变形模式对多孔金属材料SHPB实验结果的影响

    引 言

    众所周知，材料高应变率下力学性能测试的SHPB 实验技术[1-3]是建立在两个基本假定的基础上的：(1) 杆中一维应力假定；(2) 试件的应力均匀假定. 对于金属类材料，常规的 SHPB 实验技术可保证这两个基本假定的实现. 然而对于多孔金属材料，由于其波阻抗小，弹性波波速低，以及材料均匀性较差等因素，试件的应力均匀性假定不易得到满足，从而导致多孔金属材料动态试验结果的差异.

    材料本身的应变率效应，是材料动态强化的一个重要原因，绝大部分材料都具有明显的应变率强化效应. 对于多孔金属材料，众多学者[4-6]指出其应变率效应受其基体材料的应变率效应、微结构的横向惯性效应和胞孔气体的影响. 但是在材料动态测试的 SHPB 实验中，多孔金属的轴向惯性 (波动) 效应也影响材料的强度. 尤其是对于高应变率实验，若应力均匀性难以满足，此时反映的不仅是材料的应变率效应，而且包括轴向惯性效应导致的应力增强，使得 SHPB 实验结果不准确.

    Lee 等[7]和 Tan 等[8-9]通过研究指出，冲击速度对多孔金属材料的变形模式有影响，在高速撞击时，多孔材料以冲击波模式变形. 如图 1 所示，刘耀东等[10]和 Zheng 等[11]通过数值模拟得出多孔金属在低速加载下，对应准静态模式 (图 1(a))；在高速撞击下，对应着多孔金属变形的冲击模式 (图1(c))；介于准静态模式与冲击模式之间的即为过渡模式 (图 1(b)).

    本文通过两种改进的 Hopkinson 杆实验装置并结合高速摄影，从实验的角度探讨多孔金属在压缩过程中的变形模式，并讨论了试件的尺寸 (厚度)、密度对变形模式的影响，进而讨论其对 SHPB 实验结果的影响.

    1 实验方案

    为实施图 1 中数值模拟得到的变形模式，对传统的 Hopkinson 杆实验装置进行改造，通过两种不同的实验方案分别测量同一撞击速度下冲击端和吸收端的应力.

    第Ⅰ种实验方案：如图 2(a)，将打击杆与试件粘结在一起，以速度 V₀撞击支撑杆，利用支撑杆上的应变片测得应力信号，此信号即是试件冲击端的应力.

    第Ⅱ种实验方案：如图 2(b)，将密度相近 (0.325± 0.010 g/cm³)、尺寸一样的试件安置在支撑杆端部，打击杆以相同的速度 V₀撞击试件，此时支撑杆上测得的信号即是试件支撑端的应力.

    鉴于实验方案所采用的打击杆与支撑杆均为超硬铝，杆件与试件的广义波阻抗比很大，据此可以将打击杆或支撑杆近似作为刚体处理，支撑端可近似为刚壁，冲击端在撞击初期的速度近似保持恒定.因此可以采用第Ⅰ种实验方案实测试件冲击端的应力，采用第Ⅱ种实验方案实测试件支撑端的应力. 采用相同撞击速度进行以上两种方案实验，则可与刘耀东等[10]和 Zheng 等[11]通过数值模拟得到的结果进行比较.