霍普金森實(shí)驗(yàn)技術(shù)及6005A鋁合金沖擊動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

朱龍權(quán)， 朱志武， 張光瀚， 車全偉

(1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 3.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 山東 青島 266111)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，材料的沖擊動(dòng)態(tài)力學(xué)性能對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料研究有著越來越重要的意義，而傳統(tǒng)的伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)所提供的加載應(yīng)變率僅在1 s-1以下，這樣的應(yīng)變率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到測試沖擊動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的要求.目前，材料的沖擊動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的測試方法主要有高速液壓裝置、落錘實(shí)驗(yàn)、霍普金森實(shí)驗(yàn)、膨脹環(huán)、空氣炮等.其中，霍普金森實(shí)驗(yàn)的加載應(yīng)變率一般在102～104s-1，是研究材料沖擊動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的主要方式[1-3].Kolsky[4]針對(duì)霍普金森實(shí)驗(yàn)的不足，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，通過將試樣放置在兩根彈性桿之間來測量材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，這也是目前最常見的分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)他也提出了完整的實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理方式.但該實(shí)驗(yàn)基于一維應(yīng)力波假定和試樣應(yīng)力均勻性假定，因此在實(shí)際操作中仍存在一些不足，比如彌散效應(yīng)、慣性效應(yīng)、摩擦效應(yīng)及波動(dòng)效應(yīng)等.

鋁合金具有著良好的比強(qiáng)度、比剛度與耐腐蝕能力以及優(yōu)異的延展性等諸多優(yōu)點(diǎn)，在車輛制造、交通運(yùn)輸、建筑工程、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，鋁合金不可避免會(huì)受到?jīng)_擊動(dòng)態(tài)載荷的影響，比如鳥撞飛機(jī)、列車碰撞等.因此，對(duì)鋁合金的沖擊動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究有較大的現(xiàn)實(shí)意義.

本研究綜述了霍普金森實(shí)驗(yàn)中需要考慮的幾個(gè)問題，并探討了減小這些問題影響的要求，討論了高溫實(shí)驗(yàn)和光電測試技術(shù)在霍普金森實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.同時(shí)，利用霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)設(shè)備測試了6005A鋁合金不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)壓縮性能，為該型鋁合金應(yīng)用于列車車體設(shè)計(jì)提供了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也為后續(xù)的對(duì)該型鋁合金的本構(gòu)關(guān)系的研究提供了技術(shù)支持.

1 霍普金森實(shí)驗(yàn)及優(yōu)化

1.1 霍普金森實(shí)驗(yàn)存在的問題

隨著霍普金森實(shí)驗(yàn)技術(shù)的數(shù)十年發(fā)展，針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)的要求，科研人員研究出了不同類型的霍普金森實(shí)驗(yàn)設(shè)備.本研究針對(duì)的霍普金森實(shí)驗(yàn)中存在的問題主要還是基于霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)設(shè)備.

霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用必須遵從2個(gè)基本假定，即一維應(yīng)力波假定和試樣應(yīng)力均勻性假定.這2個(gè)基本假定使得霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)中的慣性效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)解耦，使得問題得以簡化.下面對(duì)遵從這2個(gè)假定情況下霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的具體問題進(jìn)行分析.

1.1.1 彌散效應(yīng).

根據(jù)一維應(yīng)力波假定，每一個(gè)應(yīng)力波脈沖在桿中的傳播速度是恒定的，但這一假定忽略了桿中質(zhì)點(diǎn)的橫向慣性運(yùn)動(dòng).對(duì)此，Pochhammer[5]給出了彈性桿中波傳播的解析解，即，

(1)

式中，μ和r分別為彈性桿的泊松比和半徑，λ為應(yīng)力波某個(gè)諧波的波長.

式(1)表明組成應(yīng)力脈沖的各個(gè)諧波是以各自的速度傳播，高頻波的傳播速度慢，低頻波的傳播速度快.隨著應(yīng)力脈沖在桿中的傳播，不同頻率的波會(huì)產(chǎn)生相位差導(dǎo)致應(yīng)力脈沖在彈性桿中發(fā)生彌散.彌散效應(yīng)會(huì)使測得的應(yīng)力波波形在波峰上出現(xiàn)高頻振蕩，這種振蕩一般會(huì)掩蓋材料本身的力學(xué)特性，甚至還可能會(huì)誤把出現(xiàn)的第一個(gè)振蕩當(dāng)成材料的屈服極限.

在實(shí)驗(yàn)中，為盡量減小彌散效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，可從式(1)入手，盡量減小彈性桿的半徑，也可增加子彈的長度(增加入射波的波長)，使得r/λ≤0.1[6]，這是對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)要求.此外，可在沖擊端加上一層軟介質(zhì)[7]，即波形整形器，用以過濾掉高頻波，從而減小振蕩.

1.1.2 慣性效應(yīng).

在霍普金森實(shí)驗(yàn)中，試樣的變形速率很高，外部對(duì)試樣做的功，除了轉(zhuǎn)化為試樣的變形能以外，還會(huì)有一部分轉(zhuǎn)化為試樣的橫向動(dòng)能和縱向動(dòng)能，即試樣質(zhì)點(diǎn)引起的慣性效應(yīng).在研究材料的本身特性時(shí)，一般只關(guān)心變形和力的關(guān)系，即只考慮應(yīng)變能，因此在確定試樣的應(yīng)力時(shí)，必須消除慣性效應(yīng)引起的附加應(yīng)力.

對(duì)慣性效應(yīng)的研究中，Kolsky[4]基于能量守恒定理提出試樣慣性效應(yīng)的修正公式，但他的研究沒有考慮質(zhì)點(diǎn)的縱向運(yùn)動(dòng)以及摩擦效應(yīng)的影響.Davies等[7]基于能量守恒定理，在同樣沒有考慮摩擦效應(yīng)的影響下提出了一個(gè)更完善的修正公式，

(2)

式中，ρ、μ、r和l分別為試樣的密度、泊松比、半徑和長度，σ0為實(shí)測的試樣應(yīng)力.

按照此公式，并假設(shè)試樣為近似不可壓材料時(shí)(μ=0.5)，消除慣性效應(yīng)引起的附加應(yīng)力的最佳試樣長徑比為，

(3)

Gorham[8]認(rèn)為，試樣中的應(yīng)力可以表示為試樣兩端的平均應(yīng)力和慣性效應(yīng)引起的附加應(yīng)力的總和，

(4)

式中，σ1和σ2分別為試樣和入射桿與透射桿接觸端的應(yīng)力，ρ、r和l分別為試樣的密度、半徑和長度.

為了減小慣性效應(yīng)的影響，采用恒應(yīng)變率的加載可以消除式(4)的第二項(xiàng)的影響，此外，由于在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)變率不為零，為了消除第三項(xiàng)的影響，可以將試樣的長徑比設(shè)計(jì)為，

(5)

1.1.3 摩擦效應(yīng).

在霍普金森實(shí)驗(yàn)中，由于彈性桿和試樣的橫向運(yùn)動(dòng)的不同，會(huì)在兩者的界面處產(chǎn)生摩擦，從而破壞了試樣的一維應(yīng)力狀態(tài)，即出現(xiàn)端面摩擦效應(yīng).

能夠精確描述摩擦效應(yīng)比較困難，對(duì)此，Klepczko等[9]提出一個(gè)簡便的修正公式，

(6)

式中，σ0為實(shí)測的試樣應(yīng)力，μ為試樣和彈性桿之間的摩擦系數(shù).

在霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)試樣的長徑比l/r～1，且試樣和彈性桿之間又充分潤滑的情況下，摩擦效應(yīng)通?？梢圆挥杩紤].

陶俊林等[10]在能量守恒原理上，考慮了摩擦效應(yīng)的影響，其最終結(jié)果可以表示為，

(7)

可以發(fā)現(xiàn)，式(7)中第一項(xiàng)只有摩擦效應(yīng)的影響，如果忽略摩擦效應(yīng)的影響，那么上式的結(jié)果就和式(4)一樣；如果忽略慣性效應(yīng)的影響，那么上式的結(jié)果就和式(6)相同.

試樣的慣性效應(yīng)和界面的摩擦效應(yīng)所導(dǎo)致的應(yīng)力應(yīng)變曲線的偏差很容易被人們誤認(rèn)為是應(yīng)變率效應(yīng)[6]，此需要在實(shí)驗(yàn)中和處理數(shù)據(jù)時(shí)加以注意.

1.1.4 波動(dòng)效應(yīng).

在霍普金森實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)力波在試樣內(nèi)部只需兩到三個(gè)來回，試樣的狀態(tài)就可以達(dá)到均勻，這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于應(yīng)力波脈沖的寬度.因此，試樣在應(yīng)力波脈沖作用的大部分時(shí)間內(nèi)都是處于應(yīng)力均勻狀態(tài).但事實(shí)上，在應(yīng)力波脈沖作用于試樣的最開始階段，試樣內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)是不均勻的，即試樣的波動(dòng)效應(yīng).

1)假設(shè)應(yīng)力波為純彈性波，根據(jù)一維應(yīng)力波理論，在加載波為矩形強(qiáng)間斷波時(shí)，試樣兩端的相對(duì)應(yīng)力差αk[11]為，

(8)

(9)

式(8)中，k為透射反射的次數(shù)，式(9)中(ρcA)s和(ρcA)0分別為試樣和彈性桿的波阻抗，、ρ、c和A分別為試樣和彈性桿的密度，彈性波波速和橫截面積.

按照Ravichandran等[12]的建議，當(dāng)αk≤5%時(shí)，可以認(rèn)為試樣中已經(jīng)達(dá)到應(yīng)力均勻，從而可以計(jì)算出所要求的透射反射次數(shù)k，再根據(jù)，

τ=kls/cs

(10)

則可以計(jì)算出應(yīng)力均勻所需要的時(shí)間τ，式(10)中l(wèi)s和cs為試樣的長度和試樣的彈性波速.

2)假設(shè)應(yīng)力波為純塑性波，并且在試樣中反射π次后試樣中達(dá)到應(yīng)力均勻[13]，對(duì)于按照Taylorvon Karman理論進(jìn)行塑性變形的固體而言，達(dá)到應(yīng)力均勻所要的時(shí)間τ[14]為，

(11)

式(11)中，dσ/dε為試樣真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線的斜率，ls和ρ分別為試樣的長度和試樣材料的密度.

在實(shí)際情況下，對(duì)于絕大部分材料而言，應(yīng)力波在試樣中傳播時(shí)，既包含彈性波又包含塑性波，只以彈性波或只以塑性波計(jì)算得到的結(jié)果都是不符合實(shí)際的，按彈性波計(jì)算得到的均勻化時(shí)間偏低，而按塑性波計(jì)算得到的均勻化時(shí)間偏高.

1.1.5 二維效應(yīng).

在霍普金森實(shí)驗(yàn)中，試樣的徑向尺寸應(yīng)盡量與彈性桿的徑向尺寸相接近(面積匹配)，以保證一維假定的有效性.由于特殊原因的限制，有時(shí)無法保證這種面積的匹配，比如在測量硬質(zhì)材料的沖擊動(dòng)態(tài)力學(xué)性能時(shí)，為獲得較大的加載應(yīng)力，通常選用較小截面積的試樣.肖大武等[15]分析發(fā)現(xiàn)，由于面積失匹所引起的二維效應(yīng)主要是由于彈性桿端面發(fā)生了凹陷所造成的，當(dāng)時(shí)間在彈性階段時(shí)，凹陷二維效應(yīng)影響很大，并且只有當(dāng)試樣彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于彈性桿的彈性模量時(shí)，這種影響才能忽略，而在塑性階段時(shí)，除了試樣材料的性質(zhì)外，外加載荷對(duì)凹陷二維效應(yīng)也有較大的影響，并且外加載荷相對(duì)試樣材料屈服強(qiáng)度越大，影響越小.Kinra[16]等的研究表明，當(dāng)試樣(和彈性桿為同種材料)的直徑僅為彈性桿的一半時(shí)，表現(xiàn)出顯著的二維效應(yīng)，當(dāng)試樣的半徑設(shè)計(jì)得較小時(shí)，由于面積失匹所引起的二維效應(yīng)就需要考慮進(jìn)去.

1.2 霍普金森實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化

1.2.1 脈沖整形技術(shù).

在做霍普金森實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于彌散效應(yīng)，采集到的應(yīng)力波上會(huì)有振蕩，這種影響與彈性桿的桿徑相關(guān)，桿徑越細(xì)，彌散效應(yīng)越不明顯.由于某些材料的材料性質(zhì)，比如巖土類材料，為了保證試樣的均勻性，試樣尺寸必須保證一定大的尺寸，所以也必須選擇大尺寸的霍普金森實(shí)驗(yàn)裝置，彌散效應(yīng)的影響不可忽略.此外，盡管減小桿徑可以減小彌散效應(yīng)，但出現(xiàn)的振蕩都會(huì)影響數(shù)據(jù)的處理.由于這種彌散效應(yīng)引起的振蕩明顯依賴于子彈撞擊彈性桿時(shí)所產(chǎn)生應(yīng)力脈沖的上升時(shí)間，而較長的上升時(shí)間可以減小應(yīng)力脈沖傳播時(shí)的彌散效應(yīng)和慣性效應(yīng).例如，通過將彈性桿的受撞擊端加工成圓頭產(chǎn)生一個(gè)非平面撞擊[17]，可以增加應(yīng)力脈沖上升時(shí)間，但這種方法在應(yīng)力脈沖傳播一段較短距離后，修正效果就變得不明顯.Frantz等[18]通過將一片薄的圓片狀材料貼在SHPB入射桿的受撞擊端，得到了更為有效的結(jié)果.在實(shí)驗(yàn)時(shí)該薄片在被子彈撞擊后先屈服，從而軟化了撞擊，這種軟化增加了應(yīng)力脈沖的上升時(shí)間，減小了振蕩.事實(shí)上，這個(gè)薄片將撞擊后產(chǎn)生的高頻脈沖過濾掉了.Ellwood等[19]提出的三桿技術(shù)最初是為了保證恒應(yīng)變率加載，但通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)有很好的減小應(yīng)力波波形振蕩的功能.這種方法在基礎(chǔ)的SHPB裝置前增加一個(gè)預(yù)加載桿，在預(yù)加載桿和入射桿之間放置一個(gè)模擬試樣，模擬試樣一般和實(shí)驗(yàn)試樣相同.在實(shí)驗(yàn)過程中，相當(dāng)于將通過模擬試樣的透射波當(dāng)作實(shí)驗(yàn)試樣的入射波加載.這種方法可以有效地減小彌散效應(yīng)產(chǎn)生的振蕩，也能實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變率加載，但是其入射波其實(shí)是已經(jīng)通過模擬試樣的透射波，因此實(shí)驗(yàn)試樣所能達(dá)到的應(yīng)變率會(huì)大打折扣，無法達(dá)到高應(yīng)變率加載，另外每次實(shí)驗(yàn)還都要消耗模擬試樣.

1.2.2 試樣尺寸設(shè)計(jì).

霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的試樣通常設(shè)計(jì)為直圓柱試樣.試樣的尺寸設(shè)計(jì)主要受慣性效應(yīng)、摩擦效應(yīng)、均勻性假定和二維效應(yīng)所約束，前兩者主要影響試樣的長徑比，均勻性假定主要影響試樣的長度，二維效應(yīng)主要影響試樣和SHPB設(shè)備的彈性桿之間的直徑比.

理論上，為保證均勻性假定，所設(shè)計(jì)的試樣要求越薄越好，使得應(yīng)力在試樣內(nèi)能很快達(dá)到均勻狀態(tài)，但是如果試樣很薄，試樣和彈性桿之間的摩擦所導(dǎo)致的二維效應(yīng)會(huì)顯著增加.

僅考慮慣性效應(yīng)的影響，根據(jù)Davies[7]的修正公式，最佳的長徑比為，

(12)

僅考慮摩擦效應(yīng)的影響，根據(jù)Klepczko和Malinowski的簡便的修正公式，在試樣和彈性桿之間充分潤滑的情況下，試樣的長徑比應(yīng)大致為.另外，考慮實(shí)驗(yàn)所要求的最大應(yīng)變率和為了能體現(xiàn)材料整體特性的尺寸要求，美國金屬學(xué)會(huì)(American Society for Metal,ASM)推薦的長徑比為0.5～1.0[25].

Davies等[7]提出的最佳長徑比是在實(shí)驗(yàn)初始理想時(shí)刻的基礎(chǔ)上提出的，只適用于小變形的情況.陶俊林等[10]考慮了試樣在實(shí)驗(yàn)過程中的變形，在以變形率為定值的前提下，即恒應(yīng)變率加載的條件下，同時(shí)考慮了慣性效應(yīng)和摩擦效應(yīng)的影響，提出試樣的初始長徑比和設(shè)計(jì)的最終應(yīng)變之間的關(guān)系，其提出的最佳原始長徑比為，

(13)

式中，εend為設(shè)計(jì)的最終應(yīng)變.

這樣的試樣設(shè)計(jì)能有效地減小慣性效應(yīng)的影響，并優(yōu)于Davies[7]的設(shè)計(jì)，但缺點(diǎn)也很明顯，首先需要知道試樣的最終應(yīng)變，而這在做實(shí)驗(yàn)之前是不容易得到的.盧芳云等[20]認(rèn)為試樣的直徑一般為彈性桿直徑的80%左右，這樣試樣橫向膨脹到直徑和彈性桿相同時(shí)，軸向真實(shí)應(yīng)變可達(dá)30%.對(duì)硬質(zhì)材料的SHPB實(shí)驗(yàn)，為了獲得更大的力，會(huì)通過減小試樣直徑來實(shí)現(xiàn)，但這會(huì)造成試樣和彈性桿之間的面積失配，容易引起彈性桿的凹陷，造成一維假定不再成立，二維效應(yīng)明顯.

1.2.3 高溫實(shí)驗(yàn).

一般來說，溫度是影響材料本構(gòu)關(guān)系的一個(gè)重要參量，尤其像金屬類材料，基本都存在溫度效應(yīng)，所以不同溫度下的實(shí)驗(yàn)都很有必要.目前，高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)主要有兩種：一種是將試樣和一部分的彈性桿同時(shí)在一個(gè)加熱箱中加熱至所要求的溫度，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；另一種方法是單獨(dú)將試樣加熱，然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn).第一種方法首先需要考慮溫度對(duì)彈性桿的軟化作用，在實(shí)驗(yàn)過程中彈性桿是否依然處在彈性范圍值得商榷.此外，由于溫度梯度的影響，應(yīng)力波在彈性桿中的傳播也變得復(fù)雜，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生很大的偏差，采用這種方法需要利用一維應(yīng)力波傳播理論和傳熱學(xué)原理等，修正溫度梯度場對(duì)波形的測量，在較小的溫度范圍內(nèi)，也可以忽略溫度梯度的影響.第二種方法需要在試樣加熱至所需溫度后，立刻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，避免試樣的溫度在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)過程中的下降，即在加熱和實(shí)驗(yàn)之間要有精確的同步性.在這方面，Netmat-Nasser[21]設(shè)計(jì)出了一種同步組裝系統(tǒng)，能夠在高溫下進(jìn)行高應(yīng)變率的力學(xué)測試.

除了上述方法外，還有一些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)從加熱方式出發(fā)，比如Rosenberg等[22]提出利用金屬材料的渦流效應(yīng)和磁滯現(xiàn)象來加熱，這種方法能對(duì)試樣集中加熱，從而提高加熱效率，但是缺點(diǎn)是只對(duì)金屬材料有效；Macdougall[23]設(shè)計(jì)了一種輻射加熱裝置對(duì)試樣進(jìn)行加熱，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于加熱方式是非接觸的，并且加熱效率高，速度快，但是加熱設(shè)備比較復(fù)雜，成本也比較高.

1.2.4 光電測試技術(shù).

目前，霍普金森實(shí)驗(yàn)獲得應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的主要方法仍然是通過粘貼在彈性桿上的應(yīng)變片來測出入射波、反射波和透射波的信號(hào)，然后再通過二波法或三波法進(jìn)行計(jì)算.隨著光學(xué)測試技術(shù)的發(fā)展，將光電測試引入霍普金森實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虼蟠蟮靥嵘龑?shí)驗(yàn)的測試精度.例如，Griffiths等[24]用白光光源測量了試樣中圓柱試樣的端面位移；Ramesh等[25]則以激光為光源測量了試樣的直徑變化；傅華等[26]通過激光微位移測量技術(shù)，測量出入射桿和透射桿的端面速度，再根據(jù)一維應(yīng)力波理論計(jì)算出試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，驗(yàn)證了這種方法的可行性.

2 6005A鋁合金沖擊動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

本研究對(duì)6005A鋁合金進(jìn)行了霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn).試樣尺寸為φ8 mm×6 mm，針對(duì)原材料為方形板材，實(shí)驗(yàn)時(shí)分別制備了2組試樣：一組試樣的軸線方向與方形板材的厚度方向平行，為厚度方向組；另一組試樣的軸線方向與方形板材的厚度方向垂直，為長度方向組.每組試樣分別進(jìn)行了3個(gè)氣壓的實(shí)驗(yàn)，分別為0.6 MPa、1.0 MPa和1.5 MPa，最終獲得了厚度方向應(yīng)變率為998 s-1、1 862 s-1、2 563 s-1的3組應(yīng)力應(yīng)變曲線，以及長度方向應(yīng)變率為1 116 s-1、1 868 s-1、2 671 s-1的3組應(yīng)力應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖1所示.

圖1(a)中應(yīng)變率為1862 s-1那組實(shí)驗(yàn)在應(yīng)變達(dá)到0.1后流動(dòng)應(yīng)力比2563 s-1那組實(shí)驗(yàn)的流動(dòng)應(yīng)力大得多，應(yīng)該是在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)變片發(fā)生了松動(dòng).因此，2563 s-1這組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不可靠.由于實(shí)驗(yàn)室的條件限制，實(shí)驗(yàn)用的子彈長度惟一，那么加載的脈沖時(shí)間也相同，所以應(yīng)變率越大，理論上試樣的最大應(yīng)變越大.而圖2(b)中應(yīng)變率為1116 s-1那組實(shí)驗(yàn)的最大應(yīng)變比應(yīng)變率為1868 s-1那組實(shí)驗(yàn)的最大應(yīng)變大得多，因此1116 s-1這組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不可靠.

圖1 6005A鋁合金動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

通過對(duì)圖1分析可以發(fā)現(xiàn)，6005A鋁合金無論在厚度方向還是長度方向曲線的趨勢都基本一致，流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變的增大明顯增大，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象.排除2563 s-1和1116 s-1這兩組不可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，剩下的實(shí)驗(yàn)曲線基本重合.而從應(yīng)變率來分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在該應(yīng)變率范圍內(nèi)，6005A鋁合金表現(xiàn)出應(yīng)變率弱敏感性，按不同方向來分析，表明6005A鋁合金在這兩個(gè)方向上的沖擊動(dòng)態(tài)性質(zhì)大致相同.

選取應(yīng)變率為998 s-1、1868 s-1和2671 s-1的3組實(shí)驗(yàn)的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變分析如圖2所示.圖2結(jié)果表明，6005A鋁合金的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變與應(yīng)變率大致呈線性關(guān)系.

3 結(jié) 論

本研究探討了霍普金森實(shí)驗(yàn)中的彌散效應(yīng)、 慣性效應(yīng)、摩擦效應(yīng)、波動(dòng)效應(yīng)和二維效應(yīng).為了減少實(shí)驗(yàn)中這幾個(gè)效應(yīng)的影響，研究了脈沖整形技術(shù)和試樣尺寸的設(shè)計(jì)要求.同時(shí)，為了拓寬傳統(tǒng)霍普金森實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，對(duì)高溫霍普金森實(shí)驗(yàn)需要注意的問題，以及光電測試技術(shù)在霍普金森實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用也做了相關(guān)討論.通過對(duì)6005A鋁合金的2個(gè)不同方向的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率范圍內(nèi)，6005A鋁合金表現(xiàn)出為應(yīng)變率弱敏感性，應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)比較明顯，另外2個(gè)不同方向表現(xiàn)出相同的性質(zhì)，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變和應(yīng)變率大致呈線性關(guān)系.

圖2 6005A鋁合金最大應(yīng)力和最大應(yīng)變與應(yīng)變率的關(guān)系圖