李鵬輝,郭偉國(guó),劉開(kāi)業(yè),王建軍,譚學(xué)明

(西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，陜西 西安 710072)

同分離式Hopkinson壓桿(SHPB)一樣，分離式Hopkinson拉桿(SHTB)是測(cè)試材料在高應(yīng)變率下拉伸力學(xué)性能的一種有效方法。但高溫SHTB實(shí)驗(yàn)要求，既實(shí)現(xiàn)高應(yīng)變率，又同時(shí)使試樣處在高溫、加載桿處在較低溫度。由于拉伸加載時(shí)試樣必須與加載桿連接，導(dǎo)致Hopkinson拉桿在高溫下測(cè)試材料性能非常困難。

20世紀(jì)60 年代，Gilat等[1]將高溫下Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)方法分為兩類：在線加熱方式和預(yù)加熱方式。在線加熱是指，當(dāng)試樣和加載桿連接好后，直接對(duì)試樣進(jìn)行加熱。由于試樣與加載桿直接接觸，加載桿溫度不可避免地也會(huì)相應(yīng)升高，進(jìn)而在加載桿上造成溫度梯度。佟景偉等[2]提出，當(dāng)試樣溫度為500 ℃時(shí)，與室溫的拉桿之間的溫度梯度引起的應(yīng)變和彈性模量相對(duì)誤差分別為17.9%和13.3%，必須進(jìn)行修正。夏開(kāi)文等[3]利用傳熱學(xué)原理采用有限差分法對(duì)30CrMnSiA 在600 ℃下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了修正。過(guò)高的溫度會(huì)造成材料微觀組織的變化，溫度修正方法可實(shí)現(xiàn)的溫度不能超過(guò)加載桿的相變溫度。為縮短熱量傳遞時(shí)間，Rosenberg等[4]通過(guò)對(duì)感應(yīng)線圈加載高頻電流，可在1 min內(nèi)將試樣加熱到700 ℃。但由于超大電流流過(guò)試樣，可能對(duì)材料內(nèi)部聲子運(yùn)動(dòng)造成影響，而聲子阻力是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)黏曳阻力的重要來(lái)源。另一種加熱方式是預(yù)加熱方式，F(xiàn)rantz等[5]首次建立一種彈性壓桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，預(yù)先獨(dú)立加熱試樣，利用機(jī)械裝置推動(dòng)加載桿與試樣接觸，接觸時(shí)間可以控制在50～150 ms。

在目前高溫SHTB實(shí)驗(yàn)方法中，基本都使用在線加熱，允許的實(shí)驗(yàn)溫度較低，加載桿端長(zhǎng)時(shí)間在高溫下撞擊使用，會(huì)大幅度縮短壽命，影響實(shí)驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確性。因此，本文中提出一種改進(jìn)的高溫SHTB實(shí)驗(yàn)方法，將試樣與拉桿連接形式改進(jìn)為鉤掛連接，對(duì)狗骨狀平板試樣預(yù)先單獨(dú)加熱，利用兩套氣動(dòng)同步裝置推動(dòng)試樣與拉桿完成快速組裝，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的材料高溫SHTB測(cè)試。針對(duì)這種高溫SHTB實(shí)驗(yàn)技術(shù)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，通過(guò)數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)以及幾種典型材料的高溫動(dòng)態(tài)拉伸性能測(cè)試相結(jié)合的方法進(jìn)行深入討論，以期獲得一些重要結(jié)論。

1 高溫SHTB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

目前的SHTB中試樣與加載桿的連接主要存在螺紋連接、膠粘連接和銷釘連接等3種常用的連接形式，如圖1(a)～(c)所示。可以看出，3種連接形式都屬于固定連接，無(wú)法短時(shí)間內(nèi)完成組裝，并且連接形式的復(fù)雜性，如螺紋連接的間隙、螺紋尺寸、膠層厚度以及銷釘預(yù)緊力等，容易造成應(yīng)力波在連接處會(huì)產(chǎn)生較大的反射，引起測(cè)試誤差。

針對(duì)常規(guī)拉伸試樣連接方式無(wú)法離線加熱的限制，我們提出一種狗骨狀鉤掛式平板試樣，如圖1(d)所示。試樣被設(shè)計(jì)成兩端帶凸臺(tái)的板狀形式，加載桿端部為帶掛鉤的卡槽，通過(guò)加載桿卡槽與試樣凸臺(tái)的接觸面?zhèn)鬟f拉伸載荷，連接方式簡(jiǎn)單，接觸面緊密，為高溫SHTB實(shí)驗(yàn)預(yù)加熱試樣后快速組裝提供了基礎(chǔ)。這個(gè)高溫SHTB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)SHPB、SHTB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[6-7]的基礎(chǔ)上，通過(guò)加裝高溫爐和氣動(dòng)組裝系統(tǒng)完成的，采用離線加熱即試樣與加載桿脫離進(jìn)行加熱，利用氣動(dòng)同步組裝機(jī)構(gòu)推動(dòng)試樣與加載桿快速組裝[8]，同時(shí)完成加載，可以有效地避免加載桿溫度過(guò)高對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的影響，無(wú)須溫度修正，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

圖2為高溫SHTB同步組裝系統(tǒng)的示意圖，主要由SHTB加載系統(tǒng)、高溫爐、兩個(gè)氣動(dòng)同步氣缸、導(dǎo)軌和控制氣路組成。兩個(gè)加載桿端部加工出凹槽，尺寸與鉤掛式試樣尺寸配合。高溫爐采用硅鉬棒加熱，加熱溫度可達(dá)1 600 ℃。導(dǎo)軌采用氧化鋁陶瓷材料，避免加熱過(guò)程中表面發(fā)生氧化與試樣表面發(fā)生粘連，影響試樣的推動(dòng)。如圖3所示，高溫SHTB實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要分為兩步。

圖1 SHTB試樣連接形式Fig.1 Connection forms of SHTB specimen

圖2 高溫SHTB實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of SHTB experimental process at high temperature

圖3 高溫SHTB實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Illustration of setup for high temperature SHTB experiment

第1步：將試樣置于位于加載桿側(cè)面的陶瓷導(dǎo)軌之上，使它位于高溫爐中央；調(diào)整入射桿和透射桿的位置，以確保組裝過(guò)程中試樣能順利進(jìn)入加載桿卡槽之內(nèi)；通過(guò)加熱裝置將試樣加熱到預(yù)定溫度。

第2步：打開(kāi)雙通道發(fā)射閥門，主氣室內(nèi)的壓縮空氣推動(dòng)撞擊桿撞擊入射桿端部法蘭盤，產(chǎn)生加載波；同步氣室內(nèi)的壓縮空氣一部分進(jìn)入同步發(fā)射機(jī)構(gòu)1推動(dòng)試樣沿導(dǎo)軌進(jìn)入加載桿卡槽，一部分進(jìn)入同步發(fā)射機(jī)構(gòu)2向后拖動(dòng)透射桿以消除試樣與加載桿卡槽之間的配合間隙。之后，加載波傳播至試樣處完成加載。

2 高溫SHTB實(shí)驗(yàn)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

2.1 拉伸試樣尺寸的優(yōu)化

試樣在動(dòng)態(tài)拉伸變形過(guò)程中，需要處于一維應(yīng)力狀態(tài)并且沿軸向均勻變形，但由于試樣端部的影響，其實(shí)際受力狀態(tài)往往偏離這個(gè)狀態(tài)。在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，通常盡量使試樣標(biāo)距段足夠長(zhǎng)以消除端部影響，但對(duì)于SHTB實(shí)驗(yàn)，標(biāo)距段長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)限制了更高應(yīng)變率的實(shí)現(xiàn)。我們利用ABAQUS/Explicit有限元軟件討論鉤掛式平板試樣尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的影響。

圖4給出了不同應(yīng)變率下利用鉤掛式平板試樣的數(shù)值模擬流動(dòng)應(yīng)力曲線與本構(gòu)模型輸入曲線的對(duì)比，可以看出在1 000和5 000 s-1下數(shù)值模擬結(jié)果與模型曲線均基本吻合，說(shuō)明本文中采用的數(shù)值模擬方法是有效的。圖5給出建議的有效試樣尺寸設(shè)計(jì)及圖紙，建議標(biāo)距段長(zhǎng)寬厚比例為8∶6∶1.2，該試樣尺寸廣泛適用于金屬材料的動(dòng)態(tài)拉伸測(cè)試。

圖4 數(shù)值模擬流動(dòng)應(yīng)力曲線與輸入曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of simulated flow stress curve with input curves

圖5 鉤掛式平板試樣尺寸設(shè)計(jì)Fig.5 Size design of hook joint flat specimen

如圖6(a)所示，固定試樣寬度W=6 mm，試樣厚度T=1.2 mm，選取不同試樣長(zhǎng)度L為4、6、8、10、12 mm，可以看出，不同試樣長(zhǎng)度對(duì)材料流動(dòng)應(yīng)力的影響在應(yīng)變初期較小，在應(yīng)變后期較明顯。材料拉伸強(qiáng)度隨試樣長(zhǎng)度的增加而升高。圖6(b)給出了不同試樣寬度對(duì)材料流動(dòng)曲線的影響，可以看出材料標(biāo)距段的寬度對(duì)材料測(cè)試的影響較明顯。材料流動(dòng)應(yīng)力隨著標(biāo)距段寬度的增加而升高。選取不同試樣標(biāo)距段厚度，試樣在不同真實(shí)應(yīng)變(0.02、0.05、0.10)下的真實(shí)應(yīng)力，如圖6(c)所示。可以看出，在標(biāo)距段厚度為1～1.6 m范圍，材料流動(dòng)應(yīng)力隨標(biāo)距段厚度的變化波動(dòng)較小，趨于平穩(wěn)，說(shuō)明在這個(gè)范圍內(nèi)應(yīng)力分布較均勻。當(dāng)標(biāo)距段厚度取極端(0.1 m)時(shí)，材料流動(dòng)應(yīng)力偏差較大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。當(dāng)標(biāo)距段厚度大于2 mm時(shí)，材料流動(dòng)應(yīng)力隨厚度的增加逐漸降低。考慮到高溫SHTB裝置中組裝機(jī)構(gòu)的要求，選定試樣標(biāo)距段厚度為1.2 mm?？紤]拉伸試樣過(guò)渡段尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試準(zhǔn)確性的影響，選定標(biāo)距段長(zhǎng)度為8 mm，寬度為6 mm，厚度為1.2 mm，選取不同的過(guò)渡段半徑R分別為0、1、2、3和4 mm進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖6(d)所示?？梢钥闯觯煌倪^(guò)渡段尺寸對(duì)試樣的屈服強(qiáng)度影響較小。隨著應(yīng)變的增大，過(guò)渡段尺寸對(duì)試樣真實(shí)應(yīng)力的影響增大。相同應(yīng)變下的真實(shí)應(yīng)力隨著過(guò)渡段尺寸的增加而減小。陳滔等[10]提出，拉伸試樣過(guò)渡段的變形會(huì)引起拉伸應(yīng)變測(cè)量計(jì)算一定的失真。當(dāng)試樣過(guò)渡段與標(biāo)距段比值小于0.25時(shí)，相對(duì)偏差約為5%，可忽略。本文中通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出相似的結(jié)論，無(wú)過(guò)渡段時(shí)，在試樣連接段和標(biāo)距段根部出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。當(dāng)選取較小的過(guò)渡段尺寸(R=1 mm)時(shí)，過(guò)渡段變形量對(duì)試樣應(yīng)變測(cè)量的影響小于10%，與輸入曲線的誤差較小。

圖6 試樣尺寸對(duì)流動(dòng)應(yīng)力曲線的影響Fig.6 Effect of specimen size on flow stress curve

對(duì)于不同長(zhǎng)寬比，試樣在不同名義應(yīng)變(0.10、0.15、0.20)下沿軸向的工程應(yīng)變分布，如圖7(a)所示。名義應(yīng)變由加載桿上的反射應(yīng)變求得?？梢钥闯觯瑢?duì)于不同長(zhǎng)寬比，試樣標(biāo)距段根部應(yīng)變比中間部位小。隨著長(zhǎng)寬比的增加，標(biāo)距段中間部位應(yīng)變分布均勻的區(qū)域增大。圖7(b)為試樣軸向應(yīng)力沿寬度方向的分布情況。隨著長(zhǎng)寬比增大，試樣沿寬度方向應(yīng)力分布均勻性增加，試樣變形更接近一維應(yīng)力狀態(tài)。采用公式η=σmax-σmin，表征試樣偏離一維應(yīng)力狀態(tài)的程度，當(dāng)L/W=8/6和L/W=10/6時(shí)，沿寬度方向應(yīng)力偏離程度小于3%，當(dāng)L/W=6/6時(shí)，試樣偏離一維應(yīng)力的程度超過(guò)6%。當(dāng)試樣長(zhǎng)寬比L/W≥8/6時(shí)，試樣達(dá)到較好的軸向應(yīng)變均勻性，且試樣變形接近一維應(yīng)力狀態(tài)?？紤]試樣過(guò)長(zhǎng)將限制SHTB實(shí)驗(yàn)所能實(shí)現(xiàn)的最大應(yīng)變率，建議長(zhǎng)寬比為8∶6。

圖7 鉤掛式板狀試樣不同長(zhǎng)寬比下應(yīng)力和應(yīng)變分布Fig.7 Flat hook-joint specimen’s stress and strain distribution at different ratios of length to width

為驗(yàn)證鉤掛式平板試樣的有效性，分別通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)鉤掛式試樣的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)中鉤掛式平板試樣均為長(zhǎng)度8 mm、寬度6 mm、厚度1.2 mm，螺紋連接試樣標(biāo)距段直徑為5 mm、長(zhǎng)度為5 mm。數(shù)據(jù)處理方法選取為Hopkinson拉伸實(shí)驗(yàn)中經(jīng)典“一波法”理論。圖8(a)為鉤掛連接與螺紋連接數(shù)值模擬結(jié)果與本構(gòu)模型輸入曲線的對(duì)比，三者基本重合, 可以說(shuō)明本文中所采用的數(shù)值模擬方法以及參數(shù)設(shè)定合理，模擬結(jié)果有效。圖8(b)為鉤掛連接和螺紋連接兩種形式的45鋼在1 000 s-1、室溫下的SHTB實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)比，每種試樣形式重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次。結(jié)果表明，鉤掛連接形式的流動(dòng)應(yīng)力曲線與螺紋連接基本一致。相比螺紋連接流動(dòng)曲線在應(yīng)變初期出現(xiàn)的劇烈抖動(dòng)，鉤掛連接流動(dòng)應(yīng)力曲線的抖動(dòng)較小，能更真實(shí)地表征材料的塑性流動(dòng)行為。

圖8 鉤掛連接與螺紋連接數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of numerical simulation and experimental results between hook joint and thread connection

2.2 加載桿溫度梯度的實(shí)驗(yàn)誤差分析

圖9 鈦合金TC4彈性模量隨溫度變化Fig.9 Elastic modulus of titanium alloy TC4 versus temperature

T/℃|δE|/%Ref.[12]Ref.[13]1000.51.02004.23.53006.010.140010.320.050022.937.060024.462.670028.080037.7

2.3 冷接觸時(shí)間分析

試樣與加載桿完成組裝和應(yīng)力波對(duì)試樣開(kāi)始加載之間的時(shí)間間隔稱為冷接觸時(shí)間(cold contact time，CCT)。對(duì)于本高溫SHTB實(shí)驗(yàn)方法，存在兩次冷接觸過(guò)程。第1次為試樣加熱至預(yù)定溫度后在溫度較低的導(dǎo)軌上滑動(dòng)的過(guò)程；第2次為試樣從進(jìn)入加載桿卡槽到加載波開(kāi)始加載，高溫試樣與卡槽接觸的過(guò)程。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)過(guò)程的時(shí)間，如圖10所示。t1、t2、t3分別為閥門打開(kāi)后氣室內(nèi)的氣體沿氣路進(jìn)入發(fā)射炮管、同步氣缸1和同步氣缸2的時(shí)間。t4為撞擊管由初始位置到與加載桿法蘭盤撞擊所用時(shí)間，t4=2L/v；t5為入射波沿入射桿傳播到試樣處所用時(shí)間，t5=L1/c0；t6為同步氣缸1開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到推動(dòng)試樣進(jìn)入加載桿卡槽所用時(shí)間，t7為同步氣缸2開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到試樣與加載桿卡槽間隙消除所用時(shí)間。t3+t7>t2+t6，是保證同步組裝能夠完成的條件；t1+t4+t5>t3+t7，是保證入射波對(duì)試樣加載前、組裝已完成的條件。

如圖11所示，采用激光傳感器直接測(cè)量?jī)纱卫浣佑|時(shí)間。信號(hào)1為試樣開(kāi)始沿導(dǎo)軌從高溫爐中出來(lái)的時(shí)刻；信號(hào)2為試樣到達(dá)加載桿卡槽內(nèi)的時(shí)刻；信號(hào)3為同步氣缸2拖動(dòng)透射桿，使試樣與加載桿卡槽間隙消除的時(shí)刻；信號(hào)4為加載波開(kāi)始對(duì)試樣加載的時(shí)刻。信號(hào)2與信號(hào)1的時(shí)間間隔即為第1次冷接觸時(shí)間，其值為44 ms；信號(hào)4與信號(hào)2的時(shí)間間隔為第2次冷接觸時(shí)間，其值為83 ms。整個(gè)過(guò)程從組裝開(kāi)始到對(duì)試樣加載，其時(shí)間為127 ms。冷接觸時(shí)間的實(shí)驗(yàn)測(cè)定過(guò)程中，同步氣壓和發(fā)射氣壓均保守地選取滿足同步組裝順利完成條件下的較小氣壓，因此測(cè)得的冷接觸時(shí)間是保證同步組裝順利完成的最大可能值，為127 ms。真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的冷接觸時(shí)間均不大于該最大可能的冷接觸時(shí)間，真實(shí)實(shí)驗(yàn)中試樣溫度的下降值以及加載桿桿端的溫升值均小于本文中給出的結(jié)果。

圖10 冷接觸時(shí)間示意圖Fig.10 Cold contact time

圖11 冷接觸時(shí)間測(cè)試Fig.11 Cold contact time measurement

2.4 冷接觸過(guò)程溫度變化分析

在冷接觸過(guò)程中，由于高溫試樣與常溫環(huán)境以及加載桿之間存在巨大的溫度梯度，會(huì)發(fā)生劇烈的熱交換，從而引起試件上的溫度下降和加載桿局部的溫度上升，是導(dǎo)致高溫SHTB實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因。通常，熱交換包括3種形式，即熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)。利用ABAQUS軟件研究整個(gè)冷接觸時(shí)間內(nèi)試樣和加載桿端溫度的變化，試樣初始加熱溫度設(shè)為1 400 ℃，環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃，單元采用八節(jié)點(diǎn)線性熱傳導(dǎo)單元(DC3D8)，計(jì)算時(shí)間為500 ms。

輻射換熱分析。對(duì)于真實(shí)物體，其熱輻射都小于同等溫度下的黑體輻射(Φ=AσT4)，熱輻射量由斯忒藩-波爾茲曼定律的修正公式Φ=εAσT4確定，ε為表面發(fā)射率?；诒Ｊ乜紤]，將試樣視為黑體，即取物體表面發(fā)射率ε=1。圖12(a)～(b)為50、130、200、500 ms時(shí)刻試樣沿寬度方向和厚度方向的溫度分布圖。由于熱輻射是由試樣表面進(jìn)行，因此：沿寬度方向，邊緣溫度低于中部溫度；沿厚度方向，表面溫度與中部溫度基本相同。

對(duì)流換熱分析。第1次冷接觸過(guò)程中，試樣在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，屬于強(qiáng)制對(duì)流換熱；而第2次冷接觸過(guò)程中，試樣靜止地處于加載桿卡槽內(nèi)，屬于自然對(duì)流換熱。強(qiáng)制對(duì)流的表面換熱系數(shù)比自然對(duì)流大一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，第2次冷接觸過(guò)程中對(duì)流換熱對(duì)試樣溫度的影響將不予考慮。試樣的表面對(duì)流換熱系數(shù)h=0.066 4(λ/l)(Rex)1/2(Pr)1/3，式中Rex是以x為特征長(zhǎng)度的雷諾數(shù)，Pr=v/a為普朗特?cái)?shù)。對(duì)流換熱過(guò)程中，試樣沿寬度方向和厚度方向的溫度分布如圖12(c)～(d)所示?？梢钥闯?，其溫度分布規(guī)律與熱輻射傳熱相同，但溫度下降速度較熱輻射低。

圖12 熱輻射和熱對(duì)流過(guò)程沿寬度和厚度方向溫度分布Fig.12 Temperature distribution along width and thickness

接觸傳熱分析。第1次冷接觸為試樣在導(dǎo)軌上滑動(dòng)的熱傳導(dǎo)過(guò)程，第2次冷接觸為試樣與加載桿接觸的熱傳導(dǎo)過(guò)程，接觸換熱系數(shù)取為3 200 W·m-2·℃-1。由于陶瓷導(dǎo)軌中間部分處于高溫爐內(nèi)，導(dǎo)軌溫度高于環(huán)境室溫，本文中保守地設(shè)置導(dǎo)軌初始溫度為室溫20 ℃，因此真實(shí)狀態(tài)中試樣在冷接觸過(guò)程中的溫度下降值應(yīng)小于數(shù)值模擬值。

圖13分別為兩次冷接觸過(guò)程中沿試樣中線軸向方向在不同接觸時(shí)間下的溫度分布以及試樣在500 ms時(shí)的整體溫度分布云圖。由于兩次冷接觸過(guò)程中，直接與導(dǎo)軌和加載桿卡槽接觸的是試樣的凸臺(tái)部位，因此，冷接觸帶來(lái)的溫度下降集中發(fā)生在試樣鉤掛凸臺(tái)部分和過(guò)渡段，標(biāo)距段溫度并未出現(xiàn)明顯下降。

圖13 冷接觸過(guò)程試樣中線溫度分布Fig.13 Temperature distribution along center line of specimen during cold contact

熱輻射、熱對(duì)流和兩次冷接觸熱傳導(dǎo)對(duì)試樣標(biāo)據(jù)段平均溫度的影響，如圖14所示?？梢钥闯觯瑹彷椛鋵?duì)試樣溫度影響最大，熱對(duì)流次之。而熱傳導(dǎo)過(guò)程中，由于與導(dǎo)軌和加載桿直接接觸的是試樣的凸臺(tái)段，而非標(biāo)距段，因此，它對(duì)試樣標(biāo)據(jù)段平均溫度的影響遠(yuǎn)小于熱輻射和熱對(duì)流。第1次冷接觸(t=44 ms)存在熱輻射傳熱、熱對(duì)流傳熱和第1次接觸傳熱，第2次冷接觸(t=83 ms)存在熱輻射傳熱和第2次接觸傳熱，試樣標(biāo)距段平均溫度下降幅值近似為第1、2次冷接觸5項(xiàng)傳熱溫度下降幅值之和。

為評(píng)估實(shí)驗(yàn)標(biāo)距段在整個(gè)冷接觸過(guò)程中的溫度變化程度，選取數(shù)值模擬結(jié)果中試樣標(biāo)距段的全部單元，計(jì)算全部單元在整個(gè)冷接觸過(guò)程中溫度變化值的平均值、最大值以及最小值，他們隨試樣初始溫度變化的曲線如圖15所示。試樣標(biāo)距段的最大的溫度下降出現(xiàn)在標(biāo)距段外表面的邊角處，最低的溫度下降出現(xiàn)在試樣中心部位。當(dāng)試樣初始加熱溫度為1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 ℃時(shí)，試樣標(biāo)距段平均溫度下降值分別為8.38、16.67、22.91、36.27、53.31 ℃，溫度降低幅度分別為0.84%、1.39%、1.64%、2.27%、2.96%。

圖14 熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)對(duì)標(biāo)距段平均溫度的影響Fig.14 Effect of heat radiation, heat convection and heat conduction on average temperature

圖15 標(biāo)距段溫度下降隨試樣初始溫度變化Fig.15 Average temperature of gage section drop versus specimen initial temperature

圖16 不同加熱溫度引起的加載桿端溫升Fig.16 Temperature rise of loading bars caused by different heating temperatures

第2次冷接觸過(guò)程中，試樣與加載桿的組裝過(guò)程將引起加載桿端溫度的上升。加載桿端溫度分布如圖16所示，加載桿端的卡槽邊緣與試樣凸臺(tái)根部接觸的部分溫度變化明顯，其他位置溫度基本保持不變。設(shè)定試樣加熱至初始溫度1 000～2 000 ℃，第2次冷接觸過(guò)程中，加載桿端溫升最大處(如圖16中虛線P1-P2所示)的溫度變化曲線如圖16所示?？梢钥闯觯帽疚闹懈邷豐HTB拉伸實(shí)驗(yàn)方法，當(dāng)試樣加熱至1 200 ℃時(shí)，冷接觸過(guò)程引起的加載桿端局部最大溫升約為180 ℃，不會(huì)引起加載桿的彈性模量等材料力學(xué)屬性的變化，可以有效地避免加載桿溫度梯度對(duì)測(cè)試的影響。

由計(jì)算結(jié)果可以看出：當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為1 200 ℃時(shí)，試樣平均溫度僅下降約1.3%，加載桿端溫升僅為180 ℃；當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為1 400 ℃時(shí)，試樣平均溫度下降約1.7%，加載桿端溫升約為210 ℃。因此，與傳統(tǒng)高溫SHTB實(shí)驗(yàn)方法不同，本文中提出的高溫SHTB實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法有效地避免了加載桿在加熱過(guò)程中的溫度梯度對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試準(zhǔn)確性的影響，同時(shí)由同步組裝過(guò)程中冷接觸引起的試樣溫降也較小，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性基本沒(méi)有影響。

3 高溫SHTB實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于建立的新型超高溫SHTB實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)3D打印鈦合金TC4材料和鎳基單晶高溫合金DD6在103量級(jí)應(yīng)變率、溫度25～1 200 ℃范圍的拉伸力學(xué)行為進(jìn)行研究，同時(shí)進(jìn)一步驗(yàn)證本文中提出的高溫SHTB實(shí)驗(yàn)裝置和方法的高效性和準(zhǔn)確性。

3D打印TC4在1 000 s-1下的拉伸流動(dòng)應(yīng)力表現(xiàn)出明顯的溫度敏感性[14]。如圖17(a)所示，隨著溫度的升高，材料的流動(dòng)應(yīng)力呈下降趨勢(shì)。材料在應(yīng)變初期的流動(dòng)曲線出現(xiàn)一段明顯下降，這是由于高應(yīng)變率引起的材料內(nèi)部絕熱溫升導(dǎo)致的溫度軟化效應(yīng)。之后，隨著應(yīng)變硬化的增強(qiáng)，進(jìn)入應(yīng)變硬化與溫度軟化相互平衡的過(guò)程，材料的流動(dòng)應(yīng)力曲線變得相對(duì)平緩。如圖17(b)所示，鎳基單晶高溫合金DD6在3 000 s-1、實(shí)驗(yàn)溫度25～1 200 ℃時(shí)，材料的流動(dòng)應(yīng)力隨溫度的升高而升高，在某個(gè)溫度下，流動(dòng)應(yīng)力達(dá)到了峰值。該峰值溫度約為1 000 ℃，超過(guò)該溫度，材料出現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化，并且流動(dòng)應(yīng)力隨著溫度升高而降低[15]。

圖17 典型材料的動(dòng)態(tài)拉伸真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.17 Dynamic true tress versus true strain

4 結(jié) 論

建立了一種新型超高溫分離式Hopkinson拉桿實(shí)驗(yàn)裝置和方法，將傳統(tǒng)螺紋拉伸試樣改進(jìn)為狗骨狀鉤掛式平板試樣，采用離線加熱、快速鉤掛連接同步組裝的方式，可精確測(cè)試材料在高溫(約1 200 ℃)、高應(yīng)變率(約103s-1)耦合作用下的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能，并針對(duì)該實(shí)驗(yàn)技術(shù)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究。

(1)鉤掛式平板拉伸試樣的動(dòng)態(tài)流動(dòng)應(yīng)力曲線與螺紋拉伸試樣的一致，且流動(dòng)應(yīng)力曲線在初始段的抖動(dòng)相比螺紋試樣的較小，能更真實(shí)地表征材料的塑性流動(dòng)行為。

(2)鉤掛式平板試樣的幾何尺寸影響材料流動(dòng)應(yīng)力曲線的測(cè)試?；跀?shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出建議的標(biāo)距段幾何尺寸比例為長(zhǎng)∶寬∶厚=8∶6∶1.2，可以有效測(cè)定材料的高溫動(dòng)態(tài)拉伸性能。

(3)通過(guò)精確控制氣壓可實(shí)現(xiàn)有效的快速同步組裝。實(shí)驗(yàn)測(cè)定整個(gè)冷接觸時(shí)間為127 ms; 當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為1 200 ℃時(shí)，在整個(gè)冷接觸時(shí)間內(nèi)試樣平均溫度僅下降約1.3%，而加載桿端溫升僅為180 ℃，有效地避免了溫度梯度分布對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試準(zhǔn)確性的影響。

(4)利用建立的高溫SHTB實(shí)驗(yàn)方法研究了3D打印TC4、鎳基單晶高溫合金DD6的高溫動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)行為，同時(shí)充分驗(yàn)證了該高溫SHTB實(shí)驗(yàn)裝置和方法的有效性和準(zhǔn)確性。在高應(yīng)變率拉伸載荷下，3D打印TC4表現(xiàn)出明顯的溫度軟化效應(yīng)，而DD6在1 000 ℃左右出現(xiàn)明顯的反常應(yīng)力峰值。

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