高速動態(tài)ZnS玻璃力學(xué)性能測試及分析

溫慶榮,李 想,魏夢琦,劉宏旭,胡建飛

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

現(xiàn)有軍用光電設(shè)備中,紅外成像、紅外制導(dǎo)、紅外對抗、戰(zhàn)艦導(dǎo)航、車載夜視、紅外探測和紅外瞄準(zhǔn)等以紅外應(yīng)用為主的技術(shù)所占的比重越來越重要,而紅外光學(xué)元件是紅外光電系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。紅外材料不僅需要具有良好的紅外透過性能,要同時(shí)承受在高速飛行中雨水、沙塵和冰雹等顆粒物的沖擊損傷和長期海面鹽霧的化學(xué)腐蝕。

由于ZnS玻璃可透過可見光、激光到紅外多個(gè)波段,因此在紅外光電設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。而ZnS屬于特殊的脆性材料,力學(xué)性能參數(shù)并不唯一,而且不同批次的材料其力學(xué)性能差異也較大；并且在高速動態(tài)下,ZnS材料的力學(xué)性能會隨著碰撞速度的增加發(fā)生變化。因此,本文通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案對本批次的ZnS樣件開展力學(xué)性能的測試,并針對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得出實(shí)際的力學(xué)參數(shù),為后續(xù)的仿真分析提供真實(shí)的數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

為了能夠與試驗(yàn)的機(jī)器匹配,本文針對拉伸和壓縮試驗(yàn)分別選用直徑10 mm和直徑5 mm的ZnS圓柱玻璃,高度均為4.2 mm,樣件如圖1所示。

圖1 玻璃樣件

2.1 試驗(yàn)矩陣

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo),設(shè)計(jì)的試驗(yàn)矩陣如表1所示。針對玻璃材料分別開展準(zhǔn)靜態(tài)、中高應(yīng)變率下測試其壓縮工況下極限應(yīng)變、極限應(yīng)力的試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)矩陣

2.2 試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)采集/處理

2.2.1 準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)方法

ZnS玻璃屬于脆性材料,極限應(yīng)變非常小,并且試驗(yàn)樣本尺寸又比較小,在進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)時(shí),由于試驗(yàn)的壓縮機(jī)的壓頭與被壓縮的樣本之間有一定的間隙,從試驗(yàn)機(jī)的位移數(shù)據(jù)來獲得樣件的應(yīng)變數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。因此,為了獲得玻璃樣件較為準(zhǔn)確的應(yīng)變數(shù)據(jù),采用數(shù)字圖像處理技術(shù)(DIC)的方法,首先要對玻璃樣件噴射散斑。圖2為玻璃樣件噴射散斑以后的照片。

圖2 玻璃樣件噴射散斑

準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)是在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的,電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)簡稱電子萬能試驗(yàn)機(jī),是材料力學(xué)性能測試的專用設(shè)備,主要用于材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等力學(xué)性能試驗(yàn),并采集力-位移曲線。由于試驗(yàn)機(jī)在壓縮過程中存在間隙,因此壓縮位移的采集是通過在試驗(yàn)機(jī)壓頭噴射散斑然后使用非接觸測量的方式來獲取,進(jìn)而可獲取更為準(zhǔn)確的力-位移曲線。圖3是準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)以及樣本數(shù)據(jù)采集裝置。

圖3 試驗(yàn)機(jī)及數(shù)據(jù)采集裝置

2.2.2 準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)獲取的力-位移曲線,按照下式來計(jì)算工程應(yīng)力σE和工程應(yīng)變εE,其計(jì)算表達(dá)式如下所示。

σE=P/As

(1)

εE=ΔL/L

(2)

εT=ln(1+εE)

(3)

σT=σE(1+εE)

(4)

將(1)和(2)式代入(3)和(4)式中,可以計(jì)算得到真實(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變。式中,As和L分別表示試件的初始截面積和長度,ΔL為試件的壓縮量。

2.2.3 中高速試驗(yàn)方法

中高速試驗(yàn)是在霍普金森壓桿試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的,分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar,簡稱SHPB)[1-2],是現(xiàn)今最為廣泛使用并且被認(rèn)為有效的測試材料剛應(yīng)變率下力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置。其主要特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)試件的高應(yīng)變率變形,同時(shí)保持試件內(nèi)的動態(tài)應(yīng)力平衡或者說試件內(nèi)軸向應(yīng)力梯度接近于零。將玻璃樣件貼上應(yīng)變片,并通過潤滑劑夾緊在輸入桿和輸出桿中間,同時(shí)將應(yīng)變片與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。本試驗(yàn)的電磁桿是單向加載,根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)應(yīng)變率范圍來估算氣壓。圖4為霍普金森壓桿試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)過程圖片。

(a) (b)

2.2.4 中高速試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

霍普金森壓桿工作原理示意圖如圖5所示,在分離式Hopkinson 壓桿系統(tǒng)中,加載力是入射應(yīng)力波,通過子彈撞擊入射桿產(chǎn)生,并在試驗(yàn)過程中測定輸入桿和輸出桿的應(yīng)變。

圖5 霍普金森壓桿加載示意圖

在試驗(yàn)中,粘貼在入射桿上的應(yīng)變片用于采集入射波和反射波,粘貼在透射桿上的應(yīng)變片用于采集透射波。根據(jù)一維應(yīng)力波理論,樣件內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率可以利用所采集到的入射波、反射波和透射波計(jì)算得到[3-6]。

假定E是加載桿的彈性模量,A和As分別為加載桿和試驗(yàn)件的截面積,L為試驗(yàn)件的厚度,C0為波速。εI(t),εR(t)和εT(t)分別代表了應(yīng)變片測得的入射應(yīng)變、反射應(yīng)變和透射應(yīng)變,按照下述推導(dǎo)可以得到應(yīng)力、應(yīng)變及應(yīng)變率的表達(dá)式[7]。

設(shè)P1,P2代表樣件兩端面的壓力,則:P1=EA[εI(t)+εR(t)],P2=EAεR(t),那么式樣的平均應(yīng)力可表示為:

(5)

樣件兩端面的質(zhì)點(diǎn)速度V1,V2可以分別表示成V1=C0[εI(t)-εR(t)],V2=C0εR(t),樣件的應(yīng)變率可表示為:

(6)

對(5)和(6)進(jìn)一步簡化可得式(7)和(8),應(yīng)變率對時(shí)間積分即可得工程應(yīng)變(9)。

(7)

(8)

(9)

若由樣件均勻性假定則有εI(t)+εR(t)=εT(t),則上式可以進(jìn)一步簡化:

(10)

(11)

(12)

本文中的試驗(yàn)裝置的參數(shù)如下:

壓桿的橫截面積:

A=πR2=π·12.552=494.8(mm2)

試件的橫截面積:

As=πr2=π·2.52=19.63(mm2)

壓桿的彈性模量:E=123000(MPa)

試件長度:L=4.2(mm)

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果

由于準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)尚未采集到較為準(zhǔn)確的彈性模量,因此采用中高速試驗(yàn)測量所得的平均彈性模量(64.08 GPa)來對準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算后的準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖6 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.2 試件在中高應(yīng)變率下的試驗(yàn)結(jié)果

在中高應(yīng)變率下玻璃的應(yīng)變太小并且速度太快,應(yīng)變片有可能提前脫落從而產(chǎn)生無效的數(shù)據(jù)。本文從試驗(yàn)中取6次應(yīng)變數(shù)據(jù),通過配合壓桿信號處理得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)來計(jì)算樣件的彈性模量。

3.2.1 樣件的彈性模量

圖7是在壓縮試驗(yàn)中,通過6次有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的樣件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,通過這些數(shù)據(jù)可以計(jì)算出彈性模量。

圖7 測量彈性模量的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)彈性模量的計(jì)算公式E=σ/ε,得出的圖7中6次試驗(yàn)的彈性模量在表2中所示。彈性模量的范圍在48.7 GPa到88.51 GPa之間。

表2 壓縮試驗(yàn)測得的彈性模量

3.2.2 樣件的極限應(yīng)力

表3 壓縮試驗(yàn)應(yīng)變率和極限應(yīng)力

3.2.3 樣件的極限應(yīng)變

在計(jì)算極限應(yīng)變時(shí),本文假設(shè)樣件是理想彈性體,取3.2.1中計(jì)算的彈性模量值作為輸入。其中003、006和013編號的試件未測到彈性模量數(shù)值,則根據(jù)其應(yīng)變率的值來選擇相近應(yīng)變率下試件的彈性模量值作為其值。最終不同試驗(yàn)編號樣件的極限應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表4 壓縮試驗(yàn)的極限應(yīng)變

3.2.4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

中高應(yīng)變率下修正過后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8～圖10所示。圖11是應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系圖,從圖中可以看出,在中高應(yīng)變率的范圍內(nèi)樣件的極限應(yīng)力沒有單純隨著應(yīng)變率的增高而增高,而是呈現(xiàn)浮動變化的,說明樣件在100～500 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)的應(yīng)變率效應(yīng)不明顯。

圖8 應(yīng)變率100～200 s-1范圍的樣件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖9 應(yīng)變率200～300 s-1范圍的樣件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖10 應(yīng)變率400～500 s-1范圍的樣件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖11 樣件應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系圖

3.3 主要力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)處理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算的力學(xué)參數(shù)主要包括:極限應(yīng)力,壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線中第一個(gè)最大應(yīng)力值;彈性模量,壓縮應(yīng)力與應(yīng)變片測得的應(yīng)變曲線斜率獲得;極限應(yīng)變,極限應(yīng)力比上彈性模量獲得。表5為樣件的力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果。

表5 樣件的力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

本文針對ZnS樣件開展了壓縮試驗(yàn),并獲取了有效的數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論:

1)該批次的ZnS材料準(zhǔn)靜態(tài)下的極限應(yīng)力為248.59 MPa、極限應(yīng)變?yōu)?.00385；

2)該批次的ZnS材料中高速狀態(tài)下的極限應(yīng)力為518.89 MPa、彈性模量為65.24 GPa、極限應(yīng)變?yōu)?.0083;

3)在中高應(yīng)變率的范圍內(nèi)樣件的極限應(yīng)力沒有單純隨著應(yīng)變率的增高而增高,而是呈現(xiàn)浮動變化的,說明樣件在100～500/s應(yīng)變率范圍內(nèi)的應(yīng)變率效應(yīng)不明顯。

因此,根據(jù)本文所得出的試驗(yàn)據(jù),后續(xù)針對該機(jī)載設(shè)備的力學(xué)仿真分析將能夠更加接近真實(shí)狀況,可以有效的縮短產(chǎn)品的研制周期,提升其機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性能。