許科華 張琴鳳

摘 ?要：文章結(jié)合高應(yīng)變率對(duì)金屬的影響，以及金屬材料在極高應(yīng)變率下的力學(xué)性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)原理，對(duì)以921A鋼為金屬材料的極高應(yīng)變率下力學(xué)性能測(cè)試展開(kāi)討論，以明確極高應(yīng)變率下，金屬材料力學(xué)性能參數(shù)變化。

關(guān)鍵詞：金屬材料;極高應(yīng)變率;力學(xué)性能;測(cè)試

中圖分類號(hào)：O347.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）25-0069-02

Abstract： In this paper， in view of the influence of high strain rate on metals and the experimental principle of mechanical properties testing of metal materials at extremely high strain rates， the mechanical properties of metal materials with 921A as metal materials at extremely high strain rates are discussed， in order to clarify the changes of mechanical property parameters of metal materials at extremely high strain rates.

Keywords： metal materials; extremely high strain rate; mechanical properties; testing

前言

金屬材料應(yīng)用普及性的提高，不同荷載條件下，各行業(yè)對(duì)金屬材料力學(xué)性能提出更多要求。為在金屬材料廣泛應(yīng)用中，掌握外部環(huán)境對(duì)金屬材料沖擊時(shí)，金屬材料力學(xué)性能的各項(xiàng)變化。相關(guān)人員可根據(jù)沖擊產(chǎn)生后，應(yīng)變率變化時(shí)，金屬材料響應(yīng)沖擊時(shí)的力學(xué)性能，判斷金屬材料性能參數(shù)。因此，本文對(duì)金屬材料在極高應(yīng)變率下的力學(xué)性能測(cè)試展開(kāi)討論，旨在提高金屬材料運(yùn)用中，相關(guān)材料應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。

1 極高應(yīng)變率對(duì)金屬的影響

金屬材料憑借自身的經(jīng)濟(jì)性、延展性特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在各工業(yè)、民用生產(chǎn)領(lǐng)域中。但在面臨較大的沖擊力時(shí)，金屬材料在損壞的同時(shí)，金屬材料變形、高應(yīng)變率數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生較大變化。研究顯示，極高應(yīng)變率影響下，金屬材料會(huì)產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)，而在高溫條件下卻會(huì)產(chǎn)生軟化效應(yīng)。結(jié)合相關(guān)學(xué)者在金屬增強(qiáng)效應(yīng)研究中，提出可預(yù)測(cè)金屬極高應(yīng)變力的公式，并且該公式表明：金屬?gòu)?qiáng)度與極高應(yīng)變率成正比關(guān)系，比如在極高應(yīng)變率超過(guò)103s-1時(shí)，金屬?gòu)?qiáng)化呈增強(qiáng)趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)人員提出利用氣泡實(shí)驗(yàn)，分析金屬在極高應(yīng)變率影響下，其力學(xué)行為的變化，以明確極高應(yīng)變率對(duì)金屬各項(xiàng)參數(shù)的影響。

2 金屬材料在極高應(yīng)變率下的力學(xué)性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)原理

在沖擊波影響中，金屬材料、沖擊波稀疏波在實(shí)際傳播中，二者高壓聲速、傳播速度具有一致性。現(xiàn)階段，相關(guān)人員在測(cè)量金屬材料高壓聲速時(shí)，會(huì)利用DISAR、DPS等測(cè)速技術(shù)，根據(jù)樣品內(nèi)的粒子速度分析材料聲速。因此，在設(shè)定極高應(yīng)變率是在對(duì)稱性沖擊下產(chǎn)生的，那么在樣品與飛片產(chǎn)生的沖擊波，可分為右行、左行沖擊波，在沖擊波抵達(dá)金屬材料樣品的放置窗口時(shí)，金屬樣品速度會(huì)產(chǎn)生改變，并且左行沖擊波會(huì)在卸載過(guò)程中產(chǎn)生稀疏波。

第四，在通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，直接反應(yīng)金屬材料在極高反應(yīng)率下的力學(xué)性能時(shí)，可構(gòu)建“steinberg”模型，計(jì)算金屬材料921A鋼的屈服強(qiáng)度。但由于測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，無(wú)法進(jìn)行多次加載實(shí)驗(yàn)，繼而導(dǎo)致難以樣品在“hugoniot”狀態(tài)中，其剪切強(qiáng)度值數(shù)較少。為此，實(shí)驗(yàn)人員需要根據(jù)“steinberg”模型中，剪應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的關(guān)系，判斷同一應(yīng)力條件下，金屬材料921A鋼的屈服強(qiáng)度，從而分析其力學(xué)性能。在測(cè)試過(guò)程中，若921A鋼樣品剪切模擬量在63～65GPa時(shí)，其屈服強(qiáng)度為0.7GPa。

第五，實(shí)驗(yàn)期間，相關(guān)人員還應(yīng)在測(cè)試數(shù)據(jù)分析中，憑借沖擊波速度，金屬材料921A厚度，以分析沖擊力加載過(guò)程中，金屬材料樣品的平均應(yīng)變率。在加載過(guò)程中，其應(yīng)變可由ε=△u/Co表示，Co為外部沖擊力的縱波波速，△u為測(cè)試界面中，樣品粒子速度變化量。而沖擊加載或卸載時(shí)，沖擊波時(shí)間計(jì)算公式中t=h/Co，h為樣品實(shí)際厚度。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

結(jié)合以921A鋼為金屬材料的極高應(yīng)變率下力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，在分析921A鋼力學(xué)性能中屈服性能與極高應(yīng)變率的關(guān)系時(shí)，需要從金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，及其數(shù)值之間的比例關(guān)系，明確極高反應(yīng)率對(duì)金屬材料的影響。具體來(lái)說(shuō)，在極高應(yīng)變率較小時(shí)，金屬材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度數(shù)值會(huì)呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，但增加幅度較小。而應(yīng)變率數(shù)值較大時(shí)，金屬材料動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度數(shù)值增加幅度較大、動(dòng)態(tài)因子增強(qiáng)效果明顯。例如在921A鋼為金屬材料的極高應(yīng)變率下力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，在應(yīng)變率不超過(guò)1000s-1時(shí)，該金屬材料樣品的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度數(shù)值變化較小、難以發(fā)現(xiàn)。然而，在應(yīng)變率超過(guò)3000s-1，處于極高應(yīng)變率范圍時(shí)，921A鋼樣品動(dòng)態(tài)、靜態(tài)屈服強(qiáng)度數(shù)值差距較大，在靜態(tài)屈服為3時(shí)，動(dòng)態(tài)屈服數(shù)值為6。之后，921A鋼動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度數(shù)值變化會(huì)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)變率改變對(duì)其變化影響較小。由此可見(jiàn)，極高應(yīng)變率下，金屬材料力學(xué)性能參數(shù)會(huì)產(chǎn)生變化，但金屬材料力學(xué)性能參數(shù)中，應(yīng)變率對(duì)動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度影響較為突出。

3.3 應(yīng)變率對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響

首先，應(yīng)變率對(duì)金屬材料彈性模擬量、彈性行為影響較小，因?yàn)榻饘俨牧蠌椥宰冃?，多憑借聲速介質(zhì)中傳播，而聲速在金屬介質(zhì)中較大。比如在921A鋼中，聲速數(shù)值為4980～5002m/s，在面臨沖擊時(shí)，其變化速度僅為5～5.5m/s，所以金屬材料沖擊彈性變形，能夠適應(yīng)應(yīng)變率。其次，應(yīng)變率增加時(shí)，金屬材料韌性、塑性會(huì)有著明顯的變化。在特定加載溫度、條件中，若應(yīng)變率為極高應(yīng)變率，金屬材料會(huì)出現(xiàn)斷裂、被切斷等情況，且斷裂應(yīng)力會(huì)隨著應(yīng)變率的增加而變小。最后，極高應(yīng)變率下，金屬材料沖擊應(yīng)力同樣會(huì)在應(yīng)變率增加后產(chǎn)生變化，但應(yīng)變率變化對(duì)金屬材料沖擊韌性影響較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文在以921A鋼為金屬材料的極高應(yīng)變率下力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，對(duì)極高應(yīng)變率下，金屬材料力學(xué)性能中動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)模擬量等數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。最終得出以下結(jié)論，即應(yīng)變率小于1000s-1時(shí)，921A鋼力學(xué)性能變化不明顯，在應(yīng)變率數(shù)值較高時(shí)，921A鋼力動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度會(huì)隨著應(yīng)變率的增大而改變，且變化幅度較大，但在應(yīng)變率持續(xù)增加時(shí)，其動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度變化呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。

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