本發(fā)明涉及一種用于測試材料動態(tài)力學(xué)特性的實驗方法，尤其涉及一種單波導(dǎo)桿材料動態(tài)壓痕實驗方法。

背景技術(shù)：

工程材料的力學(xué)行為受到其應(yīng)力狀態(tài)的明顯影響，而在動態(tài)加載條件下，材料的力學(xué)行為更與加載的速度(具體度量為應(yīng)變率)相關(guān)，對于高應(yīng)變率下材料力學(xué)性能的測量，現(xiàn)在實驗技術(shù)受到各種限制仍不盡完美。材料硬度實驗是工程界廣泛采用的材料力學(xué)性能的測試方法，簡單有效，而儀器化壓痕、納米壓痕實驗技術(shù)則是傳統(tǒng)硬度測量的進一步發(fā)展，可以測得壓入過程的變形與受力，但現(xiàn)有技術(shù)僅限于材料的靜態(tài)性能測試。雖然也有采用動態(tài)壓入的實驗技術(shù)如常見的里氏、肖氏硬度計等，但它們僅具有形式上的“動態(tài)”，并不能測得足夠的材料的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)的細節(jié)。

目前也有采用霍普金森壓桿來研究材料的動態(tài)力學(xué)特性，但現(xiàn)有的方法由于壓頭與壓桿的波阻抗不完全匹配，使得其實驗中壓入量時程測量的誤差不可忽略；又由于動態(tài)力傳感器的支承方式，使得壓入力的測量不可避免地含有附加振蕩，從而導(dǎo)致其整體的測量精度不高，且不適用于高加載速度下的測試。此外，在許多情況下，希望對于材料動態(tài)力學(xué)特性的測試能夠在其工作的環(huán)境下進行即所謂原位測試，而目前的動態(tài)硬度測試技術(shù)對此無能為力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可精確測得壓頭壓入材料過程的壓入力與壓入位移時程曲線，且可用于應(yīng)變率高達10⁵s^-1量級的材料動態(tài)力學(xué)特性的原位測試及工件動態(tài)力學(xué)性能的現(xiàn)場測試的單波導(dǎo)桿材料動態(tài)壓痕實驗方法。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種單波導(dǎo)桿材料動態(tài)壓痕實驗方法，包括以下具體步驟：

(1)、在壓桿的右端部一體設(shè)置球形的壓頭，并在壓桿的左端部固定脈沖整形器；

(2)、在壓桿的中部固定電阻應(yīng)變片，并將電阻應(yīng)變片與信號調(diào)理器電連接，將信號調(diào)理器和計算機處理系統(tǒng)分別與數(shù)字示波器電連接；

(3)、在不安裝被測試件的狀態(tài)下進行撞擊實驗，具體為：發(fā)射撞擊桿，撞擊桿撞擊壓桿的左端，壓桿中的應(yīng)力波在壓頭處發(fā)生自由面反射，電阻應(yīng)變片分別測得壓桿中的入射波應(yīng)變信號εi0(t)和反射波應(yīng)變信號εri(t)，同時測出壓頭的速度時程vi(t)，然后通過傅立葉變換得到相應(yīng)的頻域變量ei0(ω)、eri(ω)和vi(ω)，即ei0(ω)＝f[εi0(t)]，eri(ω)＝f[εri(t)]，vi(ω)＝f[vi(t)]；

(4)、在不安裝被測試件且去掉撞擊桿的狀態(tài)下進行實驗，具體為：在壓頭上施加軸向力脈沖f(t)，電阻應(yīng)變片測得應(yīng)變信號εrf(t)，同時測出壓頭的速度時程vf(t)，然后通過傅立葉變換得到相應(yīng)的頻域變量ff(ω)、erf(ω)和vf(ω)，即ff(ω)＝f[f(t)]，erf(ω)＝f[εrf(t)]，vf(ω)＝f[vf(t)]；

(5)、在壓頭的右側(cè)放置被測試件，并對被測試件的撞擊面進行打磨，然后通過撞擊桿進行撞擊實驗，具體為：發(fā)射撞擊桿，撞擊桿撞擊壓桿的左端，壓桿右端部的球形的壓頭壓入被測試件，形成壓坑過程，同時，電阻應(yīng)變片分別測得壓桿中的入射波應(yīng)變信號εi(t)和反射波應(yīng)變信號εr(t)，并通過傅立葉變換得到相應(yīng)的頻域變量ei(ω)和er(ω)；

(6)、將上述所測得的各個信號代入關(guān)系式：

處理后，得到壓頭的壓入力時程曲線findent(t)、壓入速度時程曲線vindent(t)和壓入位移時程曲線uindent(t)，實現(xiàn)對材料動態(tài)力學(xué)性能的測試，上述關(guān)系式(1)、(2)中，er-indent(ω)表示頻域中由壓痕發(fā)生所產(chǎn)生的反射波信號成份，vindent(ω)表示頻域中的壓頭壓入速度，findent(ω)表示頻域中的壓頭壓入力，符號f^-1[]表示傅立葉逆變換。

進一步地，所述的壓桿和所述的壓頭的材料均為硬質(zhì)合金，如碳化鎢硬質(zhì)合金。

進一步地，所述的壓桿的直徑與所述的壓頭的直徑之比為1～6：1，所述的撞擊桿的直徑與所述的壓桿的直徑相等，所述的壓桿的長度與所述的撞擊桿的長度之比大于等于5。

進一步地，所述的脈沖整形器為銅或鋁質(zhì)薄片，厚度為0.1～0.5mm。

進一步地，所述的被測試件為圓盤狀，且直徑d大于10倍的壓頭直徑，當(dāng)被測試件的厚度l≤2cptf或被測試件的直徑d≤2cptf時，其中：cp表示被測試件的材料中p波波速，tf表示被測試件的加載脈沖寬度，在所述的被測試件的右側(cè)設(shè)置支撐重塊，所述的支撐重塊與所述的被測試件的右端面緊密接觸。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是通過該實驗方法可精確測得壓頭壓入被測試件過程中的壓入力、壓入位移和壓入速度時程曲線，且可用于應(yīng)變率高達10⁵s^-1量級的材料動態(tài)力學(xué)特性的原位測試及工件動態(tài)力學(xué)性能的現(xiàn)場測試；此外，該實驗方法為基于頻域—時域變換的精確實驗數(shù)據(jù)處理方法，克服了傳統(tǒng)的、基于一維應(yīng)力波理論的數(shù)據(jù)處理方法無法應(yīng)用于該類實驗的困難。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的步驟(5)在進行撞擊實驗時所測得的應(yīng)變信號圖；

圖3為本發(fā)明所測得的壓頭壓入力時程曲線和壓入位移時程曲線。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。

如圖所示，一種單波導(dǎo)桿材料動態(tài)壓痕實驗方法，包括以下具體步驟：

(1)、在壓桿1的右端部一體設(shè)置球形的壓頭11，并在壓桿1的左端部固定脈沖整形器2；

(2)、在壓桿1的中部固定電阻應(yīng)變片3，并將電阻應(yīng)變片3與信號調(diào)理器4電連接，將信號調(diào)理器4和計算機處理系統(tǒng)5分別與數(shù)字示波器6電連接；

(3)、在不安裝被測試件7的狀態(tài)下進行撞擊實驗，具體為：發(fā)射撞擊桿8，撞擊桿8撞擊壓桿1的左端，壓桿1中的應(yīng)力波在壓頭11處發(fā)生自由面反射，電阻應(yīng)變片3分別測得壓桿1中的入射波應(yīng)變信號εi0(t)和反射波應(yīng)變信號εri(t)，同時測出壓頭11的速度時程vi(t)，然后通過傅立葉變換得到相應(yīng)的頻域變量ei0(ω)、eri(ω)和vi(ω)，即ei0(ω)＝f[εi0(t)]，eri(ω)＝f[εri(t)]，vi(ω)＝f[vi(t)]；

(4)、在不安裝被測試件7且去掉撞擊桿8的狀態(tài)下進行實驗，具體為：在壓頭11上施加軸向力脈沖f(t)，電阻應(yīng)變片3測得應(yīng)變信號εrf(t)，同時測出壓頭11的速度時程vf(t)，然后通過傅立葉變換得到相應(yīng)的頻域變量ff(ω)、erf(ω)和vf(ω)，即ff(ω)＝f[f(t)]，erf(ω)＝f[εrf(t)]，vf(ω)＝f[vf(t)]；

(5)、在壓頭11的右側(cè)放置被測試件7，并對被測試件7的撞擊面進行打磨，然后通過撞擊桿8進行撞擊實驗，具體為：發(fā)射撞擊桿8，撞擊桿8撞擊壓桿1的左端，壓桿1右端部的球形的壓頭11壓入被測試件7，形成壓坑過程，同時，電阻應(yīng)變片3分別測得壓桿1中的入射波應(yīng)變信號εi(t)和反射波應(yīng)變信號εr(t)，并通過傅立葉變換得到相應(yīng)的頻域變量ei(ω)和er(ω)；

(6)、將上述所測得的各個信號代入關(guān)系式：

處理后，得到壓頭11的壓入力時程曲線findent(t)、壓入速度時程曲線vindent(t)和壓入位移時程曲線uindent(t)，實現(xiàn)對材料動態(tài)力學(xué)性能的測試，上述關(guān)系式(1)、(2)中，er-indent(ω)表示頻域中由壓痕發(fā)生所產(chǎn)生的反射波信號成份，vindent(ω)表示頻域中的壓頭壓入速度，findent(ω)表示頻域中的壓頭壓入力，符號f^-1[]表示傅立葉逆變換。

上述實施例中，壓桿1和壓頭11的材料均為硬質(zhì)合金，如碳化鎢硬質(zhì)合金，壓桿1的直徑與壓頭11的直徑之比可在1～6：1的范圍內(nèi)根據(jù)實際情況進行選擇，撞擊桿8的直徑與壓桿1的直徑相等，壓桿1的長度與撞擊桿8的長度之比大于等于5；脈沖整形器2可以為銅或鋁質(zhì)薄片，厚度可在0.1～0.5mm的范圍內(nèi)選擇；此外，被測試件7為圓盤狀，且直徑d大于10倍的壓頭11的直徑，當(dāng)被測試件7的厚度l≤2cptf或被測試件7的直徑d≤2cptf時，其中：cp表示被測試件7的材料中p波波速，tf表示被測試件7的加載脈沖寬度，在被測試件7的右側(cè)設(shè)置支撐重塊，支撐重塊與被測試件7的右端面緊密接觸。