金屬材料在極高應變率下的力學性能測試探討

許科華 張琴鳳

摘 ?要：文章結合高應變率對金屬的影響，以及金屬材料在極高應變率下的力學性能測試的實驗原理，對以921A鋼為金屬材料的極高應變率下力學性能測試展開討論，以明確極高應變率下，金屬材料力學性能參數(shù)變化。

關鍵詞：金屬材料;極高應變率;力學性能;測試

中圖分類號：O347.3 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）25-0069-02

Abstract： In this paper， in view of the influence of high strain rate on metals and the experimental principle of mechanical properties testing of metal materials at extremely high strain rates， the mechanical properties of metal materials with 921A as metal materials at extremely high strain rates are discussed， in order to clarify the changes of mechanical property parameters of metal materials at extremely high strain rates.

Keywords： metal materials; extremely high strain rate; mechanical properties; testing

前言

金屬材料應用普及性的提高，不同荷載條件下，各行業(yè)對金屬材料力學性能提出更多要求。為在金屬材料廣泛應用中，掌握外部環(huán)境對金屬材料沖擊時，金屬材料力學性能的各項變化。相關人員可根據(jù)沖擊產(chǎn)生后，應變率變化時，金屬材料響應沖擊時的力學性能，判斷金屬材料性能參數(shù)。因此，本文對金屬材料在極高應變率下的力學性能測試展開討論，旨在提高金屬材料運用中，相關材料應力結構設計水平。

1 極高應變率對金屬的影響

金屬材料憑借自身的經(jīng)濟性、延展性特點被廣泛應用在各工業(yè)、民用生產(chǎn)領域中。但在面臨較大的沖擊力時，金屬材料在損壞的同時，金屬材料變形、高應變率數(shù)據(jù)會產(chǎn)生較大變化。研究顯示，極高應變率影響下，金屬材料會產(chǎn)生增強效應，而在高溫條件下卻會產(chǎn)生軟化效應。結合相關學者在金屬增強效應研究中，提出可預測金屬極高應變力的公式，并且該公式表明：金屬強度與極高應變率成正比關系，比如在極高應變率超過103s-1時，金屬強化呈增強趨勢。在此基礎上，相關人員提出利用氣泡實驗，分析金屬在極高應變率影響下，其力學行為的變化，以明確極高應變率對金屬各項參數(shù)的影響。

2 金屬材料在極高應變率下的力學性能測試的實驗原理

在沖擊波影響中，金屬材料、沖擊波稀疏波在實際傳播中，二者高壓聲速、傳播速度具有一致性?，F(xiàn)階段，相關人員在測量金屬材料高壓聲速時，會利用DISAR、DPS等測速技術，根據(jù)樣品內的粒子速度分析材料聲速。因此，在設定極高應變率是在對稱性沖擊下產(chǎn)生的，那么在樣品與飛片產(chǎn)生的沖擊波，可分為右行、左行沖擊波，在沖擊波抵達金屬材料樣品的放置窗口時，金屬樣品速度會產(chǎn)生改變，并且左行沖擊波會在卸載過程中產(chǎn)生稀疏波。

第四，在通過測試實驗，直接反應金屬材料在極高反應率下的力學性能時，可構建“steinberg”模型，計算金屬材料921A鋼的屈服強度。但由于測試實驗中，無法進行多次加載實驗，繼而導致難以樣品在“hugoniot”狀態(tài)中，其剪切強度值數(shù)較少。為此，實驗人員需要根據(jù)“steinberg”模型中，剪應力與屈服強度的關系，判斷同一應力條件下，金屬材料921A鋼的屈服強度，從而分析其力學性能。在測試過程中，若921A鋼樣品剪切模擬量在63～65GPa時，其屈服強度為0.7GPa。

第五，實驗期間，相關人員還應在測試數(shù)據(jù)分析中，憑借沖擊波速度，金屬材料921A厚度，以分析沖擊力加載過程中，金屬材料樣品的平均應變率。在加載過程中，其應變可由ε=△u/Co表示，Co為外部沖擊力的縱波波速，△u為測試界面中，樣品粒子速度變化量。而沖擊加載或卸載時，沖擊波時間計算公式中t=h/Co，h為樣品實際厚度。

3.2 測試結果分析

結合以921A鋼為金屬材料的極高應變率下力學性能測試實驗，在分析921A鋼力學性能中屈服性能與極高應變率的關系時，需要從金屬材料準靜態(tài)、動態(tài)屈服強度，及其數(shù)值之間的比例關系，明確極高反應率對金屬材料的影響。具體來說，在極高應變率較小時，金屬材料的動態(tài)屈服強度數(shù)值會呈現(xiàn)出增加趨勢，但增加幅度較小。而應變率數(shù)值較大時，金屬材料動態(tài)屈服強度數(shù)值增加幅度較大、動態(tài)因子增強效果明顯。例如在921A鋼為金屬材料的極高應變率下力學性能測試實驗中，在應變率不超過1000s-1時，該金屬材料樣品的動態(tài)屈服強度數(shù)值變化較小、難以發(fā)現(xiàn)。然而，在應變率超過3000s-1，處于極高應變率范圍時，921A鋼樣品動態(tài)、靜態(tài)屈服強度數(shù)值差距較大，在靜態(tài)屈服為3時，動態(tài)屈服數(shù)值為6。之后，921A鋼動態(tài)屈服強度數(shù)值變化會進入穩(wěn)定狀態(tài)，應變率改變對其變化影響較小。由此可見，極高應變率下，金屬材料力學性能參數(shù)會產(chǎn)生變化，但金屬材料力學性能參數(shù)中，應變率對動態(tài)屈服強度影響較為突出。

3.3 應變率對金屬材料力學性能的影響

首先，應變率對金屬材料彈性模擬量、彈性行為影響較小，因為金屬材料彈性變形，多憑借聲速介質中傳播，而聲速在金屬介質中較大。比如在921A鋼中，聲速數(shù)值為4980～5002m/s，在面臨沖擊時，其變化速度僅為5～5.5m/s，所以金屬材料沖擊彈性變形，能夠適應應變率。其次，應變率增加時，金屬材料韌性、塑性會有著明顯的變化。在特定加載溫度、條件中，若應變率為極高應變率，金屬材料會出現(xiàn)斷裂、被切斷等情況，且斷裂應力會隨著應變率的增加而變小。最后，極高應變率下，金屬材料沖擊應力同樣會在應變率增加后產(chǎn)生變化，但應變率變化對金屬材料沖擊韌性影響較小。

4 結束語

綜上所述，本文在以921A鋼為金屬材料的極高應變率下力學性能測試實驗中，對極高應變率下，金屬材料力學性能中動態(tài)屈服強度、動態(tài)模擬量等數(shù)據(jù)進行匯總。最終得出以下結論，即應變率小于1000s-1時，921A鋼力學性能變化不明顯，在應變率數(shù)值較高時，921A鋼力動態(tài)屈服強度會隨著應變率的增大而改變，且變化幅度較大，但在應變率持續(xù)增加時，其動態(tài)屈服強度變化呈現(xiàn)緩慢增長趨勢。

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