SHPB模块化高低温测试系统设计_安瑞.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 8 期 2023 年 8 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.8 Aug.2023 收稿日期:2023-04-11 基金项目:分离式霍普金森杆高低温动态测试系统研究（2019BITSYA18）作者简介:安瑞（1995），男，河北张家口，博士研究生，主要研究领域为陶瓷材料、材料力学性能表征、装甲防护，。通信作者:程焕武（1967），男，工学博士，副研究员，主要研究领域为贝氏体钢、非晶合金、陶瓷材料、材料力学性能、失效分析、热处理，。引文格式:安瑞，程焕武，王扬卫，等.SHPB 模块化高低温测试系统设计J.实验技术与管理,2023,40(8):58-62.Cite this article:AN R,CHENG H W,WANG Y W,et al.Design of SHPB modular high-low temperature testing systemJ.Experimental Technology and Management,2023,40(8):58-62.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.08.009 SHPB 模块化高低温测试系统设计 安 瑞1，程焕武1,2，王扬卫1,2，王 琳1,2，李 硕1,2（1.北京理工大学 材料学院，北京 100081；2.北京理工大学 冲击环境材料技术国家重点实验室，北京 100081）摘 要：为了高效可靠地获得材料在高低温下的力学性能，基于典型的霍普金森压杆，建立了一套可移植性较强的模块化高低温测试系统。该系统由加载杆自动组装系统、非接触式高温加热系统及高效率低温环境箱组成，可实现试样的自动化加载，减少了手动作业带来的温差影响。相对于传统高低温测试方案，高温系统采用非接触式加热，减少了加载杆温度场对实验结果的影响；低温环境箱可实现多样品同时制冷，在不打开环境箱的条件下实现测试样品的更换与回收，大大提高了测试效率。基于高低温测试系统，完成了不同材料在不同应变率及温度条件下的动态压缩强度测试，测试结果真实稳定。关键词：分离式霍普金森压杆；动态测试装置；高低温测试 中图分类号：TH879 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)08-0058-05 Design of SHPB modular high-low temperature testing system AN Rui1,CHENG Huanwu1,2,WANG Yangwei1,2,WANG Lin1,2,LI Shuo1,2(1.School of Materials Science and Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.National Key Laboratory of Science and Technology on Materials under Shock and Impact,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)Abstract:In order to efficiently and reliably obtain the mechanical properties of materials at high and low temperatures,a portable and modular high-low temperature testing system was established based on a typical Split Hopkinson Pressure Bar.The system consists of an automatic loading rod assembly system,a non-contact high-temperature heating system,and a high-efficiency low-temperature environmental chamber.It enables the automated loading of specimens,reducing the temperature difference effects caused by manual operations.Compared to traditional high-low temperature testing methods,the high-temperature system uses non-contact heating,reducing the influence of the temperature field of the loading rod on the experimental results.The low-temperature environmental chamber allows for simultaneous cooling of multiple samples and enables the replacement and retrieval of test specimens without opening the chamber,greatly improving testing efficiency.Based on the high-low temperature testing system,dynamic compression strength tests were conducted on different materials under different strain rates and temperature conditions,resulting in accurate and stable test results.Key words:SHPB;dynamic testing device;high and low temperature test 1 背景 研究材料在高应变率加载下的力学响应，对于结构设计和材料研究具有重要意义。在结构设计中，为满足各部分在不同应变率和温度范围内的功能要求，需要知道材料力学性能随着加载应变率的增大如何 安 瑞，等：SHPB 模块化高低温测试系统设计 59 变化。对于材料研究而言，不同加载应变率和温度下的应力-应变曲线不仅反映了材料的宏观力学行为，而且反映了材料的微观结构特性，因此可为研究材料微观结构与更深层次的物理问题提供参考。分离式霍普金森杆作为动态力学科研和教学的经典设备，在材料中高应变率下（102104 s1）力学性能表征方面应用广泛1-3，而高低温测试环境的构建一直是研究的 难点。现阶段高温动态实验方案主要有三个方向：一是将测试样品在加热炉中加热，待到达预定温度后将测试样品快速转移至波导杆处进行加载4。此方法较为粗糙，样品转移过程中的温度损失无法控制，实际测试温度偏差较大，实验精确度不高。二是将波导杆与试样一同加热，完成加载。此方法实现难度较低，但会在波导杆中形成温度梯度，改变波导杆的本征参数，需要对测试数据进行修正5-7。第三种思路是在加热环境下原位加载，此方法测试效果较好，但测试过程中波导杆会与试样发生冷接触，接触时间过长会使试样温度场发生变化，影响实验效果，这就需要实现波导杆的快速组装加载8-10。此方法对测试系统要求较高，实现难度较大。低温实验的实现原理与高温类似，将试样在环境箱中保温后转移至霍普金森杆进行实验的方法比较简单11，但受环境温度及实验员操作熟练程度影响，样品温度损失较为严重，实验精度较差，现阶段多使用原位降温测试12。通常情况下，为得到一组有效数据，需在相同条件下重复实验 35 次，而低温实验降温、均温时间较长，原位冷却装置在不开门及重新装样条件下，只能实现单个试样的降温与测试。同时，更换试样时环境箱箱门大开，会造成环境箱温度的剧烈波动，重新达到实验温度将使能耗增加，造成实验效率低下。传统分离式霍普金森杆在测试时由人工装样组装，效率较低。采用人工推动压杆夹紧试件，容易造成测试试样与加载杆件接触不紧密，影响实验结果。在进行高温或低温动态压缩实验时，人工组装容易使试样温度损失严重，影响实验精度，导致实验失败。基于上述问题，本文在传统分离式霍普金森压杆基础上，进行了设备改造和功能拓展，设计完成了模块化的高低温测试系统13-15。2 实验装置及原理 2.1 加载杆自动组装系统 加载杆自动组装系统主要由吸收杆牵引部分和试样预紧部分组成，通过测试软件控制，可实现测试加载与数据采集的过程联动，整体结构如图 1 所示，各部分细节如图 2 所示。图 1 加载杆自动组装系统 图 2 吸收杆牵引部分和试样预紧部分 吸收杆牵引部分包括气动推杆、牵引片、牵引法兰、磁铁及行程开关。气动推杆沿加载杆排列方向布置，其行程根据加载杆组装距离设定；牵引片一端安装于推杆上，另一端固定有磁铁，其空间位置位于牵引法兰前方，可配合牵引法兰实现吸收杆的捕捉与牵引；牵引法兰具有良好的导磁性，使用时将其套在吸收杆的指定位置并使用顶丝固定；行程开关通过支架安装于操作平台上，其空间位置位于牵引法兰前方。测试样品预紧部分包括预紧弹簧和金属卡箍，预紧弹簧为一内径稍大于加载杆直径的压缩弹簧，将其套在入射杆指定位置，前端与入射杆支架贴合，后端通过金属卡箍固定，用来限定入射杆位置，并给试样提供预紧力。加载杆自动组装系统与原霍普金森压杆撞击杆发射系统连接，由电脑软件控制。实验开始时，点击发射撞击杆按钮，加载杆自动组装系统启动，此时气动推杆缩回，带动牵引片向后运动，牵引片上的磁铁与吸收杆上的牵引法兰吸合，完成对吸收杆的捕获。随后气动推杆推出，带动吸收杆向前移动，进而推动透射杆、测试试样及入射杆，此时入射杆上的预紧弹簧被压缩，试样被夹紧。当气动推杆使牵引法兰移动至行程开关触发位置范围内时，行程开关控制电磁阀完成撞击杆发射。测试样品加载完成后，应力波传至吸60 实 验 技 术 与 管 理 收杆，使其向后运动，牵引法兰与牵引片脱离，完成一次加载。2.2 非接触式高温加热系统 高温加热系统内部结构如图 3 所示，整体分为上箱体、下箱体及电路控制系统三部分，上箱体通过铰链与下箱体连接，可向上打开，通过锁扣结构保证箱体的密闭性。下箱体内水平设置有陶瓷导轨，导轨通过两侧对称设置的导轨支架固定在下箱体上，导轨上套有环形发热体，环形发热体内预埋热电偶，导轨支架和下箱体上均设有导向孔。试样夹具为中空结构，测试试样固定在试样夹具内，试样夹具沿导轨滑动并可进入环形发热体内。入射杆和透射杆可分别穿过导向孔和试样夹具，然后夹紧试样。上箱体上沿竖直方向穿有连杆，连杆位于箱体内的一端设有隔热挡板，位于箱体外的一端设有衔铁，且衔铁与箱体之间的连杆上套有弹簧，衔铁下方设有电磁铁。电磁铁通电后，按压衔铁与电磁铁吸合，连杆带动隔热挡板向下移动，隔热挡板与导轨配合实现对环形发热体两端的封闭。电磁铁断电后，衔铁在弹簧的作用下沿上箱体向上移动，并由连杆带动隔热挡板向上移动。上箱体和下箱体扣合内部形成密闭空间，且上箱体和下箱体内的剩余空间填充有保温材料，环形发热体支撑在下箱体内的保温材料上，环形发热体与试样夹具、导轨均不接触。图 3 高温加热系统内部结构 样品夹具及试样加热状态如图 4 所示，整体为开窗圆筒结构，夹具两侧开有小孔，待测试样通过热电偶丝或耐高温金属丝固定在夹具内部，保持与夹具内孔同轴。样品夹具内孔直径略大于加载杆直径，放置在陶瓷导轨上时，内孔与箱体外侧加载杆导向孔同轴。图 4 样品夹具及试样加热状态示意图 使用时，将固定有测试试样的试样夹具沿导轨滑动至环形发热体内，控制单元控制电磁铁通电，按压衔铁与电磁铁吸合，连杆带动隔热挡板向下移动，隔热挡板与导轨配合实现对环形发热体两端的封闭。控制单元同时控制环形发热体进行加热，当热电偶反馈的温度达到待测试温度后，控制单元控制环形发热体停止加热，并控制电磁铁断电，衔铁在弹簧作用下沿上箱体向上移动，并由连杆带动隔热挡板向上移动，打开加载杆通路。加载杆自动组装系统启动后，入射杆和透射杆分别穿过导向孔与测试试样两端接触，完成样品装夹，进而发射撞击杆完成实验。2.3 高效率低温环境箱 低温环境箱由箱体、样品传送装置、样品夹具、制冷系统连接管路和温控器组成，整体结构如图 5(a)所示。箱体顶部设有样品安装窗口，箱体侧面对称设有加载杆导向孔，箱体内分为前室和后室两个空间，前室设有箱门，箱门下端开有样品取出窗口。样品传送装置设置在箱体前室内，且位于样品安装窗口下方，样品传送装置具有容纳多个自下而上依次排布的样品夹具传送通道。样品传送装置依次将样品夹具经样品安装窗口垂直传送至与加载杆导向孔同轴的位置处，进行动态压缩测试，测试结束后再将样品夹具传送至样品取出窗口。温控器安装在箱体后室内，用于监测箱体内温度。制冷系统连接管路的一端与外部制冷系统连接，另一端经箱体后室通入前室。样品传送装置结构如图 6 所示，工作原理如图 7所示，通过控制拨叉的前后移动，可实现样品夹具的依次下落。当样品夹具装入样品存储器后，堆积在拨叉挡板上方，向后推动拨叉，位于最下方的样品夹具落入拨叉两挡板之间。然后向前拉动拨叉，最下方的样品夹具通过底盒顶部的方孔落入 V 型槽中，剩余样品夹具由拨叉上挡板封闭在样品存储器中。当加载杆由加载杆导向孔进入样品夹具完成试样加载并退出后，向斜上方提起底盒中的活动挡板，样品夹具沿固定斜面离开底盒。重复上述操作，可实现试样的依次装载和回收。样品夹具内部结构如图 8 所示，主体结构为一金属圆管，圆管内径略大于加载杆直径，以便加载杆顺 安 瑞，等：SHPB 模块化高低温测试系统设计 61 图 5 低温环境箱内部结构示意图 图 6 样品传送装置 图 7 样品传送过程示意图 图 8 样品夹具结构示意图 利进入。圆管内部设有低强度支撑材料，可将试样固定在圆筒内部，并与之处于同一轴线。温度控制系统由热电偶、控温仪表、均温风扇、液氮喷淋管、液氮管道电磁阀、自增压式液氮罐等组成，通过箱体内的热电偶实时监测试样温度，控温仪表控制电磁阀间歇工作，将液氮经由喷淋管导入箱体，并通过均温风扇使其均匀雾化，实现箱体内的冷气循环和均匀降温（见图 5(b)）。使用时，将多个装载试样的样品夹具经箱体上的样品安装窗口放入样品传送装置，多个样品夹具在样品传送装置内自上而下依次排布。开启外部制冷系统对箱体内部进行降温并通过温控器进行监测，到达测试温度后，样品传送装置将最下方的样品夹具传送至与导向孔同轴的位置处，加载杆沿导向孔进入环境箱进行动态压缩测试。测试结束后，样品传送装置将样品夹具传送至样品取出窗口，且对最下方的样品夹具进行传送，依次完成对每个样品夹具中试样的测试。3 高低温实验结果及分析 针对 45#钢，测试了其在室温、400、600 条件下的动态力学性能。测试系统由 16 mm 55CrSi杆系霍普金森压杆改造而成，撞击杆长度为 200 mm，入射杆和透射杆长度为 1 000 mm。试样升温加热时间为 3 min，保温 10 min，由环形发热体内部的热电偶对温度进行实时监测。测试试样尺寸为 5 mm5 mm，加载气压 0.5 MPa，撞击杆速度约为 23 m/s，获得的应力-应变曲线如图 9 所示。在三种温度条件下，测试结果重复性良好，随着加载温度的升高，45#钢动态屈服强度降低，材料的塑性流动能力增大，在相同加载速度下，随着温度的提高，试样获得的加载应变率略有上升，塑性应变增加。62 实 验 技 术 与 管 理 图 9 45#钢高温动态压缩应力-应变曲线及回收试样 回收的测试样品变形均匀，氧化程度较低，试验测试效果满足科研教学使用要求。图 10 为高氮钢在不同温度下的动态压缩测试结果，测试应变率为 3 000 s1。随着测试温度的升高，材料呈现软化趋势。在40 时，高氮钢的动态屈服强度明显高于室温屈服强度，材料在加载过程中未出现断裂现象，说明此材料具备低温服役条件。图 10 高氮钢在不同温度条件下的动态压缩强度 4 结语 基于传统分离式霍普金森压杆，对材料动态压缩实验装置进行了升级改造，拓展了霍普金森压杆的基本功能，实现了材料在高温、低温条件下的动态力学性能表征。通过加载杆自动组装系统和高温加热系统，实现了材料在室温至 800 条件下的动态压缩测试。加载杆自动组装系统的引入，实现了试样加载的自动化。高温加热系统采用原位加热，避免了人工转移装样带来的温度损失，使实验温度更加精准。加热系统中试样夹具及炉内导轨的设计实现了样品的单独加热，消除了加载杆受热造成的信号采集误差，提高了测试精度。低温环境箱实现了室温至100 条件下的温度控制，内部试样传送装置可同时对多个试样进行降温。实验过程中测试样品逐个进入安装位置，实验完成后样品自动离开环境箱，全程无需打开环境箱门，减少了实验过程中的温度波动。更换样品后无需额外的降温保温过程，大大提高了实验效率。参考文献(References)1 XU P,TANG L,ZHANG Y,et al.SHPB experimental method for ultra-soft materials 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测试的加载杆自动组装装置：CN202011044464.4P.2020-09-28.14 王扬卫，安瑞，程焕武，等.一种 SHPB 测试用高温加热系统：CN202110021254.1P.2021-01-08.15 安瑞，王扬卫，付强，等.一种分离式霍普金森压杆用低温环境箱：CN202110685285.7P.2021-06-21.（编辑：张文杰）