用于绝热剪切研究的自约束双剪切试样及方法

技术领域

本发明属材料力学技术领域，尤其涉及一种用于绝热剪切研究的自约束双剪切试样及方法。

背景技术

绝热剪切是材料与结构在高速冲击响应下的一种特殊物理现象，即使在剪应力峰值到达之前，绝热剪切也能发生。常见于高速成型、动能穿甲弹的侵彻与穿甲过程，靶板冲孔等。该现象的最早研究要追溯到1878年，在锻造铁棒的表面以“X”形迹线的形式被Tresca发现，命名其为热线(Heat lines)。1944年，Zener在钢的高速穿孔实验中观察到一条白亮带，并认为剪切带形成是淬火的过程。之后，大量的学者对此现象进行报道，并且展开了绝热剪切起始条件等一系列的研究。总的来说，绝热剪切带(Adiabatic shear band，ASB)的基本特征为高应变(10

为了更方便地研究绝热剪切起始行为，学者们设计了不同的试样结构及试样方法。常见的试样结构有片式试样、闭口片式试样、双剪切试样、帽型试样、压剪试样、II型断裂试样等等。基于不同的试样结构，配套的实验测试方案被设计去实现绝热剪切起始研究，如在霍普金森杆上进行动态压缩试验、动态剪切试样、动态压剪试验、动态拉剪试验等等。

在试样结构设计方面，由于夹具的限制，部分试样结构无法实现对绝热剪切起始的临界应变条件的精准测量。如图3所示的片式试样，在研究临界应变条件时，需使用特殊的夹具去间接地限定位移。同样地，在图4中，II型断裂试样与双剪切试样，也需要特定的夹具去限制试样的位移，从而间接地实现临界应变准则的研究。其他类型的试样也有类似的问题，安装技术要求高，使用不方便，试验搭建较为复杂。

目前，常用于研究绝热剪切起始的试样及方法是帽型试样、双剪切试样以及片式试样，均采用常规的霍普金森杆实验技术来实现动态加载。但是，上述三种试验方法都具有一定的局限性。对于帽型试样而言，如图5所示，进行单次位移加载后，试样的断口无法直接用于后续的绝热剪切带的观测，如光学显微镜以及扫描电子显微镜观测等。需要采用额外的手段进行切割试样来观察断口，这无疑对实验结果引入了外界干扰。同时，帽型试样的多次加载试验设计困难，效率低，现有的方法并不能实现有效的单次位移控制。对于压剪试样同样存在类似的问题，无法简单地在实验中去控制试样发生的位移，需要设计特殊的两种夹具来间接地在准静态以及动态剪切性能测试中使用。

对于双剪切试验，双剪切试样在准静态以及动态试验中，需要采用不同的夹具结构，操作复杂；双剪切试样在试验时往往出现不对称起裂的现象，即一侧的支撑端剪切断裂，而另一侧的支撑端仅有塑形变形；由于双剪切试样结构的特点，导致在剪切性能测试的结果中剪应力随时间的增加表现出剧烈的抖动；在绝热剪切行为的研究中，位移冻结是约束试样变形量的一种有效研究手段。而双剪切试样在进行“位移冻结”实验中，需要采用额外的夹具进行约束。

对于片式试样，理想剪切试验中，剪切区与试样被加载的方向平行。而片式试样的剪切区与加载方向存在一定的角度。

因此，亟需一种操作方便、有效提高绝热剪切起始的临界应变条件的测量精准程度的用于绝热剪切临界应变准则研究的试样及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于绝热剪切研究的自约束双剪切试样及方法，以解决上述问题，操作方便、有效提高绝热剪切起始的临界应变条件的测量精准程度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种用于绝热剪切研究的自约束双剪切试样，包括：自约束双剪切试样本体，所述自约束双剪切试样本体包括加载块、两个支撑块、两个剪切区块和横梁，所述加载块的顶面用于与入射杆密封连接，所述加载块两侧的侧壁均一体连接有一个所述剪切区块，且所述加载块的顶面凸出两个所述剪切块顶面所在的平面，各所述剪切区块远离所述加载块的一侧均一体连接有一个所述支撑块，两个所述剪切区块关于所述加载块的中心面对称设置，两个所述支撑块均关于所述加载块的中心面对称设置，两个所述支撑块的底端均与所述横梁一体固定连接，所述横梁远离所述支撑块的底面用于与透射杆密封连接，所述加载块底面与所述横梁的顶面之间设置有移动间距，所述移动间距用于控制自约束双剪切试样本体在动态加载下发生的位移。

优选的，所述加载块为长方体结构且所述加载块靠近各所述剪切区块的侧边均做倒圆处理。

优选的，两个所述支撑块靠近所述剪切区块的侧边均做倒圆处理。

优选的，所述剪切区块与所述支撑块的连接边缘均做倒圆处理，所述剪切区块与所述加载块的连接边缘均做倒圆处理。

优选的，所述加载块的顶面和所述横梁的底面为相互平行的平面，所述加载块的顶面与所述入射杆为面面接触连接，所述横梁的底面与所述透射杆为面面接触连接。

本发明还提供了一种使用如上任一项所述的用于绝热剪切研究的自约束双剪切试样的用于绝热剪切研究的方法，包括以下步骤：

S1：利用绝热剪切行为起始的准静态基准试验确定所述自约束双剪切试样本体在低应变率条件下不会出现绝热剪切带；

S2：利用绝热剪切行为起始的动态基准试验确定所述自约束双剪切试样本体在高应变率条件下出现绝热剪切带后的所述移动间距的第一位移值。

S3：利用单次加载试验确定临界出现所述绝热剪切带时的所述移动间距的第二位移值，所述第二位移值为该应变率条件下，绝热剪切行为起始的临界应变条件。

优选的，步骤S1中的所述绝热剪切行为起始的准静态基准试验；设计所述自约束双剪切试样本体在0.001/s、0.1/s的低应变率下的准静态剪切试验，利用万能试验机对所述自约束双剪切试样本体进行准静态加载，试验后，通过对回收的所述自约束双剪切试样本体的断口进行扫描电子显微镜检测，并未观察到光滑的平面以及绝热剪切断口的特征，从而确定所述自约束双剪切试样本体在低应变率条件下发生的是等温剪切行为，并不会出现所述绝热剪切带。

优选的，步骤S2中的所述绝热剪切行为起始的动态基准试验；设计所述自约束双剪切试样本体在1300/s、6100/s两种高应变率下的动态剪切试验，利用霍普金森压杆对自约束双剪切试样进行动态加载，试验后，通过两种方法对绝热剪切行为进行辨识；一是对试验后所述自约束双剪切试样本体的所述剪切区块进行磨制、抛光和侵蚀处理，并在光学显微镜下观察白亮带的出现，从而验证所述绝热剪切带的出现；二是对回收所述自约束双剪切试样本体的断口进行扫描电子显微镜检测，观察光滑的平面以及绝热剪切断口的特征；从而得出在高应变率条件下，所述自约束双剪切试样本体出现绝热剪切带，并测得试验后所述自约束双剪切试样本体的所述移动间距的第一位移值。

优选的，步骤S3中的所述单次加载试验；在单脉冲实验技术下，改变所述移动间距的数值使其等于所述第一位移值的一半，来进行单次加载试验；试验后利用光学显微镜以及扫描电子显微镜观察所述绝热剪切带是否出现；若未出现，则认为所述绝热剪切行为起始的动态基准试验中的所述第一位移值为该应变率条件下，绝热剪切行为起始的临界应变；若所述绝热剪切带出现，则继续减少所述移动间距的数值，直至所述绝热剪切带不再出现；此时所述移动间距的数值为所述第二位移值，所述第二位移值为该应变率条件下，绝热剪切行为起始的临界应变条件。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明提供了一种用于绝热剪切研究的自约束双剪切试样及方法，试验方法简单，不需要夹具的使用，不需要在试样与入射杆与透射杆之间增加额外的接触，测得的试验信号将更为准确，有效的提高了绝热剪切起始的临界应变条件的测量精准程度。此外，通过改变自约束双剪切试样本体的加载块的底面与横梁的顶面之间的距离来控制自约束双剪切试样本体发生的位移，即位移冻结方法，将为绝热剪切行为出现的临界应变准则研究提供可靠的试验手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明提供的用于绝热剪切研究的自约束双剪切试样的正视图；

图2为图1的俯视图；

图3为现有技术中的片式试样以及夹具的结构示意图；

图4为现有技术中的II型断裂试样、双剪切试样以及夹具的结构示意图；

图5为现有技术中的帽型试样的结构示意图；

图6为本发明提供的自约束双剪切试样与现有的双剪切试样的准静态等效应力与等效应变的关系曲线图；

图7为本发明提供的自约束双剪切试样与现有的双剪切试样的动态等效应力与等效应变的关系曲线图；

图8为本发明提供的自约束双剪切试样与现有的双剪切试样的准静态实验效果对比图；

其中，1、加载块；2、剪切区块；3、支撑块；4、横梁；5、移动间距。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

本发明提供了一种用于绝热剪切研究的自约束双剪切试样，如图1-图2所示，包括：自约束双剪切试样本体，自约束双剪切试样本体包括加载块1、两个支撑块3、两个剪切区块2和横梁4，加载块1的顶面用于与入射杆密封连接，加载块1两侧的侧壁均一体连接有一个剪切区块2，且加载块1的顶面凸出两个剪切块顶面所在的平面，各剪切区块2远离加载块1的一侧均一体连接有一个支撑块3，两个剪切区块2关于加载块1的中心面对称设置，两个支撑块3均关于加载块1的中心面对称设置，两个支撑块3的底端均与横梁4一体固定连接，横梁4远离支撑块3的底面用于与透射杆密封连接，加载块1底面与横梁4的顶面之间设置有移动间距5，移动间距5用于控制自约束双剪切试样本体在动态加载下发生的位移，结构简单，操作方便，不需要夹具的使用，不需要在试样与入射杆与透射杆之间增加额外的接触，测得的试验信号将更为准确，有效的提高了绝热剪切起始的临界应变条件的测量精准程度。此外，通过改变自约束双剪切试样本体的加载块的底面与横梁4的顶面之间的距离来控制自约束双剪切试样本体发生的位移，即位移冻结方法，将为绝热剪切行为出现的临界应变准则研究提供可靠的试验手段。

在本实施例的一个优选的方案中，加载块1为长方体结构且加载块1靠近各剪切区块2的侧边均做倒圆处理，加载块1靠近各剪切区块2的侧边做1/4倒圆处理，有效地避免粗糙过渡线的出现，极大地规避了应力集中现象。

在本实施例的一个优选的方案中，两个支撑块3靠近剪切区块2的侧边均做倒圆处理，支撑块3靠近剪切区块2的侧边做1/4倒圆处理，有效地避免粗糙过渡线的出现，极大地规避了应力集中现象。

在本实施例的一个优选的方案中，剪切区块2与支撑块3的连接边缘均做倒圆处理，剪切区块2与加载块1的连接边缘均做1/4倒圆处理，规避了应力集中现象，若不进行1/4倒圆处理，试样将从应力集中的位置发生起裂。

在本实施例的一个优选的方案中，加载块1的顶面和横梁4的底面为相互平行的平面，加载块1的顶面与入射杆为面面接触连接，横梁4的底面与透射杆为面面接触连接，横梁4有效地替代特定夹具的功能，能够实现自约束双剪切试样本体与入射杆、透射杆的直接接触，避免像现有的试样配套夹具在实验过程中对获取的透射波信号造成干扰。

本实施例中，结合现有技术中的具有单脉冲系统的霍普金森压杆进行剪切试验，该压杆由入射杆以及透射杆组成，两者的直径均为19mm。自约束双剪切试样本体的宽度应小于杆径，故设计为18mm。

本实施例中，加载块1远离剪切区块2的缺口根部半径为1.0mm。支撑块3远离剪切区块2的缺口根部半径为1.0mm。加载块1靠近剪切区块2的缺口根部半径为0.2mm，支撑块3靠近剪切区块2的缺口根部半径为0.2mm。剪切区块2的缺口半径为0.5mm。

为了对比不同剪切试样的剪切性能，选取了TA1材料的双剪切试样、自约束双剪切试样在准静态以及动态下的剪切性能进行比较，发现本发明所设计的自约束双剪切试样具有以下四点优势。

第一，双剪切试样在准静态以及动态的试验过程中使用了不同的夹具来限制横向的位移。相反，自约束双剪切试样并不需要采用任何夹具进行辅助实验。从图6可以看出，两种剪切试样在准静态条件下的等效应力等效应变曲线是基本重合的。同时可以看出TA1材料在准静态剪切条件下的应变硬化效应以及应变率效应是一致的，同时具有相同的断裂应变。从图7可以看出，对于TA1材料而言，两种剪切试样的测试结果一致，有着相同的断裂应变，同时表现出相同的应变硬化效应以及应变率效应。这表明自约束双剪切试样的剪切效果等价于双剪切试样与夹具配合使用的实验效果。

第二，从图7中不难看出，双剪切试样的等效应力随等效应变的增加出现了剧烈的抖动，这是由于双剪切试样的结构以及夹具的使用所造成的。而本发明所设计的自约束双剪切试样则保持良好的稳定测试结果。

第三，如图8所示，在准静态0.1/s的应变率条件下，本发明所提出的自约束双剪切试样的实验结果显示出两侧对称性剪切断裂。相反，双剪切试样则出现了不对称性剪切断裂的现象。

第四，在不同的应变率条件下，试样的变形量都是不同的。因此，在位移冻结的实验中，如何控制试样在特定应变率条件下的变形量显得至关重要。对于双剪切试样而言，则需要特定的夹具来实现变形量的控制。而在本发明中，自约束双剪切试样可以通过调整横梁4的上表面与加载块1的下表面之间的距离便可直接控制试样的变形量。因此，该试样在绝热剪切测试研究方面具有更优异的综合性能。

实施例二

本实施例为了获得纯钛及钛合金材料在剪切条件下的绝热剪切起始的临界应变条件，在单脉冲技术的帮助下，通过调整加载块1的底面与横梁4的顶面之间的距离来执行不同变形量的剪切试验，并对自约束双剪切试样本体的剪切区块2断口进行光学显微镜以及扫描电子显微镜观察绝热剪切带的特征来辨识绝热剪切行为的发生。具体试验操作包括以下步骤：

步骤1：绝热剪切行为起始的准静态基准试验；设计TA1材料的自约束双剪切试样在0.001/s、0.1/s的低应变率下的准静态剪切试验，利用万能试验机对自约束双剪切试样进行准静态加载，试验后，通过对回收自约束双剪切试样的断口进行扫描电子显微镜检测，并未观察到光滑的平面以及熔融等绝热剪切断口的特征。这表明TA1材料的自约束双剪切试样在低应变率条件下发生的是等温剪切行为，并不会出现绝热剪切带。

步骤2：绝热剪切行为起始的动态基准试验；设计TA1材料的自约束双剪切试样在1300/s、6100/s两种高应变率下的动态剪切试验，利用霍普金森压杆对自约束双剪切试样进行动态加载，试验后，通过两种方法对绝热剪切行为进行辨识。一是对试验后试样的剪切区进行磨制、抛光、侵蚀处理，最终在光学显微镜下观察白亮带的出现，从而验证绝热剪切带的出现。二是对回收自约束双剪切试样的断口进行扫描电子显微镜检测，观察光滑的平面以及熔融等绝热剪切断口的特征。该试验目的是在高应变率条件下，自约束双剪切试样出现绝热剪切带，并测得试验后试样发生的第一位移值。

步骤3：单次加载试验；在单脉冲实验技术的帮助下，同时改变加载块1的底面与横梁4的顶面之间的距离，移动间距5的数值使其等于第一位移值的一半，来进行单次加载试验。同样地，试验后利用光学显微镜以及扫描电子显微镜观察绝热剪切带是否出现。若未出现，则认为标准试验中的第一位移值为该应变率条件下，绝热剪切行为起始的临界应变。若绝热剪切带出现，则继续减少移动间距5的数值，直至绝热剪切带不再出现。那么，此时移动间距5的数值为第二位移值，第二位移值为该应变率条件下，绝热剪切行为起始的临界应变条件。

本发明基于霍普金森压杆试验，通过设计不同的应变率的剪切试验，对新提出的自约束双剪切试样及试验方法的可靠性及准确性进行验证。在特定的应变率条件下，材料的绝热剪切发生必然存在对应的临界应变条件。因此，本发明提出的试验方法具有不同的验证组试验方案。

本发明的有益效果是试验方法简单，不需要夹具的使用，不需要在试样与入射杆与透射杆之间增加额外的接触，测得的试验信号将更为准确。此外，通过改变自约束双剪切试样的加载块1的底面与横梁4的顶面之间的距离来控制自约束双剪切试样发生的位移，即位移冻结方法，将为绝热剪切行为出现的临界应变准则研究提供可靠的试验手段。同时,为获取纯钛以及钛合金材料在不同应变率、温度下的临界应变准则提供更有效的实验组数据。

鉴于以上存在技术难点，本发明技术优点相比最接近的现有技术有以下四点优势：

1.精准控制加载速率：通过选择不同长度的子弹以及不同大小的气压，来实现不同应变率的精准控制，从而实现在不同应变率、温度范围内的动态剪切行为研究。

2.位移冻结：可通过改变加载块1的底面与横梁4的顶面之间的距离来控制自约束双剪切试样在动态加载下发生的位移，且试样加工方便。

3.精准的试验数据：自约束双剪切试样与入射杆、透射杆之间直接接触。同时，不需要额外的夹具，操作简单。在自约束双剪切试样与霍普金森压杆之间不存在额外的应力波反射行为，故测得的试验数据更为准确。

4.单脉冲系统：单脉冲系统的使用使得单次加载的位移试验的准确性更高，避免了入射应力波的多次加载造成自约束双剪切试样发生超出预期位移的现象，同时避免了多次加载对回收试样断口形貌的观察。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。