第六章固体材料的应变率效应与试验技术
基于SHPB技术测试典型金属动态压缩性能的尺寸效应分析
基于SHPB技术测试典型金属动态压缩性能的尺寸效应分析1. 内容概述SHPB技术作为一种先进的材料动态力学性能测试手段，近年来在材料科学领域受到了广泛关注。
在本文档中，我们将首先简要介绍SHPB技术的原理及其在金属动态压缩性能测试中的应用。
我们将通过具体的实验数据和理论分析，详细讨论不同尺寸下金属的动态压缩性能及其尺寸效应。
我们还将探讨尺寸效应对金属动态压缩性能的影响机制，为优化材料设计和提高材料性能提供有益的参考。
我们将对实验结果进行总结，并提出一些针对性的结论和建议。
通过本文档的研究，我们期望能够为相关领域的研究者提供一种基于SHPB技术的金属动态压缩性能测试方法，并为未来材料科学的发展提供有益的启示和借鉴。
1.1 研究背景金属材料的动态压缩性能是材料科学和工程领域中的一个重要研究方向，尤其在航空航天、汽车制造、建筑结构等领域具有广泛的应用前景。
金属材料在受到外部冲击或压力时，会产生塑性变形，甚至断裂。
研究金属材料的动态压缩性能对于评估其在实际应用中的安全性和可靠性具有重要意义。
传统的金属动态压缩性能测试方法主要包括霍尔效应法、光电子能谱法等，但这些方法往往存在测试时间长、精度低等问题。
基于分离式霍普金森压杆（SHPB）技术的动态压缩性能测试方法逐渐受到关注。
SHPB技术具有操作简便、精度高、时间短等优点，能够较为真实地反映材料的动态压缩性能。
在使用SHPB技术进行金属动态压缩性能测试时，尺寸效应是一个不可忽视的问题。
金属材料的尺寸效应是指材料在不同尺寸下的力学性能存在差异，这主要是由于材料的微观结构、缺陷、表面处理等因素引起的。
在研究金属材料的动态压缩性能时，必须考虑尺寸效应的影响，以便更准确地评估材料的性能。
为了深入研究基于SHPB技术测试典型金属动态压缩性能的尺寸效应，本论文首先对相关文献进行了综述，介绍了SHPB技术的基本原理、实验方法以及尺寸效应的研究现状。
通过实验和数值模拟相结合的方法，研究了不同尺寸下典型金属的动态压缩性能及其尺寸效应，为进一步优化材料和提高其性能提供了理论依据。
纳米材料的力学性能与应变率效应
纳米材料的力学性能与应变率效应纳米材料是由纳米级的原子和分子组成的材料，具有与宏观材料不同的特殊力学性能。
近年来，随着纳米科学的迅速发展，关于纳米材料的力学性能和力学行为的研究逐渐引起了人们的广泛关注。
其中，纳米材料的力学性能与应变率效应是一个重要的研究领域。
纳米材料的力学性能通常是指材料的硬度、强度和韧性等机械性能。
纳米材料具有较高的硬度和强度，这是由于其纳米尺度下的晶粒尺寸效应所致。
在纳米尺度下，晶粒的尺寸与晶界的数量会显著增加，这导致了晶界和界面的密度增加，从而提高了材料的硬度和强度。
此外，纳米材料由于表面积大，在外力作用下，晶粒之间的位错难以移动和滑动，因此纳米材料的强度也较高。
但是，纳米材料的高硬度和强度也带来了一些问题。
纳米材料的高硬度和强度常常意味着其韧性较差，容易发生断裂和破坏。
同时，纳米材料在应变作用下的行为也与宏观材料有很大的不同。
在纳米材料的应变率效应中，当应变率较小时，纳米材料的强度和硬度随应变率的减小而增加；而当应变率较大时，纳米材料的强度和硬度随应变率的增加而减小。
这种应变率效应是由于纳米材料内部晶粒的应变率敏感性导致的。
在纳米材料中，晶界对位错的移动具有一定的限制作用，因此晶界承载了大部分的应力。
当外力作用下，应变率较小时，晶界能够更好地承载应力，从而增加了材料的硬度和强度；而当应变率较大时，晶界难以有效地承载应力，造成局部应力集中，导致材料的强度和硬度下降。
此外，纳米材料的应变率效应还与材料的动态行为和变形机制密切相关。
在纳米材料的动态行为中，其应变率通常与变形速率相关。
当变形速率较高时，纳米材料的应变率也较高，因此应变率效应更为显著。
在变形机制方面，纳米材料的变形主要是通过晶粒的位错滑动和塑性变形实现的。
在应变率较低时，晶粒之间的位错滑动较为容易发生，从而增强了材料的硬度和强度；而在应变率较高时，晶粒之间的位错滑动受到阻碍，导致材料的硬度和强度下降。
综上所述，纳米材料的力学性能与应变率效应是一个复杂而重要的研究领域。
1074材料的应变率强化与磨削加工中的尺寸效应
3 国家自然科学基金资助项目 (59675061) 收稿日期: 1998—06—09 修回日期: 1999—09—06
和热软化 (55TΣ< 0) 三者之间的平衡。 本构失稳的
临界条件为
ddΧΣ=
55ΧΣ+
55ΧΣαddΧΧα+
5ΣdT 5T dΧ
(2)
图 1 为 TB 2 钛合金准静态 (Εα= 10- 4 s- 1) 和高
大, Χ减小, 但减小幅度不大。
对磨削过程, 假设磨粒为三角锥形, 以 1 个棱
面作为前刀面进行切削, 取磨粒半顶角 Η作为磨
粒前角, 取等效未变形切屑厚度 ae=
1 2
a
,
则剪切
区剪应变
Χ=
co sΗ sin<co s (<+
Η)
(9)
剪切区应变率
Χα=
2Κ′v co sΗsin< aco s (<+ Η)
1 高应变率下材料的变形行为
在高应变率下, 材料的热粘塑性本构方程为
Σ= f (Χ, Χα, T )
(1)
式中, Σ 为剪切应力; Χ为应变; Χα为应变率, T 为
变形温度。
绝热剪切即本构失稳 (ddΧΣ≤0) 是否发生取决 于材料的应变硬化 ( 55ΧΣ> 0) , 应变率强化 ( 55ΧΣα> 0)
应变率强化作用减弱, 故比
磨削能随之减小, 并基本呈
式 (16) 所示的指数变化趋 图 4 单位宽度磨除
势。
率与比磨削能的关系
磨削及高速切削过程
的 Χ和 Χα均非常高, 往往有可能满足 (Χ, Χα) 双变量
临界失稳条件[1]; 同时, 考虑到切屑尺度的影响,
材料力学性能05_冲击
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。
2020/7/9
18/24
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。
2020/7/9
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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。
聚砜树脂的应变率效应及断裂模式实验
弹性 模量 ，Ｐ Ｇａ 屈服 强度 ａ
７８７ ．６
８ ．９ １３
的敏 感性 。取 ０ ０ｏ０１ ￣ｔ＝ ６５ ＋ｌ ／ ．０ １，其 中 Ｃ等于 １ 为 ．０ ，， ｒ ７ ． Ｊ ｌｙ ２ ｎ（ ００ ０ ） 。颈 缩面 刚开始 时是一个 斜截 面 ， 与拉 伸方 向成 大约 ４。 ５，如 图 １所示 ，表 明聚砜 树脂 承受 剪切屈服 的能力较 弱 。 由于 受聚砜树 脂颗粒 材料 生产 技术 的影 响 ，样 品 中存 在一 定 的气 泡 、杂 质 ，并且棒 材在注 射成 型 的过 程 中会产 生 内应 力 ，往往会 导 致制 品产 生裂纹 。随着 应 力 的增 加 ，当一个 或者 几个 裂纹（ ２中的箭头 所示 为裂 纹源 ，图 ２（） 图 （ 只有 一个 ａ 裂纹源 ，图 ２ｂ有 ３个 裂纹源 ） 端 的应力 强度 因子超 过材料 的临界断裂 韧度 ｃ ，裂 纹则 向周 围扩 展导 （） 尖 时 致长分 子链 断裂 ，最终 导致样 品发生破坏 。由于裂 纹沿平 面扩展 ， 因此 ，接近 表面 的裂纹源 将形成 半 圆形
ห้องสมุดไป่ตู้
１０ 中国工程物理研 究院科技 年报 ９
结 晶聚 合物 。而 在配 方 中分别增 加 小分子 二醇 扩链 剂 以后 ，其 平 台区缩短 到 ２ ０ ３ ０ ８ ％ ８ ％，平 台区范 围从
大到 小 的顺 序依 次是 Ｈ Ｄ，Ｅ Ｄ，Ｂ Ｄ，用 Ｈ）扩链 剂制 得 的 Ｐ Ｅ的断裂伸 长 率 、拉伸 强度 、定伸 应 力与其 Ｉ Ｕ 他两种 扩链 剂制得 的相 比为最高 ，但硬度 最 低 ，为 ９ ３邵尔 Ａ。随着 配方 中小分 子扩 链剂用 量的增加 ，即 所合成 的 Ｐ Ｅ的硬 段 含量增 加 ，应 力一 Ｕ 应变 曲线 上 的平 台 区域 缩短 ，断裂伸 长率 及拉伸 强度 降低 ，其 玻璃 化转变 温度 峰 由两个变 为 １ ，玻璃化 转变温 度 区域缩 小 ，ｔｎ 大 。 个 ａ蹭
岩石应变率效应测试方法与分析
岩石应变率效应测试方法与分析引言岩石是地质学中重要的研究对象，其物理力学性质对于地下工程和地质灾害研究具有重要意义。
了解岩石的应变率效应能够帮助我们更好地理解岩石的力学行为和变形特性。
本文将介绍岩石应变率效应的测试方法与分析。
一、应变率效应的定义应变率效应是指岩石在受到应力加载时，其变形特性随着加载速率不同而发生的改变。
这种效应与岩石内部的应力传递机制和变形机制密切相关。
二、岩石应变率效应的测试方法1. 恒定加载速率测试法这种方法是最常用的岩石应变率效应测试方法之一。
通过在岩石样本上施加一定的加载速率，观察岩石样本的应力-应变关系曲线，从而得出其应变率效应。
根据不同的加载速率，可以得到不同的应变率效应曲线。
2. 应变速率增减测试法此方法通过控制加载速率的变化，观察岩石样本的响应，以得出不同加载速率下的应变率效应。
这种方法可以更直观地展示岩石的变形特性，尤其在高速加载和减速加载过程中。
3. 脉冲加载测试法这种方法主要用于测试岩石样本在瞬间加载下的应变率效应。
通过施加瞬态冲击载荷或脉冲波形载荷，观察岩石样本的变形响应，从而得出其应变率效应。
三、岩石应变率效应的分析1. 强度与应变率效应的关系分析岩石的应变率效应与其强度存在密切的关系。
通常情况下，随着加载速率的增加，岩石的强度也会增加。
这是因为加载速率增加会导致岩石内部的应力传递机制发生变化，从而增加强度。
2. 岩石类型与应变率效应的关系分析不同类型的岩石具有不同的强度和变形特性，因此它们的应变率效应也会有所差异。
例如，脆性岩石在高速加载下表现出更明显的应变率效应，而韧性岩石则相对较低。
3. 温度与应变率效应的关系分析温度对岩石的应变率效应也有一定的影响。
通常情况下，高温会导致岩石的强度下降，同时也会降低其应变率效应的大小。
结论岩石应变率效应测试方法的选择应根据具体需求和研究目的来确定。
了解岩石的应变率效应对于地下工程、地质灾害预测和地质资源开发具有重要的意义。
应变速率
应变速率
•单位时间内应变的变化。
是应变的一阶导数,即
ij＝dεij/dt,拉伸变形时应
变速率为正,压缩时为负。
应变速率分线应变速率、切应变速率、一点附近的应变速率、平均应变速率等。
线应变速率一点附近的应变状态包括线应变和切应变共九个分量,线应变速率即线应变对时间的变化率。
也可理解为变形体内两相邻点速度的差与两点间距离比的极限,如
一点附近的应变速率对应于一点附近线段的微小应变εr,对时间的变化率
平均应变速率单位时间的平均应变,即平均变形程度的变化率,表示为
＝v1i1+v2i2+v3i3,则该曲线坐标系的应变速率为
式中g1、g2、g3为拉梅(Lame)系数,当直角坐标系(x,y,z)与曲线坐标系(β1,β2,β3)的关系为x=x(β1,β2,β3),y=y(β1,β2,β3),z=z(β1,β2,β3)时,拉梅系数为。
应变 热导率-概述说明以及解释
应变热导率-概述说明以及解释1.引言概述部分的内容可以包括应变和热导率的基本概念及其重要性，以及本文将要讨论的应变对热导率的影响和可能的应用。
下面是一个示例：引言部分1.1 概述应变和热导率是材料科学中两个重要的概念。
应变是指物体在受到外力作用下发生形变的程度，它是研究材料性能和变形行为的重要参数。
热导率则是衡量物质传导热量能力的指标，它表征了材料对热量流动的速率和效率。
应变和热导率的研究对于理解材料的性质、改进材料的性能以及开发新的材料具有极其重要的意义。
本文将探讨应变对热导率的影响，以及这种影响的机制和表现。
通过深入研究应变与热导率的关系，我们可以更好地理解材料的导热行为，并为材料设计、工程应用和能源转换等领域的研究提供有益的参考。
本文将首先介绍应变的定义和影响因素。
我们将讨论不同类型的应变，如线性应变和非线性应变，并探索不同因素对应变的影响，如温度、压力和形变速率等。
接着，我们将详细介绍热导率的概念和测量方法。
我们将探讨传热机制、热流量和温度梯度之间的关系，并介绍一些常用的热导率测试技术和实验方法。
在结论部分，我们将总结应变对热导率的影响，并探讨可能的应用和未来的研究方向。
我们将讨论应变对传热性能的改善和优化的潜力，如通过应变调控材料的热导率，来实现热能的高效转换和利用。
此外，我们还将探讨应变在材料工程、器件设计和能源领域的可能应用，以及未来研究的重点和方向。
通过本文的研究，我们期望能够增进对应变和热导率的理解，为材料科学和相关领域的研究和应用提供宝贵的参考和指导。
同时，本文也将为进一步深入研究应变对热导率的影响和机制提供了有益的基础。
1.2文章结构文章结构部分内容应包括对整篇文章的组织和内容安排进行介绍，以便读者能够了解文章的框架和主要内容。
在本文中，我们将按照以下结构进行讨论:1. 引言部分: 在引言部分，我们将简要概述本文的研究背景和意义。
首先，我们将从整体上介绍应变和热导率的概念，并强调二者之间的关系和相互影响。
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MTS高速试验机
6.3 固体材料实验技术
（2）落锤试验机
问题：难以达 到恒定应变率 加载
6.3 固体材料实验技术
（3）旋转飞轮拉伸试验机
可以实现近似 恒定速率加载。
ห้องสมุดไป่ตู้
6.3 固体材料实验技术
（4）膨胀环
炸药驱动，激光测量径向位移； 当环的截面尺寸远小于环的半径时，可以认为它只受到环向简单拉伸。
6.3 固体材料实验技术
Hopkinson压杆原型实验示意图
产生指定长度脉冲
（5）轻气炮系统
一级轻气炮：速度最高达到 1100m/s; 二级轻气炮：速度最高达到 8000m/s;
电磁炮：速度最高达到15km/s;
等离子加速器：速度最高达到 25km/s。
6.3 固体材料实验技术
（6）Hopkinson 杆系统
Hopkinson杆又称为Kolsky杆，1914年由B.Hopkinson 最先发明
（2）应变率效应
低碳钢单轴屈服应力随应变率的变化
6.1 固体材料的应变率效应
（2）应变率效应
大量试验结果表明，对于很多材料来说，随着应变率的增加：
材料的强度升高，包括屈服强度和极限强度； 材料的韧性下降，延伸率下降； 材料呈现韧-脆转变。
了解材料性能对于应变率的依赖性具有重要的意义：
深入理解材料的力学行为，如变形模式、破坏机理等； 完善材料的本构关系，使数值模拟更为精确。
（2）应变率效应
7075铝合金无应变率效应
Ti6Al4V钛合金应变率效应明显
6.1 固体材料的应变率效应
（2）应变率效应
上屈 服点 极限拉 伸应力 下屈 服点
106/s 2/s 55/s 0.001/s
0.22/s
不同应变率下低碳钢拉伸应力-应 变曲线
低碳钢拉伸应力随应变率的变化
6.1 固体材料的应变率效应
应变率敏感性：
6.2 应变率相关的本构方程
（1）本构方程
本构方程一般表示应力与应变、温度、应变率等物理量之间的关系：
同时，塑性变形往往还与加载历史有关系：
在多轴应力时，应力和应变有多个分量，为简便起见，常用等效塑性应力 和等效塑性应变来代替张量形式的应力和应变：
6.2 应变率相关的本构方程
（2）经验本构方程
对于很多材料来说，在低应变率（或恒应变率）下，具有幂硬化特性：
同时，材料的流动应力与温度之间的关系一般可以表述为：
6.2 应变率相关的本构方程
（2）经验本构方程
应变率对应力的影响可以近似为：
6.2 应变率相关的本构方程
（3）Johnson-Cook本构方程
Johnson和Cook 在1983年将以上应变、温度和应变率对应力的影响综合 起来，提出了J-C本构方程：
J-C模型中一共需要确定五个参数： J-C模型形式简单、各项物理意义明显，是应用非常广泛的一个本构方程。
6.2 应变率相关的本构方程
（4）Cowper-Symonds本构方程
在冲击工程应用中，当满足刚性-理想塑性假设时，可以采用C-S本构：
低碳钢比铝合金具有更强的应变率敏感性。
6.3 固体材料实验技术
（1）应变率10-8~107s-1范围内的实验技术
10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104
应变率/s-1
105 106 107
物 理 蠕变 描 应力松弛 述 实 验 蠕变试验机 方 法
准静态变形
低速动态 变形
高速动态 超高速冲 变形 击
液压试验机 电动丝杆加载
高速液压机 旋转飞轮拉 伸试验机 凸轮塑度计 落锤试验机
Hopkinson 杆 膨胀环 Taylor试 验
斜板撞击 平板撞击 脉冲激光加 载 爆炸加载
惯性力可以忽略
惯性力不可忽略
6.3 固体材料实验技术
（1）高速液压试验机
原理与常规液压试验机 相同，但是速度更快， 也带来更多问题。
冲击与断裂动力学
主 讲：郭亚洲 Email：guoyazhou@ QQ ： 37168752
第六章 固体材料的应变率效应 与试验技术
6.1 固体材料的应变率效应
（1）应变率
应变率的计算 材料的应力 -应 拉伸速度1m/s： 变响应相同吗？
拉伸速度6mm/min时：
6.1 固体材料的应变率效应