沖擊載荷下瞬態(tài)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量方法*

劉永貴,唐志平,崔世堂

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230027)

沖擊載荷作用下，材料變形過(guò)程可近似為絕熱過(guò)程。變形過(guò)程中可能存在塑性功、相變和斷裂等因素，引起材料溫度的變化，反過(guò)來(lái)溫度變化又會(huì)影響材料性能和瞬態(tài)響應(yīng)，如改變后繼閾值應(yīng)力、材料熱力學(xué)狀態(tài)等?？傊?，溫度是描述材料性能的一個(gè)重要物理參量，實(shí)時(shí)測(cè)量沖擊過(guò)程中溫度變化有利于理解材料的熱力學(xué)性能、分析沖擊過(guò)程中熱和力的耦合作用。

溫度變化具有瞬時(shí)性，要求測(cè)溫系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間跟得上沖擊載荷的作用時(shí)間。目前，實(shí)時(shí)測(cè)溫主要采用熱電偶和紅外測(cè)溫方法，前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用方便，但響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，一般不適用高速?zèng)_擊過(guò)程。紅外測(cè)溫是一種光學(xué)測(cè)溫方法，具有2個(gè)顯著特點(diǎn)：一是非接觸，適用于各種復(fù)雜環(huán)境；二是響應(yīng)時(shí)間快可達(dá)亞微妙量級(jí)，能夠滿足沖擊過(guò)程對(duì)時(shí)間分辨率的要求。

目前，利用紅外測(cè)溫方法實(shí)時(shí)測(cè)量材料瞬態(tài)溫度，已開(kāi)展了不少工作。J.Hodowany[1]、J.J.Mason等[2]和S.J.Craig等[3]采用1單元HgTeGe紅外探測(cè)器測(cè)量了沖擊下Al合金試件表面溫度，確定了塑性功的熱轉(zhuǎn)化系數(shù)。A.Marchand等[4]利用12單元線陣HgCdTe探測(cè)器測(cè)量了鋼中剪切帶區(qū)域溫度變化。A.T.Zehnder等[5]采用16單元線陣HgCdTe探測(cè)器實(shí)時(shí)得到了沖擊下裂紋尖端溫度場(chǎng)，分析了溫度對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。P.R.Guduru等[6]利用自制8×8單元面陣HgCdTe探測(cè)器獲得了裂紋起裂和傳播過(guò)程中的溫度場(chǎng)。夏源明等[7]采用1單元HgCdTe探測(cè)器測(cè)量了纖維復(fù)合材料沖擊拉伸斷裂過(guò)程中溫度變化?？梢?jiàn)，紅外測(cè)溫技術(shù)已廣泛應(yīng)用于沖擊力學(xué)領(lǐng)域，為了解材料瞬態(tài)變形和破壞機(jī)理提供了途徑。

本文中，采用1單元HgCdTe紅外探測(cè)器裝置，在SHPB沖擊壓縮條件下，實(shí)時(shí)測(cè)量Al合金試件和處于偽彈性狀態(tài)的TiNi形狀記憶合金試樣的表面溫度，分析溫度測(cè)量的可靠性，得到2種材料絕熱變形過(guò)程中溫度變化規(guī)律。

1 紅外瞬態(tài)測(cè)溫原理和標(biāo)定

1.1 基本原理和方法

紅外測(cè)溫的基本原理是斯特藩-玻耳茲曼定理[8]：

P(T)=εσT4

(1)

式中：P(T)為溫度為T(mén)時(shí)單位時(shí)間從物體單位面積上輻射出的總輻射能，稱為總輻射度；σ為斯特藩-玻耳茲曼常量；T為物體熱力學(xué)溫度，ε為物體灰度。由上式可得：

(2)

式(2)是物體熱輻射測(cè)溫的數(shù)學(xué)描述。

1.2 標(biāo) 定

紅外測(cè)溫的關(guān)鍵和難點(diǎn)是標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)測(cè)溫精度取決于標(biāo)定精度。標(biāo)定建立示波器電壓信號(hào)和被測(cè)試樣表面溫度的關(guān)系。原則上有理論和實(shí)驗(yàn)方法，但理論存在一些難以確定的因素，實(shí)際常采用實(shí)驗(yàn)標(biāo)定辦法。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)在?14.5 mm SHPB壓桿上完成，如圖1所示。標(biāo)定后的實(shí)驗(yàn)裝置直接用于沖擊紅外瞬態(tài)溫度測(cè)量，以確保實(shí)驗(yàn)和標(biāo)定條件的一致性。紅外測(cè)溫系統(tǒng)由光學(xué)聚焦鏡、紅外探測(cè)器、前置放大器、斬波器及記錄儀器等組成。當(dāng)試件產(chǎn)生瞬態(tài)溫度變化時(shí)，試件表面小塊面積上的輻射能量通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦到紅外探測(cè)器光敏單元上轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)前置放大器記錄到示波器上。

光學(xué)聚焦系統(tǒng)形式繁多[5,9-10]，本文中采用鍍金凹面反射鏡，焦距200 mm，有效通光口徑50 mm，試樣表面距凹面鏡中心600 mm。探測(cè)器采用Judson公司1單元HgCdTe紅外探測(cè)器，傳感器尺寸1 mm×1 mm，響應(yīng)時(shí)間0.5 μs，波長(zhǎng)范圍2～14 μm(對(duì)應(yīng)黑體溫度300～1 200 K)，溫度分辨率0.1 K,為減小探測(cè)器噪音需置于77 K液氮環(huán)境下工作。紅外探測(cè)器距凹面鏡中心距離為300 mm，根據(jù)幾何光學(xué)，此時(shí)凹面鏡的縮小倍數(shù)為2倍，因此對(duì)應(yīng)的待測(cè)試樣的表面輻射面積為2 mm×2 mm。前置放大器PA-101帶寬10 Hz～1 MHz。由于前置放大器的隔直流作用，靜標(biāo)時(shí)需要在探測(cè)器前方置一個(gè)斬波器。

激光器用于對(duì)準(zhǔn)光路，并對(duì)試件在光路中的位置進(jìn)行精確定位。標(biāo)定前，先把直徑8 mm、厚度6 mm的圓柱試樣鉆孔，將熱電偶埋于孔內(nèi)。靜態(tài)標(biāo)定溫度范圍為24～120 ℃。曾嘗試多種改變溫度的方法，如恒溫浴方法，均不理想。我們?cè)跇?biāo)定時(shí)通過(guò)酒精燈對(duì)試樣直接加熱至300 ℃，撤去酒精燈，使降溫過(guò)程中試件待測(cè)區(qū)域達(dá)到溫度均衡，至120 ℃起分別記錄熱電偶讀出值和對(duì)應(yīng)的紅外探測(cè)器輸出值，以熱電偶測(cè)量值作為標(biāo)定基準(zhǔn)溫度，得到電壓-溫度標(biāo)定曲線。

圖2給出了典型的Al合金試樣和TiNi試樣的標(biāo)定結(jié)果(環(huán)境溫度為室溫24 ℃)，多次重復(fù)標(biāo)定結(jié)果穩(wěn)定。由圖2可以看到，2種不同材料試樣在相同條件下其標(biāo)定結(jié)果差別較大，主要原因是其灰度不同，如式(2)所示。利用二次多項(xiàng)式對(duì)圖2中標(biāo)定結(jié)果擬合，得到Al合金試樣和TiNi試樣的擬合曲線分別為：

θAl=24.03+0.34U-2.01×10-4U2

(3)

θTiNi=24.40+8.54×10-2U-1.38×10-5U2

(4)

式中：θ為攝氏溫度，℃，U為電壓，mV。

圖1 具有紅外測(cè)溫功能的SHPB裝置示意圖Fig.1 Split Hopkinson compression bar with infrared detection system

圖2 典型溫度標(biāo)定結(jié)果Fig.2 Typical calibration curves

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 材 料

試樣為直徑8 mm、厚度6 mm的Al合金和TiNi合金圓柱體，Al合金密度為2.60 t/m3，比定壓熱容為0.88 J/(g·K)，TiNi合金室溫下處于偽彈性狀態(tài)，密度為6.45 t/m3，比定壓熱容和相變潛熱分別為0.45 J/(g·K)和8.77 J/g。沖擊加載時(shí)，由于脈沖時(shí)間短(對(duì)于200 mm長(zhǎng)子彈，約80 μs)，可以忽略與外界的熱交換，視為絕熱過(guò)程。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

圖3是在相同子彈長(zhǎng)度(200 mm)和子彈速度(16 m/s)條件下，Al合金和TiNi合金試樣在沖擊壓縮過(guò)程中應(yīng)力波信號(hào)和相應(yīng)溫度波形。為減小橫向慣性震蕩的影響，在入射桿和子彈撞擊端面處加了厚度0.3 mm、直徑約1.5 mm的橡膠片。

圖3 Al合金和TiNi合金試樣的典型沖擊壓縮波形Fig.3 Recorded waves of shock compression of Al alloy and TiNi alloy specimen

圖4 Al合金和TiNi合金試樣的溫度波形Fig.4 The temperature of Al alloy and TiNi alloy specimen

圖4給出了沖擊壓縮過(guò)程中2種材料試樣的測(cè)量溫度波形。在一個(gè)加、卸載過(guò)程中，2種材料試樣溫度變化都先經(jīng)過(guò)約81 μs的升溫過(guò)程，不同處在于，Al合金試樣升溫至最高溫度65.4 ℃后保持不變，而TiNi合金在達(dá)到43.6 ℃后，先經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的降溫過(guò)程至約30.4 ℃，然后保持30.4 ℃不變。這是因?yàn)樵跊_擊變形過(guò)程中，引起2種材料溫度變化的物理機(jī)制不同。

為了更好反映材料沖擊變形過(guò)程中溫度的變化規(guī)律，圖5給出了實(shí)驗(yàn)得到的2種材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和溫度變化曲線。在圖5(a)中，Al合金試樣溫度隨著塑性加載應(yīng)變的增大而升高，當(dāng)加載應(yīng)力最大時(shí)，溫度最高，卸載過(guò)程近似為彈性卸載，溫度基本保持不變；在圖5(b)中，TiNi合金試樣在沖擊加載絕熱相變過(guò)程中，由于相變潛熱的釋放和相變功的存在，溫度隨著相變應(yīng)變的增大而升高，其大小同加載幅值和材料性質(zhì)有關(guān)，卸載過(guò)程中，由于發(fā)生逆相變吸熱，溫度降低，經(jīng)過(guò)一個(gè)加、卸載循環(huán)后材料溫度高于初始值，所增加溫度來(lái)源于圖5(b)中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系所圍面積。定性地，沖擊過(guò)程中，Al合金試樣溫度變化的根本機(jī)制在于塑性功轉(zhuǎn)化為熱，TiNi合金溫度變化主要原因在于正、逆相變過(guò)程中相變潛熱的釋放/吸收和相變變形功的貢獻(xiàn)。

沖擊變形過(guò)程中溫度的定量值，一方面可以通過(guò)測(cè)得的溫度信號(hào)和標(biāo)定結(jié)果計(jì)算得到(見(jiàn)圖4)，另一方面可根據(jù)能量守恒定律計(jì)算。根據(jù)能量守恒，2種材料溫度的變化分別為：

θAl-θ0=ηW/ρcp,θTiNi-θ0=(W+Q)/ρcp

(5)

式中：第1式，W為塑性功，η為塑性功轉(zhuǎn)化系數(shù)；第2式，W和Q分別代表相變功和相變潛熱。ρ為材料密度，cp是材料比定壓熱容。

圖5 Al合金和TiNi合金試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和溫度曲線Fig.5 Stress-strain relations and temperature cures of Al alloy and TiNi alloy specimen

表1給出了由式(5)計(jì)算得到的2種材料沖擊變形過(guò)程溫度變化和通過(guò)標(biāo)定式(3)和(4)換算得到的結(jié)果。θm為最大加載溫度，θu為卸載溫度，θ1為相變功產(chǎn)生的溫升，θ2為相變潛熱產(chǎn)生的溫升。由表1可知，當(dāng)塑性功熱轉(zhuǎn)化系數(shù)η取0.9時(shí)，Al合金試樣計(jì)算最大加載溫度62.9 ℃略低于測(cè)量值；TiNi合金試樣加載相變過(guò)程中由相變功產(chǎn)生的溫升為由相變潛熱產(chǎn)生溫升的約1/3，并且由計(jì)算得到的最大加載溫度和卸載后溫度均略高于標(biāo)定值，可能同計(jì)算時(shí)采用固定比定壓熱容有關(guān)。比定壓熱容一般隨溫度升高而增大，同時(shí)進(jìn)入混合相區(qū)后由于奧氏體相和馬氏體相比定壓熱容不同，因此在混合相區(qū)比定壓熱容與馬氏體體積分?jǐn)?shù)相關(guān)，而在計(jì)算中仍采用奧氏體相比熱，可能帶來(lái)一定誤差。但總體來(lái)看，數(shù)據(jù)基本吻合。

表1 測(cè)量和計(jì)算溫度的比較Table 1 Comparison of measured and calculated temperatrues

3 結(jié) 論

將紅外瞬態(tài)測(cè)溫裝置引入SHPB沖擊實(shí)驗(yàn)，確定了不同材料試件的溫度標(biāo)定曲線，并實(shí)時(shí)測(cè)量了動(dòng)態(tài)沖擊壓縮條件下Al合金和TiNi合金試樣變形過(guò)程中的瞬態(tài)溫度變化。

(1)定性上，2種不同材料試樣溫度變化規(guī)律反映了沖擊加、卸變形過(guò)程中不同的物理機(jī)制。從能量看，Al合金試樣溫度變化來(lái)源于塑性功，TiNi合金溫度變化來(lái)源于相變潛熱和相變變形功的貢獻(xiàn)。

(2)定量上，由實(shí)驗(yàn)通過(guò)紅外測(cè)量得到的溫度和通過(guò)變形功、相變潛熱理論計(jì)算得到的溫度基本一致，說(shuō)明紅外瞬態(tài)測(cè)溫方法用于材料沖擊變形過(guò)程中是可行的。

(3)影響紅外瞬態(tài)測(cè)溫精度的不確定因素很多。試樣變形過(guò)程中表面粗糙度、灰度和曲率等的變化，泊松效應(yīng)引起的試樣徑向膨脹會(huì)輕微改變測(cè)量位置等，意味著標(biāo)定條件和實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件不完全一致，由此帶來(lái)一定的誤差，需要進(jìn)一步研究。

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