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1、文章编号:1005-0930(2012)02-0321-008中图分类号:O3465文献标识码:Adoi:103969/j issn1005-0930 2012 02016收稿日期:2010-11-04;修订日期:2011-03-29基金项目:国家自然科学基金资助项目(50874095)作者简介:陈小安(1985)，男，博士研究生 E-mail:chenxiaoan0218163 com研究金属材料高温动态拉伸性能新方法陈小安1，宋顺成1，2(1 西南交通大学力学与工程学院，四川 成都 610031;2 冲击环境材料技术国家级重点实验室，浙江 宁波315103)摘要:采用自行设计带有小型加温装
2、置的改进的分离式 Hopkinson 拉杆装置测试了金属材料在高温条件下的动态拉伸性能，并用修正的 Johnson-Cook 模型作为材料的本构关系，提出了一种拟合金属材料在弹性及塑性阶段应变率及温度相关的损伤模型，并拟合出参数 结果表明:改进装置能够精确控制加温速率及温度，减小杆端软化的影响，测试结果相对误差小于 1 5%;金属材料 304 不锈钢的屈服应力及断裂应变具有明显的正应变率效应的温度软化效应，但材料弹性模量具有负应变率效应和负温度效应;在 293625K 之间计算结果和试验结果吻合较好，表明可用这种方法测试及估算材料高温动态力学性能，并用于工程分析关键词:金属材料;动态拉伸性能;
3、高温;应变率;新方法目前由于高速加载装置的发展，越来越多的学者开始关注高温下材料的力学性能1，针对金属材料的动态力学性能研究还主要在常温动态拉压力学性能2-5，而对在高温下金属的动态力学性能的报道更是很少且集中在对具有典型晶体结构的金属展开，Nemat-Nasser S 等6 利用 Hopkinson 压杆对纯钛材料进行了高温压缩实验，Lennon A M等7 利用红外预加温及 Kolsky 杆对铜，矾及-钛进行了高温压缩实验，这种装置认为试样和杆件装配前后的温度一致，同时这种测温方式也暗示试样的温度场始终均匀的假设，这种方法的可靠性还有待验证 Vaidya R U 等8 研究对比了 Ti-4
4、6 5Al-3Nb-2Cr-0 2W 和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo 两种金属在高温下的压缩性能 在金属的高温动态拉伸力学性能的研究上，Mostafa Shazly 等9 采用了 SHTB 装置对金属材料高温下力学性能进行了研究，其中压缩采用喷出的高温气体进行温度加载，拉伸实验中在试样上缠裹电阻丝进行温度加载，这两种方法均难以控制试样温度的均匀性，同时导致实验段温度无法精确测量，而且实验存在应力应变的非本构抖动 Sturges J L 等10 采用 U 形感应线圈对试件快速加温然后移开线圈采用飞行楔体对试件进行冲击拉伸实验，这样的方法很难保证试样温度的稳定性和均匀性，而且这种装置无法
5、消除惯性效应影响 在常温动态拉伸测试方面 LindholmU S11 等采用 Hopkinson 压杆装置及一种顶端帽形试样完成，但这种方法无可避免地在测第20卷 2 期2012年 4 月应用基础与工程科学学报JOURNAL OF BASIC SCIENCE AND ENGINEERINGVol 20，No2April 2012试结果中存在剪切应力的影响，而且测试用试样在加工上存在相当的难度 Nicholas T 12 采用反射拉伸的方法进行测试，测试中材料的结果会受到第一次压力波的影响，而且文中的紧固方式会不可避免地存在拉伸应力的非本构抖动 综合以上文献，除文献 6 在位错动力学基础上给出了
6、高温下金属材料的动态压缩参数，其余文献均未给出材料数值拟合参数 本文采用小型加温炉和自主研发制造的 Hopkinson 缸、杆分离式直接拉伸装置测试了304 不锈钢材料在不同温度下的动态拉伸性能 采用修正的 Johnson-Cook 模型作为材料的本构关系，提出了一种拟合金属材料在弹性阶段应变率及温度相关的特征规律的损伤模型，并拟合出其不同参数 结果表明这种新的实验方法及数值模型能够完成对金属材料在高温高应变率下的拉伸性能研究1实验设备及原理本实验采用自主研发制造的 Hopkinson 缸、杆分离式动态拉伸设备和具有可调温度并可实时监控的加温设备对金属材料在不同应变率和不同温度下进行动态拉伸实
7、验 实验装置如图 1 所示图 1动态拉伸装置示意图Fig 1Schematic of the apparatus for dynamic tensile experiment在这种新的测试技术中，测试杆采用空心杆，其目的主要是为了放大测试信号，减小横向惯性效应对应力波弥散的影响，空心杆穿过子弹发射筒，而与之相连的气缸单独分离出来，为缸、杆分离式气动直接动态拉伸装置，与现有的设备相比，由于降低了子弹发射腔的密封性要求，新增的输入杆套筒结构简单，仅在测试瞬间为高压，加压过程不在其中完成，子弹采用具有一定长度的空心管，这样无论从装配还是实验过程中均可相应提高测试精度，并在可精确控制的压力下更能有效地
8、控制应变率，而且这种直接拉伸设备可以避免出现剪切应力及压缩波的影响 试样采用螺纹连接在入射杆与透射杆之间，实验中在试样与测试杆连接处添加了减震设备反向背紧螺纹连接部分，这能够有效地减小甚至消除测试过程中应力应变关系的非本构抖动温度控制方面，采用小型高温炉对试样段进行局部加温，极大地避免了温度对测试杆件的影响，高温炉是将电阻丝缠绕在陶瓷材料上并添加耐高温保温材料，电阻丝通电电压由变压器控制，试样测试段的温度由 K 型热电偶测量，这种热电偶测量范围在 50 750 之间，能够满足实验要求 这种加温方式不仅能够保证试样测试段温度的均匀性，223应用基础与工程科学学报Vol 20而且可以保证温度的精确
9、性，在此基础上可以做到对实验的实时测量和监控气动缸、杆分离型直接拉伸装置的工作原理是，子弹在可控压力的高压气体驱动下以一定速度发射，撞击输入杆头部的砧子，在输入杆中形成直接拉伸入射应力波 i，在砧子中形成压缩波被吸收杆全部吸收 入射波通过应变片 2 被感受到，该入射波再经过拉伸试样，一部分作用在试样上的力转化为透射波 t经过透射杆被应变片 1 感受到，另外一部分由于试样变形或位移转化为反射波 r反射回输入杆，当经过应变片 2 时被其感受到，这样被应变片 1 和 2 感受到的入射、反射和透射波经过超动态应变仪放大输入到电脑中进行波形和数值处理，从而获得所测参数，应变片记录波形如图 2 所示 采用
10、以上方法测得的应力波波形很好，所以实验应力应变完全可以由透射波和反射波分别求出，即=EAt/A0(1)=2Clt0rdt(2)式中，E，C 分别为为测试杆弹性模量和声速;A，A0分别为测试杆和试样拉伸段的横截面积;l 为试样拉伸段长度图 2金属材料动态拉伸应力波Fig 2Stress waves of metal material bythe dynamic tensile test由图 2 可以看出，透射波的波长是与入射及反射波长相当的，因此材料并没有在第一个拉伸波内断裂，相应的应力应变曲线下降沿对应的结果也不是材料的断裂应变及断裂应力，这与压缩实验有一定区别，下文的断裂应变为测量结果，而断
11、裂应力还有待进一步研究图 3 为应变率在非常接近的条件下对 304钢同一种试样，在常温下的动态拉伸重复性对比实验，可以看出 3 种应力应变关系吻合地非常好，具有相当好的重复性，3 次实验的屈服应力分 别 为 941 64MPa，955 81MPa 和 95811MPa 相对误差分别为 1 07%，0 41%及 0 66%，根据 GB/T 228-2002 标准总测量相对误差不确定度最精确的要求是 2%，因此本实验具有较高的可信度，能够满足在高应变率下的材料动态拉伸性能测试精度的要求图 3相同条件下可靠性验证Fig 3Reliability demonstration at the same c
12、ondition323No 2陈小安等:研究金属材料高温动态拉伸性能新方法2本构模型对于大多数金属材料而言，普遍具有应变率强化效应和温升软化效应，Johnson-Cook模型是一个能反映材料这两种效应的理想刚塑性强化模型 Johnson-Cook 材料模型包括两部分，第一部分只涉及流动应力f=A+B(p)n 1+Cln*1 (T*)m(3)式中，f是 Von Mises 流动应力;p是等效塑性应变;*=p/0是等效塑性应变率，0为参考应变率，取0=104s1，T*=(T0+T Tr)/(Tm Tr)是无量纲温度，Tm和 Tr分别为材料熔化温度和室温，分别取为 1700K 和 293K，T0为初
13、始实测温度，T 为塑性变形产生的温升量，此温升量理论值为13 T=(/Cp)d(4)式中，为金属的密度;Cp为材料比热;为材料塑性功对材料的转移系数，Nemat-NasserS 针对热转移系数做了详尽的试验，他建议塑性功应全部转换成热量，即 =1 Johnson-Cook 模型假设材料是各向同性硬化，并将二维应变和应变率张量利用简单的标量形式表达 其中有 5 个待定的经验参数，各参数的物理意义为:A 为室温和参考应变率下的屈服应力，B、n 为应变硬化参数，C 为应变率敏感系数，m 为温度软化参数 式(3)中第一部分是无量纲温度为零时的流动应力与等效塑性应变的关系，第二和第三部分分别是应变率效应
14、和温度效应Johnson-Cook 材料模型第二部分涉及断裂应变f=D1+D2exp(D3*)1+D4ln*1+D5T*(5)式中，f为断裂应变;*=p/eff为三轴应力度，p 为静水压力，eff为 Mises 等效应力;D1，D2，D3，D4，D5均为材料参数;参考应变率取为0=1s1 在 Hopkinson 拉伸实验中由于只涉及一维应力波，定义 D2=D3=0金属弹性部分采用带有动态损伤参量的线性拟合公式e=Ed=E(1 Dd)(6)式中，e为材料弹性阶段应力;Ed，E 分别为带有动态损伤和无损伤材料弹性模量，设 E=250GPa;Dd为材料动态损伤参数，范围在 0 到 1 之间，当 Dd
15、为 0 时材料无损伤，为 1 时则材料完全失效 通过对不同应变率及不同温度下的应力应变曲线分析，由式(6)可以得到金属材料在不同条件下的动态损伤参数 Dd，从而拟合出 Dd与无量纲应变率和无量纲温度的关系曲线 参照 Johnson-Cook 材料模型的处理，考虑到 Dd只是弹性范围内的参数，相关应变很小，认为 Dd与应变无关并假设Dd=K1 1+K2ln*1+K3T*(7)式中，K1，K2，K3均为材料损伤参数;参考应变率取为0=1s1 由于 Dd0，所以在不同温度下只有当应变率达到一定值时才认为材料中出现损伤 至此已经可以完全求解出金属材料的所有材料参数3实例计算采用 304 不锈钢材料对以
16、上方法进行验证计算，试验分别在常温、555K 及 625K 3 组423应用基础与工程科学学报Vol 20温度下，对 304 不锈钢在 200s13000s1应变率范围内进行动态拉伸力学性能测试 304不锈钢的密度取为 7 93g/cm3，比热取为 503J/kgK通过不同温度及不同应变率条件下得到的应力应变曲线的拟合结果可以得到Johnson-Cook 本构模型第一部分的材料参数 试验中 6 组结果如图 4(a)所示，可以看出304 不锈钢和大多数金属材料一样，具有明显的正应变率效应和温度软化效应 在材料弹性阶段存在一个明显的特征，材料的弹性模量存在明显负应变率效应和负温度效应，即弹性模量随
17、应变率升高而降低，随温度升高而降低;在材料屈服后，只有在低温低应变率条件下才可能存在应变硬化，但不明显，而在高温高应变率条件下材料大多表现为应变软化效应，这可能是由于式(4)中描述的塑性变形引起的温度升高引起的温度软化造成的 通过对这些特征的分析拟合，可以得到式(7)中的损伤参数 第二部分的断裂应变部分的材料参数通过对不同温度及应变率下拉断试样的测量结果拟合得到，如图 4(b)所示，可以看出在同一温度下断裂应变具有明显的正应变率效应，体现出材料的应变率韧性效应;同一应变率条件下材料的断裂应变随着温度的升高而降低，体现出温度脆性效应 通过对这一特性的拟合，可以得到式(5)的参数图 4试验结果Fi
18、g 4The test results通过对 304A 不锈钢动态拉伸试验结果中应力应变曲线的第一阶段的弹性部分特性分析，采用带有动态损伤参量的线性拟合，即式(6)，得到材料在不同条件下的动态损伤参数 Dd随无量纲应变率和无量纲温度的变化，如图 5 所示 可以看出动态损伤因子随温度和应变率的提高均呈上升趋势，并且在常温向高温转变时，损伤因子间的差异逐渐减小，但不是很明显，式(7)中已经忽略了这一因素 在拟合过程中，由于这是在弹性阶段，所以实际温度中没有塑性变形产生的温升，即实际温度就是初始温度 因此由无量纲温度的定义可知常温下 T*=0，所以 K1和 K2可直接由常温下金属材料动态损伤 Dd随
19、无量纲应变率变化曲线拟合得到，但这样在不同高温条件下求出的 K3可能有多个值，所以需要反复迭代求出比较合理的损伤参数 至此已经可以完全求解出 304 不锈钢的所有材料参数，将拟合得到的参数总结如表 1 不同温度和应变率条件下拟合得到的应力应变曲线和试验曲线对比如图 6 所示，可以看出拟合得到的结果与试验结果能够很好地吻合 这种本构模型能够满足对 304 不锈钢动态拉伸性能在不同阶段的特征523No 2陈小安等:研究金属材料高温动态拉伸性能新方法图 5动态损伤因子与无量纲应变率关系Fig 5Relation of dynamic damage factor and dimensionless s
20、train rate表 1304 不锈钢高温动态拉伸参数Table 1Dynamic tensile parameters at high temperature of 304 stainless steels强度参数断裂应变参数损伤参数A/MPaBCmnD1D4D5K1K2K362053501240 78900230 49002650540090202480374图 6不同温度和应变率下模型预测结果与试验结果对比Fig 6Comparison between model predictions and experimental resultsat different strain rates
21、 and temperatures4结论(1)使用本文中的加温方式和改进的 Hopkinson 杆能够对金属材料进行不同温度条件下高应变率动态拉伸性能测试，并比较精确地得到不同温度和不同应变率条件下材料的动态拉伸力学参数;(2)和大多数金属材料一样，本文测试的这种金属材料 304 不锈钢的动态拉伸性能具有明显的正应变率效应和温度软化效应，但材料弹性模量具有负应变率效应和负温度效应，在屈服阶段后只有在低温低应变率条件下才可能出现加工硬化现象，在高温高应变率条件下大多表现为应变软化;623应用基础与工程科学学报Vol 20(3)通过本文的测试方法和理论模型拟合方法对金属 304 不锈钢的动态拉伸性
22、能进行了测试和模拟，得到相关动态拉伸强度参数和断裂应变参数，并采用损伤模型对材料在弹性段性能进行拟合，得到材料的损伤参数，对比结果表明拟合结果与试验结果能够很好地吻合参 考 文 献1Zhou Xingang，Zhang John Effect of different materials on the behavior of concrete members under fireJ Journal ofBasic Science and Engineering，2002，10(3):277-2862Rittel D，Frageand N，Darie M P Dynamic mechanical
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30、Tensile Propertiesof Metallic Materials at High TemperatureCHEN Xiaoan1，SONG Shuncheng1，2(1 Southwest Jiaotong University，School of Mechanics and Engineering，Chengdu 610031，China;2 National KeyLaboratory of Science and Technology on Materials in Impact Environment，Ningbo 315103，China)AbstractThe dyn
31、amic tensile properties of metallic materials were measured by the improved splitHopkinson bar with small heating device at different temperatures and strain rates With thehelp of modified Johnson-Cook constitutive relationship，a damage model describing the strainrate and temperature in elastic and
32、plastic stage was developed The experimental results showedthat by using the improved experiment device，the heating rate and temperature could becontrolled accurately，the softening effect of bar end could be reduced，and the maximumrelative error was below 1 5%;the yield stress and fracture strain of
33、 304 stainless steel had akind of positive strain rate effect and temperature softening effect，while the elastic modulus hadnegative strain rate effect and temperature effect The agreement of the final computation resultswith the experimental data at 293625K indicated this method could be used to measure andestimate the dynamic properties of metallic materials and effectively at engineering analysesKeywords:metallic material;dynamic tensile property;high temperature;strain rate;new method823应用基础与工程科学学报Vol 20