一種基于SHPB的沖擊膨脹環(huán)實驗技術(shù)*

鄭宇軒，周風(fēng)華，胡時勝

(1.寧波大學(xué)教育部沖擊與安全工程重點實驗室，浙江 寧波 315211； 2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點實驗室，安徽 合肥 230026)

固體材料在沖擊載荷作用下的動態(tài)碎裂問題一直是物理學(xué)、力學(xué)等領(lǐng)域共同關(guān)心的重要課題，膨脹環(huán)實驗是研究固體材料在準(zhǔn)一維拉伸應(yīng)力作用下動態(tài)斷(碎)裂現(xiàn)象的重要實驗手段。早期的爆炸膨脹環(huán)實驗技術(shù)由P.C.Johnson等[1]提出；C.R.Hoggatt等[2]通過爆炸膨脹環(huán)實驗獲得了多種工程材料的沖擊拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系；湯鐵鋼等[3]在圓柱形裝藥中心軸設(shè)置爆炸絲線代替雷管，有效消除了爆轟波沿軸向傳播造成的非軸對稱性問題。電磁膨脹環(huán)加載技術(shù)與爆炸膨脹環(huán)實驗技術(shù)同期發(fā)展，最早的電磁膨脹環(huán)加載裝置設(shè)計由F.I.Niordson提出[4]，他在常應(yīng)變率下進行了一系列的銅環(huán)和鋁環(huán)的單軸拉伸實驗，觀察到圓環(huán)的沖擊碎裂現(xiàn)象。學(xué)者們利用電磁膨脹環(huán)實驗技術(shù)研究金屬環(huán)的動態(tài)拉伸性能和碎裂特征[5-7]。W.H.Gourdin[8]在改進和完善了膨脹環(huán)電磁驅(qū)動技術(shù)，發(fā)展了一種復(fù)合膨脹環(huán)的電磁加載技術(shù)，可以用來測試低導(dǎo)電率材料及絕緣材料的單軸沖擊拉伸特性。桂毓林等[9]解決了電磁膨脹環(huán)的快速放電和短路開關(guān)2個關(guān)鍵性問題，實現(xiàn)了金屬環(huán)的自由膨脹。H.Zhang等[10-11]采用電磁膨脹技術(shù)系統(tǒng)研究了金屬圓環(huán)的沖擊拉伸及碎裂性質(zhì)，以及表面鍍膜對材料拉伸斷裂性質(zhì)的影響。

由于加載方式的不同，爆炸膨脹環(huán)與電磁膨脹環(huán)實驗技術(shù)各有優(yōu)劣。在爆炸膨脹環(huán)實驗中，沖擊波驅(qū)動環(huán)形試件，使其獲得初始動能后自由膨脹，爆炸可以使試件獲得較大動能而達到較高的應(yīng)變率，試件材料不受限制，且局部溫升不明顯。但爆炸產(chǎn)生的初期壓縮沖擊波會影響試件的一維拉伸狀態(tài)，爆炸的隨機性也使得實驗裝置的應(yīng)變率調(diào)節(jié)困難。在電磁膨脹環(huán)實驗中，電磁力驅(qū)動環(huán)形試件膨脹，采用該技術(shù)能精確地控制環(huán)的膨脹應(yīng)變率，且試件中沒有初期應(yīng)力波的影響；但實驗?zāi)苓_到的應(yīng)變率較低，感應(yīng)電流會造成試件發(fā)熱，使得材料的力學(xué)性能發(fā)生改變。

無論是電磁膨脹環(huán)還是爆炸膨脹環(huán)，都存在實驗技術(shù)比較復(fù)雜，實驗和診斷設(shè)備造價昂貴的問題，不利于技術(shù)推廣。本文中，提出了一種基于分離式Hopkinson壓桿(SHPB)的沖擊膨脹環(huán)實驗技術(shù)，為研究材料的動態(tài)拉伸斷裂和碎裂問題提供一個動態(tài)加載方式。

1 實驗原理

設(shè)計的沖擊膨脹環(huán)加載裝置如圖1所示。薄壁圓環(huán)試件內(nèi)徑為14.5 mm，徑向厚度為1 mm，軸向高度為1 mm，材料為LY12鋁(圖1(a)和圖1(c)中紅色部件)；2個相匹配的厚壁套筒材質(zhì)均為45鋼，內(nèi)徑和試件內(nèi)徑一致，圓筒內(nèi)端面打磨光滑，且具有很好的平行度；前厚壁套筒上均布4個直徑為1 mm的排氣通孔，消除圓環(huán)試件高速膨脹時空氣阻力的影響；前后沖擊活塞上均套有O型密封圈，防止高速沖擊下液體從活塞處泄漏；加油孔螺栓配有O型密封圈，防止高速沖擊下液體從加油孔處泄漏。

用一根直徑略小于14.5 mm的定位棒依次插入厚壁套筒、圓環(huán)試件和另一相匹配的厚壁套筒，對圓環(huán)試件進行對中定位，然后旋緊2個相匹配的套筒后拔出定位棒，此時圓環(huán)試件徑向內(nèi)外端面為自由面，軸向平行端面與厚壁套筒端面無縫接觸，如圖1(c)所示。連接好的2個厚壁套筒外端通過相匹配的沖擊活塞來密閉，通過加油孔往沖擊活塞和套筒圍成的空腔內(nèi)注入滿不可壓液體，保證空腔內(nèi)無氣泡，而后擰緊加油孔螺栓。圖1(d)是實際加工制造的膨脹環(huán)實驗裝置。

圖1 沖擊膨脹環(huán)加載裝置Fig.1 Equipment for loading expanding rings

當(dāng)受到?jīng)_擊活塞的壓縮載荷時，沖擊活塞和套筒圍成的空腔內(nèi)的液體向試件封口擠壓，驅(qū)動薄壁圓環(huán)試件膨脹。利用空腔液體體積近似不可壓縮的特性，通過液壓腔截面積的大比例縮小，可將較低速度的對活塞的軸向沖擊轉(zhuǎn)化為圓環(huán)試件的高速徑向膨脹。在膨脹過程中，圓環(huán)試件周向發(fā)生快速拉伸變形，直至拉伸斷(碎)裂。

由于實驗過程中試件受到一定的套筒擠壓力，試件和厚壁套筒內(nèi)端面之間存在較小的摩擦力。實驗中套筒對試件的擠壓力，及其與厚壁套筒內(nèi)端面之間的摩擦力均有可能影響試件的碎裂過程。建立有限元模型，分析摩擦力對于碎片個數(shù)和斷裂應(yīng)變的影響，有限元模型如圖2(a)所示，模型中摩擦因數(shù)μ取0.1，沖擊速度v0設(shè)為500 m/s。圖2(b)和圖2(c)分別給出了有擠壓和無擠壓情形下的模擬結(jié)果。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)套筒對試件的壓力p為試件屈服應(yīng)力σy的10%時，有擠壓和無擠壓情形下，韌性碎裂產(chǎn)生的碎片個數(shù)均為14塊，斷裂應(yīng)變相差1%。因此擠壓力和摩擦力對韌性碎裂產(chǎn)生的碎片個數(shù)和斷裂應(yīng)變均無顯著影響。在一般實驗操作中，套筒只要和試件完好接觸上即可，因此實驗中套筒對試件的擠壓力應(yīng)為一小量，遠小于模擬中假定的擠壓力。而隨著試件在不可壓液體的驅(qū)動膨脹過程中，由于其橫截面積不斷變小，套筒對試件的擠壓力也將呈減小的趨勢。在分析中忽略套筒的擠壓力及摩擦力對試件碎裂過程造成的影響。

圖2 有限元模擬示意圖Fig.2 Schematic of FEM simulation

2 動態(tài)碎裂實驗

2.1 實驗過程

將組裝好的沖擊膨脹環(huán)加載裝置(包括圓環(huán)試件)當(dāng)成一個試件，置于分離式Hopkinson壓桿的入射桿和透射桿之間，并用支架調(diào)整沖擊膨脹環(huán)加載裝置位置，使它和入射桿、透射桿同軸對心，如圖3所示。實驗中使用直徑為37 mm的分離式Hopkinson壓桿系統(tǒng)，采用體積近似不可壓的液壓油作為傳壓介質(zhì)，通過氣壓控制子彈對入射桿的撞擊速度，并使用激光測速儀獲得子彈的撞擊速度，共對14組鋁合金環(huán)進行了沖擊膨脹斷裂實驗，子彈撞擊速度范圍為10～35 m/s。

圖3 安裝在SHPB系統(tǒng)上的沖擊膨脹環(huán)實驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the impact loading fixture installed between SHPB

2.2 實驗結(jié)果分析

表1給出了不同撞擊速度下LY12鋁環(huán)動態(tài)拉伸碎裂產(chǎn)生的碎片數(shù)n和碎裂后的長度l。各次實驗回收的碎片形貌如圖4所示。由圖4可以看出，LY12鋁環(huán)試件碎裂產(chǎn)生的碎片最少的為2塊(實驗1和2)，最多的為8塊(實驗11、12和14)。整體來看，隨著撞擊速度的增大，碎片的數(shù)目逐漸增多。

表1 鋁合金環(huán)動態(tài)拉伸實驗數(shù)據(jù)Table 1 Data obtained from the dynamic tensile experiment of auminium alloy

圖4 實驗回收的鋁合金環(huán)碎片F(xiàn)ig.4 Recovered aluminum ally fragments after testing

圖5 碎片斷裂形貌分析Fig.5 Form of the fragments after testing

圖5給出典型碎片的拉伸變形和斷裂形貌。對碎片斷口的分析表明，圓環(huán)試件的斷裂模式一樣，都是受周向拉伸作用逐漸產(chǎn)生塑性變形、縮頸而最終斷裂的過程。這種變形和斷裂模式是韌性金屬圓環(huán)試件自由膨脹發(fā)生碎裂的典型模式[12]。這說明試件斷裂由周向拉伸應(yīng)力主導(dǎo)，與實驗設(shè)計初衷一致，也證實了基于SHPB技術(shù)的沖擊膨脹環(huán)實驗設(shè)計的可行性。另外，從圖4中可以看出，LY12鋁環(huán)經(jīng)過沖擊膨脹之后，回收的碎片拼圖絕大多數(shù)并不是原來的圓形。造成這種現(xiàn)象的原因是，本次實驗中并沒有在沖擊膨脹裝置上添加軟回收試件的緩沖裝置，試件圓環(huán)在高速膨脹碎裂后碎片仍具有很高的自由飛行速度，當(dāng)碎片撞擊到厚壁套筒壁的時候，碎片的圓弧曲率將會和套筒壁的圓弧曲率一致，從而使得碎片的表觀形貌發(fā)生變化。由圖5可以看出，周向拉伸應(yīng)力導(dǎo)致的縮頸使試件環(huán)的徑向厚度和軸向高度均減小，而由于碎片飛行撞擊套筒壁形成的撞擊彎曲點處只有徑向厚度有變化，且撞擊點的曲率明顯與整個碎片不一致。通過受力分析可以知道，如果撞擊點要發(fā)生斷裂，試件必然處于環(huán)內(nèi)壁受拉外壁受壓的應(yīng)力狀態(tài)，撞擊點最終彎曲斷裂，而通過對所有碎片斷口分析發(fā)現(xiàn)，所有的碎片斷口均未出現(xiàn)上述現(xiàn)象，因此可以推斷在本次實驗中所有斷裂點均是周向拉伸應(yīng)力主導(dǎo)斷裂。

圖6 平均碎片尺寸隨撞擊速度的變化規(guī)律Fig.6 Average fragment size under different impact velocity

圖7 平均斷裂應(yīng)變隨撞擊速度的變化規(guī)律Fig.7 Average fracture strain under different impact velocity

斷裂后試件的長度通過對回收碎片進行顯微測量并累加得出。通過對表1的實驗數(shù)據(jù)處理，可以得到LY12鋁碎裂后的碎片平均尺寸和斷裂應(yīng)變隨子彈撞擊速度的變化規(guī)律，如圖6～7所示，其中l(wèi)為平均碎片尺寸，ε為平均斷裂應(yīng)變。圖6顯示：LY12鋁碎裂后的碎片平均尺寸呈現(xiàn)出隨子彈撞擊速度的增大而減小的趨勢；在同一撞擊速度下，特別是在低速情況下，LY12鋁環(huán)碎裂產(chǎn)生的碎片平均尺寸相差甚大。造成該現(xiàn)象的原因可能是LY12鋁環(huán)存在著較明顯的初始缺陷，材料本身的碎裂特征極有可能是被材料機加工過程中產(chǎn)生的初始缺陷所掩蓋，有關(guān)初始缺陷對材料碎裂過程的影響見文獻[13]。圖7顯示：碎片的平均斷裂應(yīng)變隨子彈撞擊速度的增大呈上升趨勢，造成此種現(xiàn)象的原因可能確實是材料的斷裂應(yīng)變隨應(yīng)變率提高而增大，也可能是在高應(yīng)變率下，試件環(huán)產(chǎn)生了更多的縮頸，而在試件環(huán)非均勻流動后，試件的表觀應(yīng)變皆是由縮頸提供的，更多的縮頸可能會造成碎片的斷裂應(yīng)變隨應(yīng)變率提高而增大的假象。

3 結(jié) 論

基于傳統(tǒng)的分離式Hopkinson壓桿技術(shù)，提出了一種沖擊膨脹環(huán)的實驗技術(shù)。通過設(shè)計和制作液壓沖擊裝置，實現(xiàn)了基于SHPB的固體材料沖擊膨脹的研究目的。通過液體受沖擊加載后驅(qū)動膨脹試件環(huán)，對試件材料無限制，溫升不明顯且無應(yīng)力波效應(yīng)的影響。

利用該沖擊膨脹環(huán)實驗技術(shù)，獲得了LY12鋁環(huán)在不同速度下的碎裂結(jié)果。端口分析表明LY12鋁環(huán)斷口均是由周向拉伸應(yīng)力拉伸斷裂而成。隨著子彈撞擊速度增大，LY12鋁的表觀斷裂應(yīng)變呈增加的趨勢，試件環(huán)碎裂產(chǎn)生的碎片尺度呈減小趨勢。

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