CCS-B船用鋼的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能探究

諸葛駿，曹亞運(yùn)，馬 帥，沈超明，田阿利

(1.江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

CCS-B船用鋼屬于低碳鋼，在船舶行業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。目前，我國(guó)在船舶的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度驗(yàn)算等方面通常都基于材料的靜態(tài)力學(xué)性能，而船舶，特別是軍船，在實(shí)際服役期間遭受爆炸、高速碰撞等高強(qiáng)度瞬時(shí)沖擊載荷而導(dǎo)致的損傷破壞卻無(wú)法在靜態(tài)力學(xué)范疇內(nèi)分析解釋，因而亟須對(duì)船用鋼的瞬間動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行深入研究。大量實(shí)驗(yàn)表明，多數(shù)材料在高應(yīng)變率下表現(xiàn)出應(yīng)變率相關(guān)性。因此，對(duì)船舶結(jié)構(gòu)抗爆、強(qiáng)度計(jì)算等問(wèn)題的理論分析和數(shù)值模擬分析，必須建立在已知材料的高應(yīng)變率強(qiáng)度、斷裂特性和應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系等本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上。

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)低碳鋼材料的抗沖擊性能已有一定的研究，曲嘉等通過(guò)分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置對(duì)冷作硬化后的試件進(jìn)行高應(yīng)變率(103/s)沖擊壓縮測(cè)試試驗(yàn)表明了低應(yīng)變率下的冷作硬化可提高鋼材抗沖擊強(qiáng)度［1］;王艷云等通過(guò)對(duì)低碳鋼材料試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，研究了靜態(tài)條件下低碳鋼的有關(guān)力學(xué)性能［2］，因而鋼材等工程材料在高速?zèng)_擊載荷條件下的變形行為日益受到人們的關(guān)注。

本文首先通過(guò)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)定CCS-B船用鋼材料的靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)，然后采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)CCS-B 進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)研究。基于“三波法”理論，編程計(jì)算試件材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，如應(yīng)力、應(yīng)變率時(shí)間歷程曲線以及試件的平均應(yīng)力—應(yīng)變曲線，給出了材料在不同應(yīng)變率下的本構(gòu)關(guān)系和屈服強(qiáng)度。

1 動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

分離式Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)裝置［3］主要用于測(cè)量材料在高應(yīng)變率下(102～104)/s的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。由于該系統(tǒng)簡(jiǎn)單高效，實(shí)驗(yàn)精度較高，因而已經(jīng)成為目前研究材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能最基本的實(shí)驗(yàn)裝置。本實(shí)驗(yàn)基于江蘇科技大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的分離式Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。

圖1 SHPB實(shí)驗(yàn)裝置圖

本實(shí)驗(yàn)裝置包含共軸安裝的撞擊桿(即子彈)、輸入桿(入射桿)、輸出桿(透射桿)和吸收桿以及相關(guān)的速度測(cè)試系統(tǒng)、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量輸入桿上的入射波、反射波與輸出桿上透射波信號(hào)，推導(dǎo)出試件材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)。其系統(tǒng)工作示意圖如圖2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

由于動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置要求試件的尺寸非常小、精度非常高，所以加工時(shí)在達(dá)到尺寸要求的同時(shí)還要盡量滿足垂直度、水平度以及端面光潔度。選取3個(gè)已加工的Φ14.00 mm×8.0 mm小試件，每個(gè)試件在不同的沖擊壓力下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為增強(qiáng)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每個(gè)試件在單一的沖擊壓力作用下重復(fù)做3次，取其平均值。實(shí)驗(yàn)時(shí)在試件和壓桿端面涂黃油以降低端面摩擦所帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差［2，4］。該實(shí)驗(yàn)所用的SHPB壓桿直徑為16 mm，對(duì)每個(gè)試件進(jìn)行了在氣槍內(nèi)氣壓分別為 0.3、0.4、0.5 MPa 的動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

圖2 SHPB實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

表1 實(shí)驗(yàn)方案參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象

超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀所采集得到的波形數(shù)據(jù)為應(yīng)變片的電壓信號(hào)，如圖3所示。

圖3 示波器中記錄的波形

通過(guò)換算公式(1)得到輸入、輸出桿的應(yīng)變數(shù)據(jù)。由于SHPB實(shí)驗(yàn)裝置中的輸入、輸出桿一般為高強(qiáng)度鋼，因此在沖擊過(guò)程中僅為彈性變形，通過(guò)公式(2)可以得到入射波、反射波和透射波的數(shù)據(jù)［5］。

式中:ε(t)為SHPB裝置中輸入輸出桿的應(yīng)變;V(t)為對(duì)應(yīng)的應(yīng)變片電壓信號(hào);σ(t)為應(yīng)力;k為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)，取k=2.08;E為SHPB裝置中桿系材料的彈性模量，取E=200 GPa。

3種不同沖擊壓力作用下的子彈速度分別為:13.6、15.8、17.9 m/s。圖 4、圖 5 分別給出了輸入、輸出桿上應(yīng)力波形。

圖4 v=13.6 m/s下的入射、反射、透射應(yīng)力波形圖

圖5 試件在不同速度下的入射波、反射波應(yīng)力圖

由圖4可以看出，反射波與入射波和透射波相比很小，是由于本實(shí)驗(yàn)所選擇的試件材料和波導(dǎo)桿系的材料相近，因此應(yīng)力波在界面處發(fā)生反射較弱，而大多數(shù)的入射波均以透射波的形式傳播。

由圖5進(jìn)一步說(shuō)明，相同尺寸與材料的試件在不同的沖擊壓力作用下，其波導(dǎo)桿上對(duì)應(yīng)應(yīng)變片所測(cè)得的應(yīng)變電壓信號(hào)有著明顯的區(qū)別。沖擊速度越大，其入射波和透射波電壓信號(hào)越大，即應(yīng)變信號(hào)越大，與常識(shí)相符。而在入射脈沖波突然上升后的前端，其觀察到波形存在劇烈的振動(dòng)，作者分析其主要原因?yàn)?一是沖擊載荷激發(fā)桿中的高頻響應(yīng)，其高頻信號(hào)影響產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng);二是由于桿的彌散效應(yīng)而產(chǎn)生。

2 CCS—B動(dòng)態(tài)力學(xué)性能分析

根據(jù)建立在2個(gè)基本假定(即一維假定(又稱平面假定)和應(yīng)力均勻假定)基礎(chǔ)上的細(xì)長(zhǎng)桿彈性應(yīng)力波傳播理論，通過(guò)對(duì)波導(dǎo)桿上入射、反射和透射應(yīng)變脈沖的測(cè)試，用一維應(yīng)力波理論分析計(jì)算得到試件中的平均應(yīng)力、平均應(yīng)變和平均應(yīng)變率［6］。

平均應(yīng)力:

式中:c0、E、A分別為Hopkinson壓桿裝置中的子彈速度、壓桿材料的彈性模量以及壓桿桿件的橫截面面積;A0、l0分別為試件材料的初始橫截面積和初始長(zhǎng)度;εI、εR和εT分別是試件兩端面上入射波、反射波、透射波的應(yīng)變信號(hào)。

應(yīng)力波在HopKinson壓桿和試件中的傳播，3個(gè)應(yīng)變波形在時(shí)間域上具有比較大的相對(duì)差距，各個(gè)應(yīng)變波形的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間卻具有內(nèi)在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因而準(zhǔn)確確定應(yīng)變波形之間的相對(duì)延遲時(shí)間和入射波的起點(diǎn)位置成為其數(shù)據(jù)處理最終結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素［7］。圖6(a)為自編軟件中入射波、反射波和透射波的波形起點(diǎn)計(jì)算查找結(jié)果，圖6(b)給出了三波對(duì)齊結(jié)果。

試件3的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率隨時(shí)間變化曲線如圖7所示。

對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)立，得到試件材料的應(yīng)力應(yīng)變歷程曲線，其動(dòng)態(tài)載荷作用下沖擊速度v=13.6 m/s，v=17.9 m/s 以及靜態(tài)壓縮的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10可知:在動(dòng)態(tài)沖擊實(shí)驗(yàn)中，各試件材料在動(dòng)態(tài)沖擊載荷作用下，試件材料的屈服強(qiáng)度值隨著應(yīng)變率的增加而增大。過(guò)了屈服階段后，與靜態(tài)力學(xué)性能曲線相比，其強(qiáng)化階段的強(qiáng)化效果較弱，即強(qiáng)度極限與屈服強(qiáng)度差別不大，并且該材料在動(dòng)態(tài)載荷作用下，當(dāng)沖擊速度v=13.6 m/s時(shí)，其屈服強(qiáng)度值比靜態(tài)大74.643 MPa;當(dāng)沖擊速度v=17.9 m/s時(shí)，其值比靜態(tài)大 247.857 MPa。

圖6 波形起點(diǎn)計(jì)算后的電壓信號(hào)曲線

圖7 試件3的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率隨時(shí)間變化曲線

圖8 試件1應(yīng)力—應(yīng)變曲線(v=13.6 m/s)

圖9 試件3應(yīng)力—應(yīng)變曲線(v=17.9 m/s)

圖10 CCS-B船用鋼的靜態(tài)壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

(1)用霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試，必須滿足一維理論假設(shè)和試件中的應(yīng)力均勻性假設(shè)。一維理論假設(shè)由實(shí)驗(yàn)設(shè)備滿足，而應(yīng)力均勻性假設(shè)，需要根據(jù)波導(dǎo)桿等進(jìn)行試件設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮試件與波導(dǎo)桿的阻抗匹配，使得應(yīng)力波經(jīng)試件透射反射后，已在試件中傳播2～3個(gè)來(lái)回。

(2)試件材料CCS-B船用鋼的屈服強(qiáng)度具有應(yīng)變率敏感性。在不同應(yīng)變率下，試件材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果是不同的，表現(xiàn)為應(yīng)變率相關(guān)性，即試件材料的屈服強(qiáng)度值隨著應(yīng)變率的增加而增大。

(3)CCS-B船用鋼材料在動(dòng)態(tài)載荷作用下的屈服強(qiáng)度值明顯比靜態(tài)作用下高，而過(guò)了屈服階段后，其強(qiáng)化階段的強(qiáng)化效果相對(duì)靜態(tài)條件下較弱，即強(qiáng)度極限與屈服強(qiáng)度差別不大。

［1］曲嘉，鄒廣平，何蘊(yùn)增.扭轉(zhuǎn)冷作硬化對(duì)低碳鋼高應(yīng)變率下后屈服強(qiáng)度的影響［C］//黃風(fēng)雷，張慶明.第九屆全國(guó)沖擊動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(上冊(cè)).焦作:中國(guó)辦學(xué)學(xué)會(huì)爆炸力專業(yè)委員會(huì)，2009:447－451.

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