一种材料动态压痕实验方法

摘要

本发明公开了一种材料动态压痕实验方法，特点是先在入射杆上朝向透射杆的一端端面以及透射杆上朝向入射杆的一端端面分别固定设置被测试件，并在两个被测试件之间夹装压力球，然后在入射杆上粘贴第一应变片，在透射杆上粘贴第二应变片，并将第一应变片和第二应变片分别与超动态应变仪电连接，再撞击杆撞击入射杆，使得两个被测试件与压力球相互挤压形成压坑过程，最终通过处理后得到被测试件的压入力和压入位移的时程曲线；优点是通过该实验方法来测量材料的动态力学性能，避免了传统方法在压头与压杆联接处的阻抗失配现象以及动态加载时入射杆-压头联接处局部产生塑性变形的问题，故其测量精度高，实验的压入速度最高可达30m/s以上。

主权项

1.一种材料动态压痕实验方法，其特征在于包括以下具体步骤：（1）、取满足一维应力波条件的入射杆和透射杆，入射杆和透射杆的材料相同、直径相等，在入射杆上朝向透射杆的一端端面以及透射杆上朝向入射杆的一端端面分别设置被测试件，并使被测试件与入射杆或透射杆满足波阻抗匹配条件ρ_sC_sA_s=ρ₀C₀A₀，其中：ρ_s表示被测试件的密度，C_s表示被测试件的一维应力波波速，A_s表示被测试件的横截面面积，ρ₀表示入射杆或透射杆的密度，C₀表示入射杆或透射杆的一维应力波波速，A₀表示入射杆或透射杆的横截面面积；（2）、在两个被测试件之间夹装压力球；（3）、在入射杆上粘贴第一应变片，在透射杆上粘贴第二应变片，并将第一应变片和第二应变片分别与超动态应变仪电连接，将超动态应变仪和计算机处理系统分别与数字示波器电连接；（4）、用气炮发射撞击杆，撞击杆撞击入射杆，使得两个被测试件与压力球相互挤压形成压坑过程，同时粘贴在入射杆上的第一应变片测得入射波的应变信号ε_i(t)和反射波的应变信号ε_r(t)，粘贴在透射杆上的第二应变片测得透射波的应变信号ε_t(t)；（5）、将所测得的入射波的应变信号ε_i(t)、反射波的应变信号ε_r(t)和透射波的应变信号ε_t(t)通过以下关系式及处理过程：$\left\{\begin{array}{c}{ϵ}_i(x_I,t)={ϵ}_i(t-x_1/C_0)\\ {ϵ}_r(x_I,t)={ϵ}_r(t+x_1/C_0)\\ {ϵ}_t(x_{\mathrm{II}},t)={ϵ}_t(t+x_2/C_0)\end{array}\right.---\left(1\right)$其中：x₁为第一应变片到入射杆与被测试件接触端面I的距离，x₂为第二应变片到透射杆与被测试件接触端面II的距离，ε_i(x_I,t)表示入射杆与被测试件接触端面I处的入射波应变信号，ε_r(x_I,t)表示入射杆与被测试件接触端面I处的反射波应变信号，ε_t(x_II,t)表示透射杆与被测试件接触端面II处的透射波应变信号；P^*＝A₀E₀(ε_i(x_I,t)+ε_r(x_I,t))    (2)其中：P*表示在压入过程开始后，入射杆与被测试件接触端面I处的压力，在某一时刻将有P*=0，记此时刻为t*；当t≤t*时：$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{.}{u}\left(t\right)=\frac{1}{2}{C}_0({ϵ}_i(x_I,t)-{ϵ}_r(x_I,t)-{ϵ}_t(x_{\mathrm{II}},t))\\ u\left(t\right)=\frac{1}{2}{C}_0{\int }_0^t({ϵ}_i(x_I,t)-{ϵ}_r(x_I,t)-{ϵ}_t(x_{\mathrm{II}},t))\mathrm{dt}\\ P\left(t\right)=A_0{E}_0{ϵ}_t(x_{\mathrm{II}},t)\end{array}\right.---\left(3\right)$当t>t*时：$\left\{\begin{array}{c}{V}_0^{*}=C_0({ϵ}_i(x_I,t^{*})-{ϵ}_r(x_I,t^{*}))\\ \stackrel{.}{u}\left(t\right)=\frac{1}{2}(V_0^{*}-{\int }_{t^{*}}^t(A_0{E}_0{ϵ}_t(x_{\mathrm{II}},\tau )/M)\mathrm{d\tau })\\ u\left(t\right)={\int }_0^t\stackrel{.}{u}\left(t\right)\mathrm{dt}\\ P\left(t\right)=A_0{E}_0{ϵ}_t(x_{\mathrm{II}},t)\end{array}\right.---\left(4\right)$最终得到被测试件的压入力、压入速度和压入位移的时程曲线，从而用以进行材料的动态力学性能分析和研究；上述关系式（2）、（3）、（4）中，P表示作用在被测试件上的压入力、表示压力球压入被测试件的速度，u表示压力球压入被测试件的位移，E₀表示入射杆或透射杆材料的杨氏模量，M表示被测试件的质量，表示t*时刻的接触端面I的速度，ε_i(x_I,t^*)表示t*时刻入射杆与被测试件接触端面I处的入射波应变信号，ε_r(x_I,t^*)表示t*时刻入射杆与被测试件接触端面I处的反射波应变信号。