材料力学性能05_冲击

命N。如果采用不同的冲击能量A就可以得到一系列相应的冲击寿命N，作图可得 A-N曲线。将A-N曲线外延到与纵坐标相交，便得到了一次冲断的吸收能量K。
高强低韧材料1和高韧低强材料2 的A-N曲线有一个交点。说明在 大能量低冲击寿命下，高韧低强 材料2的多冲抗力居上，而在小 能量高冲击寿命时，高强低韧材 料的多冲抗力居上。因此，材料 抵抗大能量一次冲击的能力主要 取决于材料的塑性和韧性，而抵 抗小能量多次冲击的能力则主要 取决于材料的强度。
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SHPB冲击试验与应力波分析
SHPB实验原理是将试样夹持于两个 细长弹性杆(入射杆与透射杆)之间， 由圆柱形子弹以一定的速度撞击入射 弹性杆的另一端，产生压应力脉冲并 沿着入射弹性杆向试样方向传播。当 应力波传到入射杆与试样的界面时， 一部分反射回入射杆，另一部分对试 样加载并传向透射杆，通过贴在入射 杆与透射杆上的应变片可记录人射脉 冲，反射脉冲及透射脉冲。当材料在 受冲击时瞬间变形可近似地视为恒应 变率，由一维应力波理论可以确定试 样上的应变率、应力、应变。
(2) 弹塑性响应 当冲击载荷产生的应力超过屈服强度而低于104MPa时，材料的响应可用耗散过程来 描述，同时应考虑大变形、粘滞性、热传导等，本构方程十分复杂，呈非线性。
(3) 流体动力学—热力学响应 当冲击载荷产生的应力超过材料强度几个数量级，达到106MPa或更高，材料可作为 非粘性可压缩流体处理，其真实结构可不予考虑，材料的响应可用热力学参数来描 述，其本构关系可用状态方程表示，也为非线性。
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材料的冲击破坏
载荷以高速度作用于材料的现象称为冲击。材料在冲击载荷作用下 发生的破坏与静载破坏有着不同的特点。冲击破坏过程中的应力波效应 是造成这一差异的主要根源。此外材料的应变率性效应也会对材料的冲 击破坏产生影响。设法在实验测试中将材料的应力波效应与应变率效应 解耦是测定材料动态本构关系的关键。
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材料的应变率
应变率是应变随时间的变化率：
其单位是秒的倒数（s-1）
若拉伸速度为1m/s，则
常规的试验机拉伸速度一般仅有6mm/min，于是对应的应变率也就只有10-3s-1。
应变率与试件长度有关。在相同加载速度下， 试件尺寸越小，其应变率越大。
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材料的应变率
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SHPB冲击试验与应力波分析
C0v v C0
S (t)
EA 2 AS
i
(t)
r
(t)
t
(t)
S (t)
C0 lS
t 0
i
(t
)
r
(t
)
t
(t
)
dt
S
(t
)
C0 lS
i
(t)
r
(t)
t
(t)
三波公式
S (t)
EA AS
t
(t
)
S (t)
2C0 lS
t 0
材料的力学性能
Mechanical Properties of Materials
彭瑞东 prd@
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材料力学性能的试验评测
硬度试验
静载试验 拉伸 压缩 扭转 弯曲 剪切
常温
光滑试样
缺口试样
非常温 环境影响
摩擦磨损
动载试验 振动 冲击 疲劳
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SHPB冲击试验与应力波分析
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材料的冲击破坏-思考题
冲击载荷的特点是什么？ 什么是应变率效应？ 试分析吸收能量、冲击韧度的工程意义及力学含义。 SHPB冲击试验的基本原理是什么？
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材料力学性能的试验评测
• 第1章 材料在单向静拉伸下的力学性能测试（2学时） • 第2章 材料在其他静载下的力学性能测试（2学时） • 第3章 材料的硬度（1学时） • 第4章 材料的振动与疲劳（3学时） • 第5章 材料的冲击破坏（2学时） • 第6章 缺口试样的力学性能（2学时） • 第7章 材料在特殊环境下的力学性能（1学时） • 第8章 材料的摩擦磨损（1学时）
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冲击试验与吸收能量
落锤冲击试验
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冲击试验与吸收能量
旋转飞轮拉伸机
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冲击试验与吸收能量
多冲试验（冲击疲劳） 材料抵抗多次小能量冲击的能力可通过多冲试验来测定
在一定冲击能量下，试样断裂前的冲击次数作为多冲抗力的指标，称为冲击寿
吸收能量的大小还与试样的形状大小及缺口形状尺寸有关，并不 完全取决于材料特性。至于冲击韧度，其定义并无明确物理意义。 在构成吸收能量的各部分中，并非全部是与试样截面积有关的力 学量，因此将吸收能量与断口截面积的比值定义为冲击韧度只是 一种经验上的近似，也并不反映材料的实质。
现在，已经研制成功了能实时记录材料在冲击载荷作用时 的应力应变的试验系统，这为进一步研究材料在高速冲击载 荷作用下的力学行为提供了新的途径与方法。
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冲击试验与吸收能量
冲击试验是一种动态力学性能试验，主要用来测定冲断一定形状的试样所消耗的 能量，又叫冲击韧度试验。常见的冲击加载方法有摆锤、落锤、旋转飞轮或凸轮式 的冲击试验装置，冲击速度不超过10m/s。可获得10-1s-1～103s-1范围内的应变率。
从冲击能量上分： 金属摆锤的一般是300J、500J、800J 金属落锤的要到几万焦耳的能量 橡胶塑料的只有几焦耳，如5J、10J 木材的一般的是100J
从能量守恒的角度出发，通过摆锤冲击试验唯象的测定材料的吸收能量和冲击韧 度，可以拟定量的刻画材料抗冲击能力。
采用应力波分析的方法，分离式霍普金森压杆（SHPB）实验是测试材料在高应变 率下行为的主要方法，现已拓展到冲击拉伸、冲击扭转、冲击剪切等试验。
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材料的冲击破坏
5.1 冲击载荷的特点 5.2 材料的应变率 5.3 冲击试验与吸收能量 5.4 SHPB冲击试验与应力波分析
i
(t)
t
(t)
dt
2C0 lS
t
0 r (t) dt
S (t)
2C0 lS
i (t)
t
(t)
2C0 lS
r
(t)
二波公式
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SHPB冲击试验与应力波分析
常规SHPB实验中得到的一组典型入射波、反射波和透射波波形如下。当反射波近似 为一平台时，试件中的应变率基本保持恒定。这样就可得到某一恒定应变率下材料 的全应力-应变曲线。
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SHPB冲击试验与应力波分析
测试材料在高应变率的应力应变行为通常采用的是分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar)，简称SHPB。其实验原理是根据一维应力波理论确定试样上的应变率、应 力、应变。SHPB实验装置结构简单，操作方便，测量方法巧妙，加载波形易于控制。 其冲击速度一般不超过100m/s，可以获得材料在102s-1～104s-1应变率范围内的应力－应 变曲线。
摆锤冲击试样时的速率一般为4～7m/s，试样缺口根部应变增长率与缺口形状尺寸 有关，一般为103s-1数量级
摆锤冲断试样时损失一部分能量，这部分能量即摆锤冲断试样所作的功,称为吸收 能量（冲击功），记作AK。剩余的能量使摆锤扬起一定的高度h。于是，吸收能量 可计算为：
定义冲击韧度为：
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冲击载荷的特点
作用时间短
载荷在很短的时间内发生变 化，应力波在材料内的传播 过程不能忽视。
外载荷的特征时间
L
物体的特征尺度
t c
毫秒、微秒甚至纳秒
c 材料中的应力波速
应变率高
载荷的强弱快慢应以其产生的应力率或应变率的大小来衡量
应变增长率（即单位时间内应变的变化） 静态加载 10－5～10－1 s－1 冲击载荷 102～104 s－1，甚至可达106 s－1
冲击试验所采用的试样可以是无缺口试样，也可 以是缺口试样，通常采用后者，分为U型切口试样和 V型切口试样，其规格尺寸国标中有严格规定
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冲击试验与吸收能量
试验时，将具有一定质量m的摆锤举至一定高度H，使之具有一定的势能mgH； 将试样置于支座上固定好，然后将摆锤释放，在摆锤下落到最低位置时将试样冲断。
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能量转化剧烈
冲击应力的大小不仅与断面积大小有关，还与承载体的形状和体积以及 整个承载系统有关。 冲击动能的转化受到整个系统的刚度、冲击过程的时间、冲击瞬间速度 等因素的影响，因此并非完全转化为承载体的变形能或断裂能。
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冲击载荷的特点
材料对冲击载荷的响应可分为三种情况：
(1) 弹性响应 当冲击载荷产生的应力低于材料的屈服强度时，应力波的传播不会造成材料的不可逆 变化，材料表现为弹性行为，线弹性体适用胡克定律。
K为吸收能量，S为试样缺口处面积，αK的单位通常为J/cm2
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冲击试验与吸收能量
长期以来，材料的冲击性能是通过冲击试验测定的吸收能量来表示的，而且吸收 能量还常被作为一种衡量材料韧性大小的指标，但这只能是一种宏观上的近似。
吸收能量并不完全等同于材料变形与破坏的能量
试样断裂的那部分吸收能量实际包括三部分：弹性功、塑性功和 撕裂功（裂纹扩展功）。即使材料的吸收能量相同，这三部分所 占的比例也可能不同。