CCS-B船用鋼的動態力學性能探究

諸葛駿，曹亞運，馬 帥，沈超明，田阿利

(1.江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212003;2.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

CCS-B船用鋼屬于低碳鋼，在船舶行業中應用非常廣泛。目前，我國在船舶的設計、強度驗算等方面通常都基于材料的靜態力學性能，而船舶，特別是軍船，在實際服役期間遭受爆炸、高速碰撞等高強度瞬時沖擊載荷而導致的損傷破壞卻無法在靜態力學范疇內分析解釋，因而亟須對船用鋼的瞬間動態力學性能進行深入研究。大量實驗表明，多數材料在高應變率下表現出應變率相關性。因此，對船舶結構抗爆、強度計算等問題的理論分析和數值模擬分析，必須建立在已知材料的高應變率強度、斷裂特性和應力—應變關系等本構關系的基礎上。

目前，國內外許多學者對低碳鋼材料的抗沖擊性能已有一定的研究，曲嘉等通過分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置對冷作硬化后的試件進行高應變率(103/s)沖擊壓縮測試試驗表明了低應變率下的冷作硬化可提高鋼材抗沖擊強度［1］;王艷云等通過對低碳鋼材料試件進行拉伸試驗，研究了靜態條件下低碳鋼的有關力學性能［2］，因而鋼材等工程材料在高速沖擊載荷條件下的變形行為日益受到人們的關注。

本文首先通過靜態實驗測定CCS-B船用鋼材料的靜態力學性能參數，然后采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)實驗裝置對CCS-B 進行動態力學性能試驗研究。基于“三波法”理論，編程計算試件材料的動態力學參數，如應力、應變率時間歷程曲線以及試件的平均應力—應變曲線，給出了材料在不同應變率下的本構關系和屈服強度。

1 動態沖擊實驗

1.1 實驗裝置

分離式Hopkinson壓桿實驗裝置［3］主要用于測量材料在高應變率下(102～104)/s的動態力學性能。由于該系統簡單高效，實驗精度較高，因而已經成為目前研究材料動態力學性能最基本的實驗裝置。本實驗基于江蘇科技大學力學實驗中心的分離式Hopkinson壓桿實驗裝置，如圖1所示。

圖1 SHPB實驗裝置圖

本實驗裝置包含共軸安裝的撞擊桿(即子彈)、輸入桿(入射桿)、輸出桿(透射桿)和吸收桿以及相關的速度測試系統、超動態應變測試系統。試驗過程中，通過測量輸入桿上的入射波、反射波與輸出桿上透射波信號，推導出試件材料的動態力學性能參數。其系統工作示意圖如圖2所示。

1.2 實驗方案

由于動態實驗裝置要求試件的尺寸非常小、精度非常高，所以加工時在達到尺寸要求的同時還要盡量滿足垂直度、水平度以及端面光潔度。選取3個已加工的Φ14.00 mm×8.0 mm小試件，每個試件在不同的沖擊壓力下進行實驗。為增強其實驗結果的可靠性，每個試件在單一的沖擊壓力作用下重復做3次，取其平均值。實驗時在試件和壓桿端面涂黃油以降低端面摩擦所帶來的實驗誤差［2，4］。該實驗所用的SHPB壓桿直徑為16 mm，對每個試件進行了在氣槍內氣壓分別為 0.3、0.4、0.5 MPa 的動態沖擊實驗，其實驗相關參數見表1、表2。

圖2 SHPB實驗裝置原理圖

表1 實驗方案參數

表2 實驗數據參數

1.3 實驗數據及現象

超動態應變儀所采集得到的波形數據為應變片的電壓信號，如圖3所示。

圖3 示波器中記錄的波形

通過換算公式(1)得到輸入、輸出桿的應變數據。由于SHPB實驗裝置中的輸入、輸出桿一般為高強度鋼，因此在沖擊過程中僅為彈性變形，通過公式(2)可以得到入射波、反射波和透射波的數據［5］。

式中:ε(t)為SHPB裝置中輸入輸出桿的應變;V(t)為對應的應變片電壓信號;σ(t)為應力;k為應變片的靈敏度系數，取k=2.08;E為SHPB裝置中桿系材料的彈性模量，取E=200 GPa。

3種不同沖擊壓力作用下的子彈速度分別為:13.6、15.8、17.9 m/s。圖 4、圖 5 分別給出了輸入、輸出桿上應力波形。

圖4 v=13.6 m/s下的入射、反射、透射應力波形圖

圖5 試件在不同速度下的入射波、反射波應力圖

由圖4可以看出，反射波與入射波和透射波相比很小，是由于本實驗所選擇的試件材料和波導桿系的材料相近，因此應力波在界面處發生反射較弱，而大多數的入射波均以透射波的形式傳播。

由圖5進一步說明，相同尺寸與材料的試件在不同的沖擊壓力作用下，其波導桿上對應應變片所測得的應變電壓信號有著明顯的區別。沖擊速度越大，其入射波和透射波電壓信號越大，即應變信號越大，與常識相符。而在入射脈沖波突然上升后的前端，其觀察到波形存在劇烈的振動，作者分析其主要原因為:一是沖擊載荷激發桿中的高頻響應，其高頻信號影響產生強烈振動;二是由于桿的彌散效應而產生。

2 CCS—B動態力學性能分析

根據建立在2個基本假定(即一維假定(又稱平面假定)和應力均勻假定)基礎上的細長桿彈性應力波傳播理論，通過對波導桿上入射、反射和透射應變脈沖的測試，用一維應力波理論分析計算得到試件中的平均應力、平均應變和平均應變率［6］。

平均應力:

式中:c0、E、A分別為Hopkinson壓桿裝置中的子彈速度、壓桿材料的彈性模量以及壓桿桿件的橫截面面積;A0、l0分別為試件材料的初始橫截面積和初始長度;εI、εR和εT分別是試件兩端面上入射波、反射波、透射波的應變信號。

應力波在HopKinson壓桿和試件中的傳播，3個應變波形在時間域上具有比較大的相對差距，各個應變波形的數據點之間卻具有內在一一對應的關系，因而準確確定應變波形之間的相對延遲時間和入射波的起點位置成為其數據處理最終結果準確性的重要因素［7］。圖6(a)為自編軟件中入射波、反射波和透射波的波形起點計算查找結果，圖6(b)給出了三波對齊結果。

試件3的應力、應變和應變率隨時間變化曲線如圖7所示。

對應力和應變數據進行聯立，得到試件材料的應力應變歷程曲線，其動態載荷作用下沖擊速度v=13.6 m/s，v=17.9 m/s 以及靜態壓縮的應力—應變曲線如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10可知:在動態沖擊實驗中，各試件材料在動態沖擊載荷作用下，試件材料的屈服強度值隨著應變率的增加而增大。過了屈服階段后，與靜態力學性能曲線相比，其強化階段的強化效果較弱，即強度極限與屈服強度差別不大，并且該材料在動態載荷作用下，當沖擊速度v=13.6 m/s時，其屈服強度值比靜態大74.643 MPa;當沖擊速度v=17.9 m/s時，其值比靜態大 247.857 MPa。

圖6 波形起點計算后的電壓信號曲線

圖7 試件3的應力、應變和應變率隨時間變化曲線

圖8 試件1應力—應變曲線(v=13.6 m/s)

圖9 試件3應力—應變曲線(v=17.9 m/s)

圖10 CCS-B船用鋼的靜態壓縮應力—應變曲線

3 結論

(1)用霍普金森壓桿實驗裝置進行材料的動態力學性能測試，必須滿足一維理論假設和試件中的應力均勻性假設。一維理論假設由實驗設備滿足，而應力均勻性假設，需要根據波導桿等進行試件設計時充分考慮試件與波導桿的阻抗匹配，使得應力波經試件透射反射后，已在試件中傳播2～3個來回。

(2)試件材料CCS-B船用鋼的屈服強度具有應變率敏感性。在不同應變率下，試件材料的動態力學性能測試結果是不同的，表現為應變率相關性，即試件材料的屈服強度值隨著應變率的增加而增大。

(3)CCS-B船用鋼材料在動態載荷作用下的屈服強度值明顯比靜態作用下高，而過了屈服階段后，其強化階段的強化效果相對靜態條件下較弱，即強度極限與屈服強度差別不大。

［1］曲嘉，鄒廣平，何蘊增.扭轉冷作硬化對低碳鋼高應變率下后屈服強度的影響［C］//黃風雷，張慶明.第九屆全國沖擊動力學學術會議論文集(上冊).焦作:中國辦學學會爆炸力專業委員會，2009:447－451.

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