高速動態ZnS玻璃力學性能測試及分析

2021-07-23 07:00:30溫慶榮魏夢琦劉宏旭胡建飛

激光與紅外 2021年7期

溫慶榮,李想,魏夢琦,劉宏旭,胡建飛

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引言

現有軍用光電設備中,紅外成像、紅外制導、紅外對抗、戰艦導航、車載夜視、紅外探測和紅外瞄準等以紅外應用為主的技術所占的比重越來越重要,而紅外光學元件是紅外光電系統中的關鍵部件。紅外材料不僅需要具有良好的紅外透過性能,要同時承受在高速飛行中雨水、沙塵和冰雹等顆粒物的沖擊損傷和長期海面鹽霧的化學腐蝕。

由于ZnS玻璃可透過可見光、激光到紅外多個波段,因此在紅外光電設備中得到廣泛的應用。而ZnS屬于特殊的脆性材料,力學性能參數并不唯一,而且不同批次的材料其力學性能差異也較大；并且在高速動態下,ZnS材料的力學性能會隨著碰撞速度的增加發生變化。因此,本文通過設計試驗方案對本批次的ZnS樣件開展力學性能的測試,并針對試驗結果進行數據分析,得出實際的力學參數,為后續的仿真分析提供真實的數據。

2 試驗設計及方法

為了能夠與試驗的機器匹配,本文針對拉伸和壓縮試驗分別選用直徑10 mm和直徑5 mm的ZnS圓柱玻璃,高度均為4.2 mm,樣件如圖1所示。

圖1 玻璃樣件

2.1 試驗矩陣

根據試驗目標,設計的試驗矩陣如表1所示。針對玻璃材料分別開展準靜態、中高應變率下測試其壓縮工況下極限應變、極限應力的試驗。

表1 試驗矩陣

2.2 試驗方法和數據采集/處理

2.2.1 準靜態試驗方法

ZnS玻璃屬于脆性材料,極限應變非常小,并且試驗樣本尺寸又比較小,在進行準靜態壓縮試驗時,由于試驗的壓縮機的壓頭與被壓縮的樣本之間有一定的間隙,從試驗機的位移數據來獲得樣件的應變數據不準確。因此,為了獲得玻璃樣件較為準確的應變數據,采用數字圖像處理技術(DIC)的方法,首先要對玻璃樣件噴射散斑。圖2為玻璃樣件噴射散斑以后的照片。

圖2 玻璃樣件噴射散斑

準靜態試驗是在萬能試驗機上進行的,電子萬能材料試驗機簡稱電子萬能試驗機,是材料力學性能測試的專用設備,主要用于材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等力學性能試驗,并采集力-位移曲線。由于試驗機在壓縮過程中存在間隙,因此壓縮位移的采集是通過在試驗機壓頭噴射散斑然后使用非接觸測量的方式來獲取,進而可獲取更為準確的力-位移曲線。圖3是準靜態試驗的試驗機以及樣本數據采集裝置。

圖3 試驗機及數據采集裝置

2.2.2 準靜態試驗數據處理方法

根據獲取的力-位移曲線,按照下式來計算工程應力σE和工程應變εE,其計算表達式如下所示。

σE=P/As

(1)

εE=ΔL/L

(2)

εT=ln(1+εE)

(3)

σT=σE(1+εE)

(4)

將(1)和(2)式代入(3)和(4)式中,可以計算得到真實的應力和應變。式中,As和L分別表示試件的初始截面積和長度,ΔL為試件的壓縮量。

2.2.3 中高速試驗方法

中高速試驗是在霍普金森壓桿試驗機上進行的,分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar,簡稱SHPB)[1-2],是現今最為廣泛使用并且被認為有效的測試材料剛應變率下力學特性的試驗裝置。其主要特點是可以實現試件的高應變率變形,同時保持試件內的動態應力平衡或者說試件內軸向應力梯度接近于零。將玻璃樣件貼上應變片,并通過潤滑劑夾緊在輸入桿和輸出桿中間,同時將應變片與數據采集系統連接。本試驗的電磁桿是單向加載,根據試驗目標應變率范圍來估算氣壓。圖4為霍普金森壓桿試驗機試驗過程圖片。