基于霍普金森壓桿系統的動態壓痕實驗*

張 新，候 兵，李玉龍

(西北工業大學航空學院，陜西 西安710072)

壓痕硬度實驗是一種應用廣泛的材料性能測試技術，主要思想是強制壓迫“較硬”的壓頭進入“較軟”材料的表面，通過記錄壓入過程中載荷和壓痕深度的關系曲線，研究材料抵抗外物侵入的能力，即材料硬度［1］。壓痕法具有成本低、損耗小、使用簡便、試樣加工方便等優點。在壓痕實驗中，變形主要集中在壓痕附近區域，使得該方法與傳統單軸壓縮或拉伸等測試技術相比，具有復雜的2D/3D 變形效應，然而鑒于該方法本身特有的簡易性，仍有大量理論、實驗和數值計算等研究工作致力于發展其在材料性能測試方面的應用［2-3］。然而已有的研究［4］表明，許多金屬材料在高應變率下表現出明顯區別于靜態加載的變形特性，如屈服和流動應力提高，斷裂韌性增大，絕熱溫升顯著等［5-8］。若將靜態壓痕實驗技術直接拓展用于研究材料動態性能，可能會出現較大偏差，因此有必要發展動態壓痕實驗技術，研究材料硬度對加載速率的敏感性，以期得到一種新的材料率敏感性研究方法。

早期的動態壓痕實驗技術基于落重實驗和“回彈技術”［9-11］，這種方法不僅增加了數據處理的復雜性，也因數據處理方法的差異無法與靜態硬度實驗結果進行對比。Y.Tirupataiah 等［12］用氣槍沖擊球形壓頭的方法設計了一種動態壓痕實驗，研究了平均應變、平均應變率與流動應力或動態硬度之間的關系，銅和鋼的變形應變率在103～104s－1之間。J.P.Nobre 等［13］發展了一種基于擺錘裝置的動態壓痕技術，通過在擺錘后部安置壓電傳感器，測量壓痕過程中的沖擊載荷信號，可以得到應變率為102s－1量級的材料動態硬度。J.Lu 等［14］的動態壓痕裝置使用了光學干涉測量方法，測量壓深-時間曲線，彌補了之前動態壓痕實驗中無法測量這一重要物理量的不足。

Hopkinson 裝置是目前較為常用的材料動態性能測試方法，由于在加載方式和測量精度方面相對于其他動態測試技術具有顯著優勢，一些學者也曾試圖進行改造用以進行動態壓痕實驗。文獻［15-17］中利用Hopkinson 桿的寬幅應力脈沖加載技術和子彈撞擊入射桿產生的應力脈沖，通過安置在入射桿另一端的壓頭直接撞擊固定在支座上的試樣加載;該裝置分別采用了安置在試樣和支座之間的載荷傳感器和壓頭附近的位移傳感器測量壓痕過程的載荷和位移。M.Nilsson［18］利用Hopkinson 裝置中采集的入射、反射和透射信號來推導壓頭承受的載荷和位移信息，但是由于沒有采納任何二次加載的抑制技術，使得在數據處理中要采用復雜的兩應變片法和迭代算法，造成數據處理的復雜性。

本文中，設計了用于動態壓痕實驗的SHPB 系統，采用S.Nemat-Nasser 的MT(momentum trap)［19］裝置消除二次加載，利用入射桿和透射桿上應變片處測得的信號來計算壓痕載荷和位移，對壓痕全過程進行數值模擬，并對該裝置的可行性進行分析和驗證。利用該裝置對無氧銅、鈦、鋁合金3 種不同材料進行動態壓痕實驗，得到一系列的材料動態性能。結果表明，本文中發展的動態壓痕實驗技術，具有測量精確可靠、應用簡單方便等優點。

1 實驗技術和方法

1.1 試樣材料及幾何尺寸

實驗中測試的材料為LY12 鋁合金、純鈦和無氧銅3 種材料。每個試樣的尺寸為?12.7 mm×7 mm，粘連在透射桿的端面上。實驗前對所有試樣進行退火處理，并進行端面拋光。

1.2 實驗裝置簡介

采用改進后的分離式Hopkinson 壓桿(split Hopkinson pressure bar，SHPB)系統對試樣進行動態實驗研究，類似于靜態壓痕實驗儀器。為了得到材料的動態硬度，在SHPB 系統的基礎上，增加了動態壓痕設備部分，包括硬質合金壓頭、套筒和試樣3 部分。在動態壓痕實驗中，需要得到實驗過后試樣表面壓痕的尺寸，為避免實驗過程中的二次加載問題，增加了能量塊裝置［18］。SHPB 系統的入射桿、透射桿和子彈直徑均為12.7 mm，材料為高強度合金鋼，其中入射桿長1.2 m，透射桿長1 m，在不同沖擊速度下，為了使壓痕大小尺寸差別不大，選用了不同長度的子彈。實驗中需獲得試樣的壓痕深度及試樣所受到的沖擊載荷，壓深和載荷都可以通過應變片上測得的信號推算出來

式中:h 是壓痕的深度，x1、x2是試樣兩個端面的位移，c0是應力波在桿中的傳播速度，εI、εR、εT分別是應變片捕捉到的入射信號、反射信號和透射信號，F 是試樣在實驗過程中所受的沖擊載荷，E 是桿材料的彈性模量，A 是桿的端面面積。

1.3 壓頭參數的確定

通過有限元軟件的模擬，得到沖擊實驗過程中壓頭所受到的最大應力，根據該應力，選擇滿足最大應力要求的YG6X 硬質合金［20］作為壓頭和壓頭支撐物的材料。為了保證波形能夠在壓頭與鈦合金套筒組合體中無損的傳播，保護脆性的硬質合金，根據波阻抗匹配公式:ρ1c1A1+ρ2c2A2=ρ cA，計算鈦合金套筒和硬質合金支撐物端面面積，實現硬質合金壓頭和鈦合金套筒組合體與入射桿波阻抗的匹配，如圖1 所示。采用2 種壓頭組合體:圓錐壓頭組合體和棱錐壓頭組合體，鈦合金筒的外徑為12.7 mm。圓錐壓頭錐角為110°，棱錐壓頭錐角為136°。

壓頭組合體與入射桿用502 膠粘連為一體，為了保證在實驗過程中反射波無損地達到貼在入射桿上的應變片，同時也保證壓頭組合體牢固地固定在入射桿端面上，選擇長30 mm 的壓頭支撐物和鈦合金套筒。通過數值計算，得到30 mm 壓頭支撐物長度下壓痕深度實驗誤差約4%。

1.4 實驗的可行性驗證

為確定實驗中應變片測量信號計算的實驗數據能夠準確代表實驗中試樣的真實情況，通過ABAQUS 有限元軟件對整個實驗過程進行模擬。對比發現，通過分離式Hopkinson 壓桿系統獲得的壓痕試樣受到的沖擊載荷與實驗中的真實數據基本吻合，如圖2 所示，從而得出了實驗可行的結論。

圖1 壓頭與入射桿連接剖面圖Fig.1 The cutaway view of the indenter and incident bar

圖2 壓痕深度與沖擊力的實驗和計算結果對比Fig.2 The contrast of indentation and impact between experiment and calculation

2 實驗結果

2.1 壓痕的產生

在動態壓痕沖擊實驗中選用126、266、395 mm 等3 種不同長度的子彈，得到一系列實驗數據。圖3是鋁試樣在實驗后與數值模擬計算后的形狀圖。

壓痕尺寸定義為試樣的壓痕面積，這樣圓錐形和棱錐形壓頭下的壓痕面積分別為

式中:h 是壓痕深度。

圖3 實驗與有限元模擬下的鋁合金試樣分別在圓錐和Vickers 壓頭沖擊后的形狀Fig.3 Shapes of the aluminium sample under impact of cone and Vickers indenters in the experiment and numerical simulation

分析沖擊實驗過程中壓痕的響應，如圖4 所示，可以清楚地看出，隨著時間增加到載荷峰值時刻，壓痕的深度開始衰減。當沖擊力載荷達到最大值時，壓痕深度也達到最大值，壓頭組合體的速度為零。最后，壓頭組合體回彈，并獲得一個離開速度。因此，動態壓痕實驗中，試樣壓痕的產生分為明顯的3 個階段:開始階段、壓痕階段和回彈階段。由圖4 可以看出，壓痕深度的產生與沖擊力的產生對應于時間軸上起始點是基本一致的，因此可以說明2 個量之間的同步性。

2.2 實驗結果誤差分析

對試樣的真實壓痕尺寸與應變片信號計算得到壓痕尺寸進行比較

式中:η 為誤差，Le為實測得到的壓痕對角線長度，Lc為應變片信號計算得到的壓痕對角線長度。

圖4 鋁試樣壓痕深度、沖擊載荷與時間關系及3 種材料試樣壓痕面積與所受沖擊載荷關系曲線Fig.4 Indentation-time and impact-time curves of the aluminiun sample and indentation acreage-impact curves of three kinds of samples

表1 3 種不同材料的部分試樣計算壓痕尺寸與實際壓痕尺寸Table 1 Calculated and actual indentation sizes of partial samples of three kinds of different materials in experiment

對表1 中數據進行分析，由1.3 節可知，用應變片信號計算得到的壓痕尺寸略小于實驗中真實的壓痕尺寸，產生偏差的主要原因是壓痕尺寸的測量、反射波形的少量損失以及試樣的彈性應變等造成的。

2.3 動態硬度

動態硬度的定義與靜態硬度的定義類似，定義為試樣所受載荷與壓痕面積的比值。定義Vickers 壓頭下的動態硬度［17］為

同樣，對于圓錐壓頭下的動態硬度［17］定義為

式中:P 是實驗過程中試樣所受到的沖擊載荷的峰值，對于Vickers 壓頭，d 表示實驗后壓痕對角線長度的平均值，對于圓錐壓頭，d 表示實驗后壓痕直徑長度的平均值。

表2 中給出了不同材料的試樣在不同沖擊速度下的動態硬度值。

表2 3 種材料試樣在不同沖擊速度下的DHV 硬度和DHSC 硬度Table 2 DHV and DHSC hardness of samples of three kinds of material under different impact velocities

為了與動態硬度值相比較，在微硬度計上對3 種材料試樣進行了準靜態微硬度的測量。可以得到3 種材料的維氏硬度分別為:Ti，3.098;Cu，0.408;Al，1.312，與動態硬度相對比可以發現，材料的靜態硬度是一個常數，動態硬度則隨沖擊速度的增加而增大。

2.4 材料的率敏感性

眾所周知，鈦和無氧銅在高應變率下表現出明顯的率敏感性。當應變率達到103s－1量級時，它的流動應力對應變率的依賴性變得格外顯著。為了通過動態壓痕實驗來研究材料的率敏感性，需要對平均應變率進行定義。

在壓痕實驗中，壓痕區域變形極不均勻，應變在壓痕頂點處最大，沿外圍逐漸減小，在距離壓頭一定位置處減小為零;在整個壓痕過程中，應變隨時間變化的規律也非常復雜。因此，壓痕區域的應變率不僅在空間分布上各點取值不同，在每一點處的應變率也是時間的函數。

通過有限元計算，得到基于經驗的應變率確定方法。對于棱錐形壓頭，通過有限元軟件模擬了不同子彈在不同沖擊速度下的實驗過程，取沖擊后試樣壓痕緊靠尖端單元網格的方形環處各個點應變的平均值，將該應變曲線初始階段的應變率定義為平均應變率。分別將這些平均應變率與相對應子彈的入射速度做對比，兩者之間存在如下關系

G.Subhash 等［16］定義平均應變率為壓痕的速度與壓痕的尺寸的比值，他們將壓痕形成的后期速度的平均值作為壓痕的速度(如圖4 所示)，將壓痕的尺寸定義為壓痕的深度或對角線長度，很顯然，這也是一個平均應變率的估算公式。在處理實驗數據時，每次都需要找出壓痕后期呈線性的部分，計算出壓痕速度，這樣較為繁瑣。文中提出的公式，雖然在公式的獲取上需要進行大量的有限元計算，但給出公式之后，應變率的確定就變得十分簡便，在工程上具有更方便的應用。在相同的實驗條件下，將文獻［16］中定義的平均應變率與本文中定義的平均應變率進行比較，可以發現平均應變率的對數之間的誤差不超過5%，從一個側面也反映了公式(8)的可行性。

有了平均應變率之后，結合2.4 節得到的動態硬度，定義材料的率敏感性

式中:HD是材料的動態硬度，是試樣的平均應變率。

將實驗得到的DHV 硬度、DHSC 硬度及其他學者對3 種材料進行力學性能測試得到的流動應力進行量綱一處理，以靜態的硬度以及低應變率下的流動應力為基準，將這種量綱一化后的硬度和流動應力記為N，3 種材料在不同應變率下的N 值如圖5 所示。

從圖5 可以明顯地看出，不論是Vickers 壓頭還是圓錐壓頭下鈦試樣和無氧銅試樣的DHV 和HSC動態硬度斜率隨著試樣所受到的應變率的增大而增加，由公式(9)可知，率敏感性也隨著應變率的增加而不斷增大。但對于鋁合金試樣而言，DHV 和DHSC 動態硬度隨著應變率的變化而發生的變化要平緩得多，相應的率敏感性就要小，率敏感性的變化也小。因此可知無氧銅和鈦材料的率敏感性高于鋁合金材料的率敏感性。這與實際工程中3 種材料的率敏感性關系一致。

圖5 鈦、鋁、無氧銅的應變率與不同間的N 值間的關系Fig.5 Relation between strain rate and N of Ti，Al and Cu samples

3 結 論

介紹了一種新的確定材料動態壓痕硬度的實驗技術，并將這種技術發展用來測試工程材料的率敏感性。將該種方法獲得的材料的動態硬度值與廣泛應用的硬度計下測得的硬度值進行比較，發現所測材料的動態硬度值略大于靜態硬度值。通過對不同應變率下的動態壓痕實驗結果分析表明，本文中用到的3 種材料的動態硬度均表現出不同的應變率敏感性，與實際工程中的敏感性具有很好的一致性。

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