一种能够实现动态压缩的动态压痕实验装置

1.本实用新型涉及硬脆材料动态力学性能测量领域，尤其涉及一种硬脆材料动态压痕实验装置。


背景技术：

2.目前，现有的压痕技术主要集中于静态压痕实验，如常见的纳米压痕实验；动态压痕实验技术发展尚不成熟；在进行动态压痕实验时难以获取同一变载荷下的应力应变曲线，不利于分析试件裂纹成核、扩展机理；实验中不能控制脉冲，难以实现单次压痕；压痕实验过程中试件与实验装置相对位置发生改变，影响实验精度、损耗实验器材；硬脆材料硬度较高，动态加载条件下冲击速度较快，实验过程的高速撞击会减少实验装置使用寿命。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是：为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种测量精度高且结构简单的能够同时实现动态压缩和动态压痕的实验装置。
4.为实现本实用新型之目的，采用以下技术方案予以实现：一种能够实现动态压缩的动根据态压痕实验装置,有：撞击杆、光触发测速装置、缓冲块、线性可变差动传感器，入射杆和透射杆中间分别安装应变片，透射杆前端安装压缩试件后端通过定位槽安装压头，在压头后方安装压痕试件，其特征是入射杆前端装有“法兰-套筒-刚性质量”组成的“动量阱”组件，透射杆后端通过定位孔安装压头，通过导向约束装置保证入射杆、压缩试件、透射杆、压痕试件在实验过程中保持同一轴线，线性可变差动传感器与透射杆直接相连，入射杆前端设置光触发测速装置，透射杆与缓冲块之间设置力传感器。
5.所述入射杆在撞击杆的撞击作用下，在对压痕试件进行动态压痕的同时对压缩试件进行动态压缩。
6.所述导向约束装置为内径与透射杆、入射杆同轴径的空心圆柱体，在正上方开口，材质为硬质合金，保证入射杆、压缩试件、透射杆、压痕试件在实验过程中保持同一轴线。
7.所述入射杆前端装有“法兰-套筒-刚性质量”的“动量阱”钢制组件，材质都为硬质合金，吸收反射回来的脉冲，实现单次压痕实验，避免产生二次甚至多次压痕影响实验结果。
8.所述线性可变差动传感器通过挡板与透射杆直接相连。
9.所述压痕试件中心与边缘的距离至少为压痕对角线的2.5倍，确保边界效应不会影响压痕硬度测量，厚度为压痕对角线1.5倍，确保包含完整的径向/中间裂纹，避免完全断裂和裂纹信息丢失。
10.所述压缩试件、压痕试件直径均小于导向约束装置的内径，并通过定位圈固定。
11.所述定位圈采用硬质橡胶，多种厚度用来匹配不同尺寸试件，定位试件的同时避免产生预应力，同时在试件崩碎时起到缓冲垫作用，保护入射杆和透射杆。
12.优选的，所述压头采用定位孔方式安装，压头杆材质为硬质合金，采用面接触的方
法，在确保安装精度的同时满足波阻抗匹配条件ρ
scsas
＝ρ0c0a0，其中ρs为被测试件的密度，cs为被测试件的一维应力波波速，as为被测试件横截面积，ρ0为入射杆和透射杆密度，c0为入射杆和透射杆的一维应力波波速，a0为入射杆和透射杆横截面面积。
13.与现有技术相比较，本实用新型的有益效果是：通过该实验装置对硬脆材料进行动态压痕实验的同时对试件进行动态压缩实验，解决了在动态压痕实验中不能准确获取同变载荷条件下的力学性能、应力应变曲线的难题；避免了由于入射杆与压头横截面面积相差较大，压头与入射杆的波阻抗失配问题；通过采用钢制“法兰-套筒-刚性质量”的“动量阱”组件，避免在实验过程中产生多个压痕的问题；避免冲击过程中产生激荡，使压头和被测试件等相对位置发生改变的问题；避免冲击载荷过大，杆件撞击损伤的问题。
附图说明
14.图1示意了本实用新型的结构原理。
15.图2示意导向约束装置装配图。
16.图3示意导向约束装置爆炸视图。
17.1：撞击杆；2：光触发测速装置；3：法兰；4：套筒；5：刚性质量；6：动量阱；7：入射杆；8：应变片；9：压缩试件；10：导向约束装置；11：透射杆； 12；挡片；13：压头；14：压痕试件；15：力传感器；16：缓冲块；17：线性可变差动传感器；18：定位圈。
具体实施方式
18.本实用新型的关键在于：撞击杆1在气枪作用下会以一定速度射出，可以通过控制气枪压力控制撞击杆1速度，通过光触发测速装置2测量并记录撞击杆初速度。撞击杆1撞击法兰3时，同时在套筒4和入射杆7中产生压缩脉冲。其中，套筒 4中的压缩脉冲(c
sleeve
)到达刚性质量5时，会以拉伸脉冲的形式反射回法兰3，到达法兰3端部时，它将一个拉伸脉冲(t
sleeve
)加载到入射杆7中。入射杆7中的压缩脉冲(c
impact
)使入射杆7撞击压缩试件9的同时，压头13对压痕试件14产生压痕，然后反射形成张力脉冲(t
impact
)，当它到达法兰3端部时被动量阱组件6捕获，应变片在随后的读数中不会感应到该脉冲。因此，应变片8安装在入射杆7和透射杆11的中心，记录压缩脉冲c
impact
，随后是拉伸脉冲t
sleeve
，两者都向透射杆11移动。最初的拉伸脉冲(t
sleeve
)到达压头时将导致压头13与压痕试件14分离,随后以压缩脉冲(c
sleeve
)的形式反射回法兰3端，再以张力脉冲(t
sleeve
)的形式反射回透射杆11端。该过程将重复数次，从而导致压头缩回并远离试件。因此，通过适当设计动量阱6，确保只有一个压缩脉冲到达压头端部，从而允许在高应变率下进行动态压痕试验。
19.输入脉冲的持续时间可以通过选择不同长度的撞击杆1来改变，入射载荷可以通过改变气枪的压头来实现。线性可变差动传感器17与透射杆11通过挡片12 直接相连，获得实验的压痕深度时间曲线。
20.在撞击杆1与入射杆7之间固定安装光触发测速装置2，光触发测速装置包括触发计时器、两根并排设置的激光管和两根位置与激光管上下对应的光敏管，光敏管位于激光管的下方，光敏管与触发计时器电连接，可以获得撞击杆1的初速度。
21.压痕试件14与缓冲块16之间设置力传感器15，通过力传感器15原位测量实验中的力。
22.通过上述过程可以精准获取动态压痕实验中的应力应变曲线，便于与准静态下力学数据进行对比分析，深入研究高应变率下的材料动态损伤特征响应。


技术特征：
1.一种能够实现动态压缩的动态压痕实验装置,有：撞击杆(1)、光触发测速装置(2)、缓冲块(16)、线性可变差动传感器(17)，入射杆(7)和透射杆(11)中间分别安装应变片(8)，透射杆(11)前端安装压缩试件(9)后端通过定位槽安装压头(13)，在压头后方安装压痕试件(14)，其特征在于：入射杆(7)前端装有“法兰(3)-套筒(4)-刚性质量(5)”组成的“动量阱”组件(6)，透射杆后端通过定位孔安装压头(13)，通过导向约束装置(10)保证入射杆(7)、压缩试件(9)、透射杆(11)、压痕试件(14)在实验过程中保持同一轴线，线性可变差动传感器(17)与透射杆(11)直接相连，入射杆前端设置光触发测速装置(2)，透射杆(11)与缓冲块(16)之间设置力传感器(15)。2.根据权利要求1所述的一种能够实现动态压缩的动态压痕实验装置，其特征是入射杆(7)在撞击杆(1)的撞击作用下，在对压痕试件(14)进行动态压痕的同时对压缩试件(9)进行动态压缩。3.根据权利要求1所述的一种能够实现动态压缩的动态压痕实验装置，其特征是导向约束装置(10)为内径与透射杆(11)、入射杆(7)同轴径的空心圆柱体，在正上方开口，材质为硬质合金，保证入射杆(7)、压缩试件(9)、透射杆(11)、压痕试件(14)在实验过程中保持同一轴线。4.根据权利要求1所述的一种能够实现动态压缩的动态压痕实验装置，其特征在是入射杆(7)前端装有“法兰(3)-套筒(4)-刚性质量(5)”的“动量阱”钢制组件(6)，材质都为硬质合金，防止产生多次压痕。5.根据权利要求1所述的一种能够实现动态压缩的动态压痕实验装置，其特征是线性可变差动传感器(17)通过挡板(12)与透射杆(11)直接相连。6.根据权利要求1所述的一种能够实现动态压缩的动态压痕实验装置，其特征是压痕试件(14)中心与边缘的距离至少为压痕对角线的2.5倍，确保边界效应不会影响压痕硬度测量，厚度为压痕对角线1.5倍，确保包含完整的径向/中间裂纹，避免完全断裂和裂纹信息丢失。7.根据权利要求1所述的一种能够实现动态压缩的动态压痕实验装置，其特征是压缩试件(9)、压痕试件(14)直径均小于导向约束装置(10)的内径，并通过定位圈(18)固定。8.根据权利要求1所述的一种能够实现动态压缩的动态压痕实验装置，其特征在是定位圈(18)采用硬质橡胶，多种厚度用来匹配不同尺寸试件，定位试件的同时避免产生预应力，同时在试件崩碎时起到缓冲垫作用，保护入射杆(7)和透射杆(11)。

技术总结
本发明公开了一种能够实现动态压缩的动态压痕实验装置,特点是包括撞击杆、光触发测速装置、缓冲块、线性可变差动传感器，入射杆和透射杆中间分别安装应变片，应变片与超动态应变仪电连接，透射杆前端安装压缩试件后端通过定位槽安装压头，在压头后方安装压痕试件，入射杆前端装有“法兰-套筒-刚性质量”的钢制“动量阱”组件，导向约束装置确保入射杆、工件、透射杆处于同一轴线，入射杆前端设置测速装置，透射杆后端设置力传感器，采用不同厚度硬质橡胶定位圈定位试件，避免产生预应力，同时在试件崩碎时起到缓冲垫作用，保护杆件；优点是能够在进行动态压痕实验的同时获得同一冲击载荷下的应力应变曲线，分析试件裂纹成核、扩展机理。机理。机理。


技术研发人员：刘立飞 梁奉爽 赵梦然
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2021.11.16
技术公布日：2022/7/8