材料在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能對(duì)于研究爆炸、高速碰撞、動(dòng)態(tài)斷裂、彈塑性應(yīng)力波傳播等動(dòng)力學(xué)響應(yīng)過程具有重要意義，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是開展數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)[2]。

【前言】

金屬材料力學(xué)性能的研究涉及了很多因素，不僅與材料性質(zhì)有關(guān)，而且與外部加載條件如加載速率、溫度、加載的大小、方向有關(guān)，甚至和材料的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中加載應(yīng)變率、加載應(yīng)力狀態(tài)是兩個(gè)重要的影響因素[1]。不同應(yīng)變率加載條件下材料表現(xiàn)出不同的響應(yīng)特點(diǎn)，在高應(yīng)變率動(dòng)載作用下，材料在高應(yīng)變率載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為與準(zhǔn)靜態(tài)有很大不同，材料的流變形為同時(shí)受應(yīng)變硬化、應(yīng)變率硬化及熱軟化共同作用。

【主要載荷形式】

金屬材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能涉及的主要載荷主要有兩種：沖擊載荷及爆炸載荷。下面對(duì)這兩種載荷形式進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

（1）沖擊

沖擊是以很大的速度將載荷作用到物體上的一種加載方式。在這種載荷作用下，作用力在極短的時(shí)間內(nèi)有很大的變化幅度。生產(chǎn)有時(shí)要利用沖擊載荷來實(shí)現(xiàn)靜載荷難以達(dá)到的效果，如鑿巖機(jī)、沖床、鍛錘及鉚釘槍等都是利用沖擊載荷進(jìn)行工作的。沖擊載荷和靜載荷的主要區(qū)別在于他們的加載速度不同。加載速度指的是單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上載荷增加的數(shù)值，其量綱是MPa/s。由于加載速度的增加，變形速度也就隨之增加。變形速度指的是單位時(shí)間的形變量，有兩種表示方法：（1）變形速度（2）應(yīng)變速率。由于載荷的沖擊性，使得材料的塑性變形機(jī)制、斷裂機(jī)制和抗力有明顯變化。

生產(chǎn)實(shí)踐和研究結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變速率處于10-4-10-2/s范圍內(nèi)，金屬的力學(xué)行為沒有明顯的變化，可按靜載處理；當(dāng)應(yīng)變速率處于102-106/s時(shí)，金屬力學(xué)行為將發(fā)生顯著變化，因此必須考慮由于變形速度增大而給材料力學(xué)行為帶來的一系列變化[3]。圖1給出了沖擊試驗(yàn)示意圖。

圖1 沖擊實(shí)驗(yàn)示意圖

（2）爆炸

爆炸是一種偶遇荷載，峰值壓強(qiáng)大，作用時(shí)間短，給結(jié)構(gòu)構(gòu)件帶來很大的動(dòng)力沖擊，使材料產(chǎn)生應(yīng)變率效應(yīng)的同時(shí)，也使構(gòu)件產(chǎn)生不可忽略的慣性，因此需要進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析，并在分析中采用應(yīng)變率相關(guān)的材料模型。

爆炸荷載是非常不穩(wěn)定的荷載，在千分之幾毫秒內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生巨大的變化，但通?？梢院?jiǎn)化成三角形或雙峰值加載模型。文獻(xiàn)[4]研究認(rèn)為爆炸發(fā)生在室內(nèi)時(shí)，會(huì)在地面附近形成一熱空氣層，沖擊波在熱層中的傳播速度要比在未加熱的空氣中快，因而產(chǎn)生前驅(qū)附加沖擊波，在主激波前傳播，這種前驅(qū)效應(yīng)通常使峰值壓力降低、升壓時(shí)間增加以及動(dòng)壓增加。前驅(qū)效應(yīng)不僅影響波的參數(shù)，而且改變了波形，典型的前驅(qū)波有兩個(gè)壓力峰值，第一個(gè)峰值小于第二個(gè)峰值；Smith 等人[5]提出了在對(duì)氣體有約束泄壓的情況下發(fā)生爆炸時(shí)爆炸波的峰值特征標(biāo)準(zhǔn)時(shí)程曲線；Bruce[6]給出了爆炸超壓模擬的幾種新方法，通過合理的不確定性評(píng)估得到設(shè)計(jì)壓力的還原值，并討論了與概率方法相關(guān)界限，并給出了證明這些界限的方法；天津大學(xué)的徐慧和楊靖海[7]采用日本學(xué)者惠美洋彥提出的等效 TNT 方法，估算了可燃?xì)怏w泄漏引發(fā)爆炸產(chǎn)生的最大壓力，研究爆炸載荷作用下構(gòu)件的變形和破損的定量評(píng)估；大連理工大學(xué)的丁信偉和楊國(guó)剛實(shí)驗(yàn)研究了內(nèi)置半球柵條形障礙物半徑、柵條寬度與空隙寬度 3 個(gè)參數(shù)對(duì)可燃?xì)庠票▓?chǎng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該類型障礙物對(duì)可燃?xì)庠票ㄍτ休^大的增強(qiáng)作用,最大超壓可達(dá)無障礙物時(shí)的 10 倍以上。上述各研究表明，爆炸荷載會(huì)隨著爆炸物類型、爆炸場(chǎng)地、泄壓條件、有無障礙物等因素而改變。圖2展示了爆炸載荷示意圖。

圖2   爆炸載荷示意圖

【主要測(cè)試方法及技術(shù)】

測(cè)量高應(yīng)變率下材料的力學(xué)性能參數(shù)，如今主要常用的是 Hopkinson 桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)；若進(jìn)行更高應(yīng)變率的研究，可采用一級(jí)或多級(jí)輕氣炮撞擊，炸藥爆炸加載等方法，并結(jié)合 VISAR 和錳銅壓阻技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究[8]。下面對(duì)主要測(cè)試方法及技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

（1）霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)

Hopkinson 壓桿技術(shù)是由霍普金森在 1914 年提出的，克萊斯蓋（Kolsky）在 1948年對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，將壓桿分為兩截，試件夾在兩桿之間，這使 Hopkinson 壓桿技術(shù)得到了成功發(fā)展，使其推廣到用以研究材料在高應(yīng)變率下力學(xué)性能及動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系的領(lǐng)域[9]。SHPB 實(shí)驗(yàn)裝置是能夠測(cè)量材料在 102~104/s 應(yīng)變率范圍內(nèi)的力學(xué)性能。Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)不斷發(fā)展，出現(xiàn)了帶有同步組裝系統(tǒng)的高溫 Hopkinson 壓桿技術(shù)以及微型SHPB 技術(shù)。

在 SHPB 實(shí)驗(yàn)過程中，將短試件放在兩根壓桿之間，通過氣室加載推動(dòng)撞擊桿使之以一定的速度撞擊入射桿，產(chǎn)生沖擊脈沖對(duì)試件進(jìn)行加載。同時(shí)利用分別粘貼在入射桿和透射桿上并距桿端一定距離的應(yīng)變片來記錄脈沖信號(hào)。SHPB 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物如圖3。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖 4所示。

圖3 Hopkinson 壓桿實(shí)驗(yàn)裝置

圖 4 Hopkinson 壓桿實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

根據(jù)一維應(yīng)力波理論[10]，當(dāng)子彈以一定速度撞向入射桿時(shí)，在其中形成一列入射應(yīng)力波向試樣方向傳播，入射脈沖的長(zhǎng)度是子彈長(zhǎng)度的2倍，脈沖幅值與撞擊速度成正比，入射波到達(dá)試樣與入射桿的接觸面后，一部分被反射，反射波沿入射桿以拉伸波的形式返回，另一部分波通過試樣透射進(jìn)透射桿，由于加載脈沖的作用時(shí)間比試樣中波的傳播時(shí)間要長(zhǎng)的多，所以這里忽略試樣內(nèi)部波的傳播效應(yīng)。吸收桿在透射桿的后方，其端部與大質(zhì)量的鉛塊接觸，吸收透射桿傳來的無用動(dòng)量。在入射桿和透射桿到試樣距離相等處沿壓桿徑向安裝應(yīng)變傳感器，它把應(yīng)力波在桿中產(chǎn)生的應(yīng)變轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，通過示波器記錄下來，根據(jù)一維彈性波傳播理論則可以計(jì)算出試樣的應(yīng)力和應(yīng)變。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)就可以繪制出應(yīng)力應(yīng)變曲線，這便是研究金屬材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能所需要的。圖5展示了G50鋼準(zhǔn)靜態(tài)壓縮及動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線[11]。

圖5 G50鋼動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

（2）爆炸測(cè)試

常用的爆炸壓力測(cè)試方法大致分為以下幾種：機(jī)械法、應(yīng)變法、壓電法和壓阻法。

機(jī)械式：機(jī)械式壓力傳感器曾經(jīng)在早期的試驗(yàn)中廣泛使用。由于機(jī)械慣性的存在，使它們不能響應(yīng)快速變化的壓力，因而研制了其它形式的壓力傳感器。但機(jī)械式依然有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、可靠、抗振性能好、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，在大藥量的試驗(yàn)中， 依然是測(cè)量空氣沖擊波壓力的主要手段之一。這種傳感器的最大缺點(diǎn)就是只能測(cè)量靜態(tài)的峰值壓力。在瞬態(tài)的壓力測(cè)量中，嚴(yán)重的依賴脈沖寬度和流場(chǎng)的作用方向，只適用于大藥量的爆炸測(cè)量。

應(yīng)變式：因?yàn)榱W(xué)學(xué)科的發(fā)展，應(yīng)變測(cè)量技術(shù)發(fā)展比較成熟。早期的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量就應(yīng)用了應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，發(fā)展了各種形式的應(yīng)變式壓力傳感器。應(yīng)變式壓力傳感器的形式較多。但它們的基本思想都是將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥栽淖冃危ㄟ^測(cè)量該變形值來得出外加的壓力?？偟膩碚f，這類壓力傳感器的響應(yīng)頻率較低，適用于大藥量爆炸壓力或較遠(yuǎn)距離的沖擊波壓力測(cè)量。

壓電法：在外界壓力作用下產(chǎn)生電荷效應(yīng)，并使負(fù)載元件獲得有用的電壓或電流信號(hào)，這種效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)制成的傳感器稱為壓電傳感器， 具有靈敏度適中、響應(yīng)速度快、線性范圍寬、過載能力強(qiáng)、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

壓阻式：壓阻式壓力傳感器是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成的。它的特點(diǎn)是靈敏度高、線性遲滯誤差小、響應(yīng)快、工作頻帶寬、體積小、質(zhì)量輕，對(duì)被測(cè)流場(chǎng)的干擾小，抗沖擊性能也好。但用半導(dǎo)體壓阻壓力傳感器測(cè)量沖擊波壓力時(shí)，傳感器的輸出具有100%的過沖， 必須采用低通濾波器濾波。因而壓力測(cè)試系統(tǒng)的上限頻率不高，限制了它在沖擊波壓力測(cè)試中的應(yīng)用。

因?yàn)楸ㄟ^程時(shí)間極短，通常100kHz以上的采樣頻率才滿足信號(hào)的測(cè)試要求。故傳感器的響應(yīng)頻率應(yīng)為被測(cè)信號(hào)頻率的5-10倍，工作頻率應(yīng)為被測(cè)信號(hào)的1.2-1.5倍。適用于爆炸過程的低壓動(dòng)態(tài)測(cè)量傳感器有兩種：一種是壓電式，一種是壓阻式。

圖6為一種壓阻法測(cè)試系統(tǒng)線路圖。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)該是傳感器和二次儀表及采集裝置分開，二者采用專用電纜線相連， 以保證信號(hào)質(zhì)量，同時(shí)信號(hào)線深埋于地下不影響自由場(chǎng)的分布。

圖6 一種壓阻式測(cè)試系統(tǒng)線路圖

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