大，流動段幅度有10%左右的變化尚兵15運用同樣的方法根據桿上測量的應變信號，計算出當波傳到桿上其它任意點處的應變信號。典型的處理結果，縱坐標為數字電壓信號在波形上的不同位置, 幅度變化并不一致，所以文獻2處理方法并不準確波由低溫運動到高溫時桿的應變幅值增大 此外，數值模擬也經常被用來研究SHB實驗，但一般只是涉及常溫下的動態試驗，同時考慮高溫環境下溫度梯度的文獻還很少見。 1、利用SHB進行高溫實驗

13、時，我們首先應該明白的是我們到底是要研究材料在什么微觀狀態下的力學性能。材料在高溫下保溫一段時間，其微觀結構要發生變化，而迅速加熱，立即實驗，材料的微觀結構還來不及變化，保持其出廠時的微觀狀態。上述兩種不同的研究目標，決定了不同的加熱手段，不同的實驗方法。如果保持出廠微觀狀態，最好的加熱手段就是輻射快速加熱16。2、當高溫實驗的溫度高于1000攝氏度時，如果是壓縮實驗，當前可行的方法一種是采用自動組裝裝置，另一種就是試件和波導桿之間加裝彈性隔熱保護塊（如陶瓷塊）；而對于拉伸實驗，由于加熱前試件必須與桿相聯接，所以目前還沒有行之有效的方法。3、波從高溫區傳到低溫區后，測量到的應變幅值會減小，也就

14、是高溫區的真實應變值大于應變片處測量到的應變值，而在經過修正以后，試件高溫下的應力-應變關系中，屈服應力又是比不修正時小的17 。原因在溫度場中，應變幅值的變化率與桿彈性模量的變化率不一致所致。 在600攝氏度下，由17可知修正后的高溫區的應變比測量值大了約8%，有18可知，高溫區的桿的彈性模量比常溫下降低了約15%，彈性模量的降低明顯大于應變值的增加，也就可以理解為什么修正后的屈服應力要減小。4、進行高溫動態實驗時，不僅僅是測量到的應變信號需要修正，二波法、三波法公式中涉及的彈性模量、波速也不再是常溫下的值，而是桿在高溫下對應的彈性模量與波速參考文獻：1Chiddister，JLand Ma

15、lvern,LE(1963) “Compression-impact testing of aluminum at elevatedtemperatures”ExperMech 3 81-902Lindholm，USand Yeakley，LM(1968)”High strain rate testing：Tension and compression”ExperMech ,8 1-93Lennon，AMand Ramesh KT(1998)”A technique for measuring the dynamic behavior of materials athigh temperatu

16、res”Int.J.Plast.14 1279-12924SHPB系統高溫實驗自動組裝技術5 Lankford.J.(1981)“Temperaturestrain rate dependence of compressive strength and damagemechanisms in aluminium oxide”J.Mater.Sci 16 1567-15786 組合式隔熱陶瓷短桿高溫SHPB實驗技術7 Wachtman J B，Lam D GYoungs Modulus of Various Refractory Materials as a Function Temperatu

17、reJJAmer Ceram Soc，1959，42：2542608 Gilat A. Elevated Temperature Testing with The Torsional Split Hopkinson Bar J. Exp.Mech.,1994, 34:166-1709Eleiche，AMand Duffy，J(1975)”Effects of temperature on the static and dynamic stress-straincharacteristics in torsion of ll00-0 aluminum”Int.J：Mech.Sci 17 85-9

18、510Nemat-Nasser S，Isaacs J BDirect Measurement of Isothermal Flow Stress of Metals at Elevated Temperatures and High Strain Rates with Application to Ta and Ta-W AlloysActa Mater，1997，45(3)：907-91911KraffL JM，Sullivan,AMand Tipper,CF(1954)”The effect of static and dynamic loading andtemperature on the yield stress of iron and mild steel in compression”ProcR.Soc.LondA 221 114-12712夏開文，程經毅，胡時勝SHPB裝置應用于測量高溫動態力學性能的研究J實驗力學，1998，13(3)：30731