技术摘要：
一种用于脆性材料的单向动态拉伸实验方法，利用电磁能量转换产生应力脉冲波，通过放电开关的闭合实现脉冲的产生，在开关的触发闭合与应力波的产生之间几乎没有时间延迟，以精确控制脉冲的产生的时间，使得实验过程更加科学，实验结果更加精确。本发明解决了现有技术中  全部
背景技术：
确定脆性材料动态拉伸强度一直是材料动态力学领域中的重要课题。对于脆性材 料来说，强度的测试一直是个难题。即使是在准静态加载条件下，一端固定，另一端加载的 传统拉伸试验，操作起来也非常困难和复杂。试件加工过程所产生的误差以及装配时所产 生的偏差，加载过程中的应力集中所造成的破坏模式不同都会对实验结果产生较大的影 响。 目前，测量脆性材料动态强度最常用的方法便是分离式霍普金森杆实验技术。这 种技术的原理便是将待测试样置于两根波导杆之间，通过外力加速质量块撞击入射波导杆 产生应力脉冲对试样加载，通过粘贴在两波导杆并距杆端有一定距离的应变片采集波导杆 上的应变信息，利用移波法计算试样动态加载过程中的应力应变信息。 自20世纪60年代Harding等利用霍普金森杆技术进行材料的动态拉伸性能测试以 来，经过长期的发展，目前基于霍普金森杆实现动态拉伸加载的实验技术可以分为两类：一 类是直接对试样进行拉伸加载，包括直接拉伸、反射式拉伸和层裂实验等；另一类是改变试 样构形，将施加在试样上的压缩加载转换为对试样中某一部位的拉伸加载，如帽形试样、圆 盘试样和三点弯试样等。 脆性材料的直接拉伸实验，存在试样加工困难以及破坏形式不稳定等特点。本发 明便主要是利用基于电磁式加载装置的脆性材料动态单、双向圆盘劈裂拉伸实验方法。由 于传统霍普金森杆实验技术采用直接加载，加载波近似为方波，上升前沿约为10～20μs，并 且波头上叠加了由直接碰撞引起的高频分量，对于金属这类高阻抗材料来说，弹性波速一 般在5000m/s左右，即使试样厚度超过10mm，也能在加载波的上升时间内达到应力平衡。而 对于低阻抗的脆性材料来说，由于其波速低，破坏应变小，破坏时间短，所以完全采用传统 的霍普金森杆实验技术不能获得准确可信的实验数据。对于脆性材料在加载过程中难以到 达应力平衡和均匀变形的问题，目前主要有两种解决方法，一类是从实验技术上加以改进； 另一类是在数据处理上采取一定的措施，修正实验数据偏差。但是两种方法均在操作实施 上存在极大的困难。 近几年来，我们申请了一系列基于电磁加载霍普金森杆的实验设备和方法。电磁 感应式霍普金森拉压杆加载装置的研制，是通过电磁斥力产生从而直接产生应力波。另外， 由于电磁感应产生的应力波脉冲宽度可以通过电路参数调节，脉冲宽度可达毫秒量级，因 此可以实现一些传统霍普金森杆无法实现的低应变率加载(例如100s-1以下)。在申请号为 201420098605.4和201410161610.X的中国专利中，分别提出了将电磁铆接装置直接应用在 霍普金森压杆装置中的设备方案和实验方法，但是此方法中所获得的波形具有局限性。在 申请号分别为201410173843.1和201410171963.8的两个中国发明创造中，分别提出了两种 4 CN 111579403 A 说　明　书 2/7 页 既可以用于霍普金森拉杆又可以用于霍普金森压杆的实验设备和实验方法，但是这两种方 案结构较为复杂，且传统的波形整形技术无法应用于拉伸情况。在专利号为 201510051071 .9的发明创造中，提出了一种电磁式应力波发生器的主线圈结构和使用方 法，以提高电磁式应力波发生器所产生的幅值和脉冲宽度的变化范围。但是在此方法中由 应力波发生器所产生的应力波无法直接在拉伸实验中使用，传统波形整形技术也无法应用 于该实验设备中。
技术实现要素：
为克服现有技术中存在的波形整形困难的步骤，本发明提出了一种用于脆性材料 的单向动态拉伸实验方法。 本发明的具体过程是： 步骤1、排布器材、装夹试样； 所述排布器材是对充放电系统的排布；依次使充放电系统中的次级线圈与主线圈 之间的接触面无缝隙贴合，使入射杆与次级线圈在端面处无缝隙贴合；在所述入射杆长度 的1/2处的圆周表面和所述透射杆长度的1/2处的圆周表面分别粘贴电阻应变片，并使各电 阻应变片上的应变片引线均朝向波导杆与试样接触一端，各电阻应变片的引线均平行于波 导杆的轴线，并成直角弯折后与数据采集器的信号输入端连接，使所述应变片引线在与数 据采集器连通中呈直线状态；各电阻应变片以惠斯通电桥连接方式接入数据采集系统中。 所述射杆和透射杆均选取杨氏模量为123GPa，弹性波速为5189m/s的钛合金制成， 入射杆直径和长度与透射杆的直径和长度相同。 所述次级线圈的厚度为10mm；所述电阻应变片额定电压为30V，阻值为1000Ω，灵 敏度系数为1.92。 在玻璃试样的两个表面分别设置硬质垫块，并使该试样的表面与各所述硬质垫块 的表面贴合；最后将被硬质垫块夹好的试样置于在入射杆与透射杆之间，与两根波导杆端 面无缝隙贴合，完成实验准备工作。 所述硬质垫块由两种密度和弹性波速均不相同的材料构成，将密度高的材料填充 在密度较低的圆环形材料中心而成；垫块的厚度为5～6mm，通过公式(1)确定垫块的参数： ρaCaA＝ρbCbA1 ρcCcA2    (1) 式中，ρa为入射杆或透射杆的密度；ρb为组成垫块的高密度材料所对应的密度；ρc 为组成垫块的低密度材料所对应的密度；Ca为入射杆或透射杆的应力波波速；Cb为组成垫块 的高密度材料所对应的应力波波速；Cc为组成垫块的低密度材料所对应的应力波波波速； A为入射杆或透射杆的横截面积，A＝A1 A2；其中A1为组成垫块的高密度材料所对 应的横截面积，A2为组成垫块的低密度材料所对应的横截面积； 所述垫块中低密度材料为6063铝环，高密度材料为纯钨。 步骤2、实验电压以及电容的选定： 将控制台电容充电器充电电压XV为800V，所述充电电压需设置在电容充电器的额 定电压以内；通过并联或串联多个电容器以调整基于电磁力加载的分离式霍普金森杆实验 装置所需电容值； 步骤3、电容充电器组充电： 5 CN 111579403 A 说　明　书 3/7 页 根据设定的充电电压，对电容充电器组进行充电； 步骤4、单向动态加载： 电容器组充电完成后，启动电磁加载实验系统的放电开关，使电磁加载枪的主线 圈放电直至电容器电压降至0V；放电电流通过电磁加载枪主线圈并产生电磁斥力；该电磁 斥力作用在次级线圈上，产生加载应力波，并通过入射杆传递至试样，对试样进行持续时间 为120us的单向动态加载； 步骤5、实验数据的采集和处理 通过粘贴在所述入射杆上的应变片和透射杆上的应变片，将各电阻应变片所在的 入射杆的应变信号或透射杆的应变信号分别转化成电压信号并输出至数据采集器中；根据 桥盒公式(2)和移波法将由数据采集器所得到的入射杆上应变片的电压信号转化为反射应 变εR，将数据采集器所得到的透射杆上应变片的信号转化为透射应变εT 式中，ε为应变信号，K值是所选用的应变片的灵敏度系数，ΔU为相应采集通道的 随着时间变化输出的电压值，U0为惠斯通电桥电压； 根据一维应力波理论，通过公式(3)、(4)和(5)得到单向加载条件下试样的内部应 力σ、工程应变ε和工程应变率 式中，σ为待测试样的工程应力；ε为待测试样的工程应变； 为工程应变率；E为钛 合金波导杆弹性模量，A为钛合金波导杆横截面积，c0为钛合金波导杆弹性波波速，A0为待测 试样横截面积，l0为待测试样测试段长度； 根据巴西圆盘劈裂公式得到试样的动态抗拉强度σT： 式中，D为待测圆盘试样直径，P为试样所受到的压应力，t为待测圆盘试样厚度； 以时间t为横轴，以动态拉应力σt为纵轴作图，得到试样在单向动态拉伸条件下的 应力-时间曲线； 以时间t为横轴，为纵轴作图，得到试样在单向动态拉伸条件下拉伸应变率-时间 图；得到了试样的单向加载拉伸应力以及双向加载拉伸应变率随时间变化的曲线； 至此，用于脆性材料的单向动态实验方法结束。 本发明中所使用到的基于电磁力加载的分离式霍普金森杆实验装置均为现有技 术。 6 CN 111579403 A 说　明　书 4/7 页 本发明解决了现有技术中在脆性材料单向拉伸实验过程中存在的波形整形困难 的问题，使脆性试样在双向动态拉伸实验过程中可以较快的实现应力平衡以及恒应变率加 载。 由于内部LC电路充放电原理以及晶闸管的单向导通特性，放电电流为半正弦形。 放电电流的幅值随着充电电压的增加而增大，放电时间随着电容值的增大而增大，此外，当 充电电压保持不变时，电容值的增大也会引起放电电流的幅值的增大。对于脆性材料动态 加载实验来说，半正弦波形由于具有较为平缓的上升沿，可以很好的满足脆性材料动态加 载应力平衡的条件而无需再进一步开展加载波形整形工作。这种利用电磁能量转换技术所 产生的应力脉冲波，脉冲的产生通过放电开关的闭合实现，在开关的触发闭合与应力波的 产生之间几乎没有时间延迟，因此脉冲的产生的精确时间很容易通过电路来控制，这一优 点使得实验过程更加科学，实验结果更加精确。 本发明中所使用的实验装置是现有技术中的基于电磁力加载的分离式霍普金森 杆实验装置，包括电容充电器、电磁加载枪、波导杆。 在上述基于电磁力加载的分离式霍普金森杆实验装置中中，所述的波导杆1、波导 杆2是两根长度相同的圆柱形的钛合金杆，该钛合金杆两端面光滑平整。为了保证首次反射 波不会与入射波在应变片采集处相互叠加，产生“吃波”现象，波导杆的长度L在设计时遵循 以下原则：波导杆的长度L应该大于等于应力波在一个脉冲宽度内走过的距离即L≥CT，在 所述的表达式中，C为应力波在波导杆中的传播速度，T为所施加的应力波的脉冲宽度。 图2是一种玻璃利用基于电磁力加载的分离式霍普金森的动态单向加载实验中， 数据采集系统记录的典型原始波形。该图表明了基于电磁力加载的分离式霍普金森杆产生 的入射波12具有一个不同于矩形波的平缓的上升沿，其上升沿斜率与透射波13的上升沿斜 率近似，从而使反射波15上出现一个平台段14，所述平台段即意味着试样实现了应力平衡 和恒应变率变形。图3是同一实验的应变率、动态应力随时间变化的曲线。由图3可以看出， 试样在约60μs开始进入应力平衡状态，并完成了持续约30μs的近似恒定的应变率变形，最 终该试样的动态单向拉伸应力为45MPa。 附图说明 图1是本发明采用的基于电磁力加载方式的动态单向分离式霍普金森杆实验装置 结构示意图； 图2是利用电磁式霍普金森杆进行单向动态拉伸实验所得到的典型波形图； 图3是利用电磁式霍普金森杆进行单向动态拉伸实验所得到的典型试样应力和应 变率随时间变化曲线。 图4是本发明的流程图。 1.主线圈；2.次级线圈；3.入射杆；4.电阻应变片；5.试样；6.数据采集器；7.二极 管；8.控制开关；9.电感线圈；10.电源；11.透射杆；12.入射波；13.透射波；14.平台段；15. 反射波；16.单向加载拉伸应力；17.单向加载拉伸应变率；18.垫块。