高應(yīng)變率下銅及上引法連鑄多晶銅動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)研究

高應(yīng)變率下銅及上引法連鑄多晶銅動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)研究

1高溫試驗(yàn)與等溫加熱試驗(yàn)一般來說，高變形速度下的材料的力學(xué)性能不同于靜態(tài)壓力下的操作。隨著壓力損失的增加，大多數(shù)材料的流動(dòng)強(qiáng)度增加，導(dǎo)致壓縮性硬化。同時(shí),材料特性與應(yīng)變率的依賴關(guān)系受材料使用環(huán)境溫度的影響。因此確定材料在高溫、高應(yīng)變率和大應(yīng)變等極端條件下的力學(xué)行為,對(duì)于這些材料在如此環(huán)境下的應(yīng)用及其本構(gòu)方程的建立均有重要的意義。Hopkinson桿自1949年被Kolsky用于測(cè)試材料在單軸動(dòng)態(tài)壓縮下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為以來,由于其使用簡單,被廣泛地應(yīng)用于確定材料在高應(yīng)變率下的力學(xué)行為。多年來,很多學(xué)者對(duì)Hopkinson桿試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究,例如,J.Harding等提出了Hopkinson拉桿試驗(yàn)方法,W.E.Backer等、J.D.Campbell等和J.Duffy等提出了Hopkinson扭桿技術(shù)。還有很多學(xué)者在應(yīng)力波的彌散效應(yīng)、三維效應(yīng)、應(yīng)力波的離散與重構(gòu)等方面進(jìn)行了深入的研究。自60年代起,就有學(xué)者試圖利用Hopkinson桿技術(shù)確定在高溫環(huán)境下材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,A.Gilat等對(duì)利用Hopkinson桿技術(shù)確定高溫環(huán)境下材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的試驗(yàn)方法進(jìn)行了綜述。與準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)類似,要進(jìn)行高溫試驗(yàn),一種方法是將整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)置于高溫環(huán)境,另一種方法就是局部加熱。在Hopkinson桿試驗(yàn)中,要對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加熱不僅非常困難,而且也是不合適的,所以必須對(duì)試樣進(jìn)行局部加熱。而在試驗(yàn)過程中,試樣必須與兩彈性桿接觸。一般有兩種手段加熱試樣,一種是試樣與輸入桿及輸出桿分離,將試樣加熱到預(yù)定溫度,使加載桿與試樣接觸后立即加載。C.E.Frantz等就使用這種方法進(jìn)行了溫度達(dá)1273K的試驗(yàn),但他們未能確定試樣與加載桿接觸瞬時(shí)到應(yīng)力波到達(dá)試樣與入射桿界面之間的時(shí)間(接觸時(shí)間)。如果接觸時(shí)間非常短,試樣內(nèi)的溫度來不及下降,加載桿上的溫度也來不及上升。作者曾進(jìn)行過有限元模擬,接觸時(shí)間不超過1ms,試樣長度方向上超過80%的距離以內(nèi)區(qū)域的溫度降低程度小于10%(如圖1所示)。A.M.Lennon等用有限元方法模擬的結(jié)果也證明了如果接觸時(shí)間非常短,試樣中溫度變化不大,在數(shù)據(jù)處理中是可以忽略試樣的溫度變化。另一種手段是在試樣加熱過程中試樣與兩彈性桿并不分離,這樣在入射桿及透射桿上要形成溫度梯度。眾所周知,在Hopkinson桿試驗(yàn)中,假設(shè)應(yīng)力波的波阻抗沿桿的長度方向不變,試樣中的變形、應(yīng)力是通過貼在輸入、輸出桿上的應(yīng)變片,再使用一維應(yīng)力波理論確定。入射桿及透射桿中的溫度變化將引起波阻抗的變化,在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中必須進(jìn)行修正,這給試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理帶來極大的困難。此外,也可在與試樣接觸的入射桿和透射桿桿端進(jìn)行冷卻或隔熱。J.Lankford采用快速加溫技術(shù),減少溫度在桿中的變化梯度。盡管如此,一般彈性桿的溫度不能超過其淬火溫度,以免降低彈性桿屈服極限。因此,這兩種方法的使用均有很多缺點(diǎn)。最近,S.Namet-Nassor等使用一種方法,首先將試樣與彈性桿分離,加熱試樣,當(dāng)達(dá)到預(yù)期的溫度時(shí),開啟空氣炮,在應(yīng)力波到達(dá)試樣與入射桿界面時(shí),由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)推動(dòng)試樣與入射桿、透射桿緊密接觸。這種方法可以克服彈性桿過熱的問題,是一種較為理想的方法,但缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜。在本文中,將介紹一種Hopkinson桿系統(tǒng)的高溫試驗(yàn)方法,該方法采用一種同步組裝系統(tǒng),使得在應(yīng)力波到達(dá)試樣與入射桿界面時(shí),被單獨(dú)加熱的試樣與入射桿和透射桿緊密接觸并進(jìn)行加載。與Namet-Nassor等的方法相比,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單。利用該系統(tǒng),可測(cè)定單晶連鑄銅、多晶連鑄銅在室溫約1085K時(shí)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。2試驗(yàn)技術(shù)2.1透射桿力學(xué)性能傳統(tǒng)Hopkinson桿由空氣炮、子彈、入射桿、透射桿、測(cè)試系統(tǒng)、支持系統(tǒng)組成?；竟ぷ髟砣鐖D2,試樣夾持在入射桿和透射桿之間,由空氣炮驅(qū)動(dòng)一柱狀子彈撞擊入射桿,在入射桿中產(chǎn)生應(yīng)力波。當(dāng)應(yīng)力波傳到試樣與入射桿界面時(shí),一部分返回入射桿,另一部分傳給試樣,在試樣中來回反射3～5次后達(dá)到平衡,再通過試樣與透射桿的界面?zhèn)鹘o透射桿。貼在入射桿及透射桿上的應(yīng)變片可以記錄入射波、反射波及透射波。通過一維應(yīng)力波理論,可以給出試樣上的應(yīng)變率、應(yīng)變、應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律。式(1)～(3)給出了Hopkinson實(shí)驗(yàn)中常用的計(jì)算試樣應(yīng)變率、應(yīng)變和應(yīng)力的公式式中:l、As為試樣的長度及橫截面積;E、c0、Ab為彈性桿中的彈性模量、應(yīng)力波速及橫截面積。在公式(2)及(3)中如果消去時(shí)間,就可以確定材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。值得指出的是,在試樣加載過程中,入射桿、試樣、透射桿緊密接觸。試樣中的溫度可以傳導(dǎo)給入射桿、透射桿。由于試樣被加載的時(shí)間約在200μs以內(nèi),在試樣加載過程中熱傳導(dǎo)可以忽略不計(jì)。但在試樣加載前,如果試樣與入射桿接觸,桿端的溫度不可避免的升高。如果其溫度在彈性桿材料的回火溫度以下,試驗(yàn)結(jié)果可通過考慮波阻抗隨溫度的變化進(jìn)行修正,如果在回火溫度以上,桿材料的屈服極限將明顯降低,波阻抗也明顯變化,應(yīng)力波將會(huì)發(fā)生畸變,給試驗(yàn)帶來較大困難。2.2霍格斯on桿系統(tǒng)2.2.1局部加熱和氣室加熱高溫Hopkinson桿的基本原理是利用熱電耦絲將試樣固定于套管上,套管可在入射桿上任意滑動(dòng)。首先將試樣置入環(huán)形電爐內(nèi)對(duì)試樣進(jìn)行局部加熱,試樣達(dá)到預(yù)定溫度時(shí),加熱控制系統(tǒng)可使?fàn)t溫保持在設(shè)定溫度;開啟氣炮,氣室壓力一方面推動(dòng)子彈運(yùn)動(dòng)去撞擊入射桿,另一方面通過同步組裝系統(tǒng)推動(dòng)透射桿向試樣方向運(yùn)動(dòng)。通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)同步組裝系統(tǒng)的氣壓,可使加載應(yīng)力波到達(dá)試樣的同時(shí),透射桿、入射桿和試樣剛好緊密接觸。試驗(yàn)中,試樣上的溫度變化通過接在試樣的熱電偶絲測(cè)定。2.2.2試樣溫度的測(cè)定套管主要用來固定試樣,有兩個(gè)帶孔的耳片。利用熱電耦絲一方面將試樣固定于兩個(gè)耳片之間,另一方面測(cè)定試樣的溫度。套管的內(nèi)徑與入射桿的外徑相同,并可在入射桿上自由滑動(dòng)。當(dāng)同步組裝系統(tǒng)工作以后,透射桿運(yùn)動(dòng),首先接觸試樣,再帶動(dòng)套管,使試樣的另一端與入射桿相接觸。其工作原理如圖3所示。2.2.3驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同步組裝系統(tǒng)的工作原理參見圖4。氣室分前氣室、活塞和后氣室,后氣室通過氣動(dòng)開關(guān)與氣源和同步組裝系統(tǒng)氣路相連。充氣時(shí),進(jìn)氣開關(guān)2打開,但氣動(dòng)開關(guān)1關(guān)閉。同步組裝系統(tǒng)通過氣動(dòng)開關(guān)1與驅(qū)動(dòng)器12相連,在驅(qū)動(dòng)器中,驅(qū)動(dòng)器使活塞的運(yùn)動(dòng)與透射桿的運(yùn)動(dòng)相連。當(dāng)達(dá)到預(yù)期的氣室壓力后,關(guān)閉開關(guān)2,開啟開關(guān)1,氣室3卸壓,活塞向后運(yùn)動(dòng),使得氣室4的壓力進(jìn)入炮管驅(qū)動(dòng)子彈,另外,在開關(guān)1打開后,氣室3的高壓氣體通過管道14驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器活塞12,帶動(dòng)透射桿向入射桿方向運(yùn)動(dòng)。從而使透射桿首先接觸試樣,帶動(dòng)連接試樣的套筒,使試樣與入射桿、透射桿在加載應(yīng)力波到達(dá)試樣同時(shí)緊密接觸。在這套系統(tǒng)中,雖然有驅(qū)動(dòng)器回路結(jié)構(gòu)存在,實(shí)驗(yàn)時(shí),驅(qū)動(dòng)器利用氣壓推動(dòng)透射桿與試樣接觸,透射波仍可在吸收桿中自由傳播,并通過其將全部能量傳給置于吸收桿末端的緩沖器上。2.2.4外爐殼、電熱絲采用環(huán)狀可控直流電源加熱爐。其厚度約為30mm,內(nèi)通孔直徑為35mm,電熱絲分布于內(nèi)孔壁,并用定制的隔熱瓦片及石棉與外爐殼隔離。電熱爐固定于Hopkinson桿平臺(tái)的立柱上。爐壁內(nèi)的溫度由一閉環(huán)控制器控制,與設(shè)定溫度的誤差為±3K,最高溫度可達(dá)1473K。2.3材料純度和純度試驗(yàn)用的材料有兩種,一種為上引法連鑄多晶銅,另一種為連鑄單晶銅,材料純度為99.999%。試驗(yàn)中使用的試樣是直接從8mm的連鑄多晶銅及單晶銅棒材上截取,并在金相試樣拋光機(jī)上將試樣兩端面打磨平滑。最后用于試驗(yàn)的試樣直徑為8mm,長度也是8mm。3應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型所有的試驗(yàn)是在西北工業(yè)大學(xué)沖擊動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)室的分離式Hopkinson壓桿系統(tǒng)上進(jìn)行。此系統(tǒng)不僅具有進(jìn)行在高溫環(huán)境下材料動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)的能力,其接觸時(shí)間可控制在500μs～1ms之間。此外,該系統(tǒng)還具有單次脈沖加載的能力,能避免由于反射波在入射桿中來回反射引起的試樣被反復(fù)加載,這樣可以將所測(cè)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試樣的變形相關(guān)聯(lián),其工作原理可參閱文獻(xiàn)。在此系統(tǒng)中,入射桿與透射桿的直徑為12.7mm。圖5是一組典型試驗(yàn)中從應(yīng)變片上輸出的入射波、反射波及透射波。從以上信號(hào)中,利用公式(1)～(3)就可以確定試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由于系統(tǒng)的接觸時(shí)間控制在500μs～1ms之間,因此根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,對(duì)高溫實(shí)驗(yàn)來說,試樣的溫度損失不大,因此在數(shù)據(jù)處理是可以忽略溫度損失的影響。在試驗(yàn)中,不論是上引法連鑄多晶銅,還是連鑄單晶銅,試驗(yàn)的應(yīng)變率平均控制在2000s-1。在室溫約1085K對(duì)多晶銅每隔100K,對(duì)單晶銅則每隔200K進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6中我們可以看到,這兩種材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能均表現(xiàn)出明顯的溫度相關(guān)性。隨著溫度的升高,材料的流動(dòng)應(yīng)力呈下降趨勢(shì)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度在585K以下時(shí),多晶銅材料屈服之后應(yīng)力應(yīng)變曲線基本上平行,這說明在這個(gè)溫度范圍內(nèi)材料的應(yīng)變硬化率的變化不大,溫度的變化主要是影響其屈服應(yīng)力。而實(shí)驗(yàn)溫度高于585K時(shí),材料屈服以后的應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)生了明顯的變化,其應(yīng)變硬化率明顯降低,但是仍基本上保持平行。觀察單晶銅的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可以看到與多晶銅相類似的情況,材料的應(yīng)變硬化率在實(shí)驗(yàn)溫度為685K前后有一個(gè)明顯的變化,而在變化前后各個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度下的應(yīng)變硬化率又基本上相同。從這兩種材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,存在著一個(gè)溫度門檻值T,應(yīng)變硬化率在這個(gè)溫度前后會(huì)發(fā)生變化,從實(shí)驗(yàn)中來看多晶銅材料是在585K左右,而單晶銅材料也應(yīng)該在585K左右。如果考慮高應(yīng)