基于SHPB 技術測試典型金屬動態壓縮性能的尺寸效應分析

摘 要： 為探究金屬材料在SHPB 動態測試中的尺寸效應問題，該文選用3 種具有典型晶體結構的金屬材料2A12鋁合金（面心立方，FCC）、45 鋼（體心立方，BBC）以及TC4 鈦合金（密排六方，HCP）），分別加工成具有相同長徑比（0.8）、不同尺寸（Φ10 mm×8 mm，Φ5 mm×4 mm，Φ2 mm×1.6 mm）的圓柱形壓縮試樣，并采用三組不同桿徑的SHPB 裝置（桿徑分別為Φ19 mm、Φ12.7 mm、Φ5 mm）進行動態力學性能測試。結果表明： 在金屬材料的動態壓縮力學性能測試中，所用試樣的尺寸在滿足一定要求時方可獲得其穩定的塑性流動應力，對于絕大多數金屬建議采用直徑大于5 mm 的試樣進行測試；采用微型SHPB 裝置配合小尺寸試樣所測得材料的塑性流動應力偏低；對應變率敏感的材料，其尺寸效應也更為顯著；被測試樣的塑性流動應力或與試樣的應力三軸度（即一維應力程度）相關。該文意在分析SHPB 測試中的尺寸問題以期對相關學者和工程技術人員準確地獲取金屬材料的動態實驗數據提供參考。

關鍵詞： SHPB; 尺寸效應; 金屬材料; 應變率; 塑性流動應力

中圖分類號： TB9; O347.4+1 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）10–0142–08

0 引 言

近年來，由于科技發展的需要，SHPB 技術也被應用于材料在超高應變率下的動態性能測試。應變率是加載速度與試樣長度的比值，因此，通常會采取減小試樣尺寸的方式來達到提高應變率的目的。此外，對于一些先進的特殊材料，如超細晶材料、納米材料、薄膜材料等，由于材料本身的限制難以將其加工成常規尺寸的試樣，因此，采用小尺寸試樣來獲得此類材料的動態力學特性是研究者難以規避的問題。然而迄今為止，對于小尺寸試樣的測試結果能否正確表征材料性能仍然存在爭議。Amstrong[1]通過研究多晶材料的晶粒尺寸對材料力學性能的影響指出，當金屬試樣中晶粒較少時，如橫截面晶粒數少于20，就會出現尺寸效應，這主要歸因于金屬晶體結構對塑性流動的取向依賴。Miyazaki[2] 等通過實驗指出，對于不同晶粒尺寸的金屬材料，其試樣需滿足一定的尺寸要求，所測得的流動應力才可趨于穩定：晶粒約為220 μm 的材料，其試樣直徑或厚度與晶粒尺寸的比值須大于7；而對于晶粒尺寸在40 μm 的材料，其試樣直徑或厚度與晶粒尺寸的比值須大于35。

在SHPB 試驗中，為了使透射桿應力水平與入射桿匹配，并減小慣性效應以及試樣與桿端摩擦的影響，對于不同尺寸的試樣通常選用不同直徑的SHPB 裝置進行試驗[3]。對于像巖石、聚脲等大尺寸的試樣通常采用大型SHPB 裝置進行實驗[4-5]，而對上文提到的小尺寸試樣加載則通常采用微型SHPB 裝置。Nemat-Nasser 和Guo[6] 借助彈性桿直徑為4.8 mm 的微型SHPB 裝置獲得了金屬釩在8 000/s 應變率下的應力-應變曲線。Wulf 等[7] 采用直徑12.5 mm 的彈性桿直接撞擊試樣，獲得了Φ9.5mm×9.4 mm 的1 045 鋁試樣在3.2×105/s 應變率下的應力-應變曲線。Gorham 等[8] 采用直徑3 mm 的彈性桿獲得銅在應變率大于104/s 的力學性能。然而，Nemat-Nasser 等[9] 在研究NiTi 形狀記憶合金在103～105/s 應變率的系列力學行為時發現，采用小尺寸試樣及微型SHPB 裝置測得的流動應力在高應變率下并不穩定，與常規尺寸試樣的測試結果相比有較大差異。此外，陶俊林等[10] 采用直徑分別為Φ3.17 mm、Φ12.5 mm 和Φ22 mm 的三套SHPB 裝置獲得了特種鋼的動態壓縮應力-應變曲線，通過比較也發現使用不同尺寸的SHPB 裝置測得材料的應力-應變曲線一致性較差。

由于金屬材料在應用中可能會受到高速碰撞、爆炸等沖擊載荷的作用，因此，準確獲取金屬材料的動態力學性能是其安全性設計的前提，而尺寸效應的出現會給材料動態力學性能的準確測量帶來不確定性。為了進一步研究試樣尺寸和SHPB 裝置尺寸對材料測試結果的影響，本文選用三種具有典型晶體結構的金屬，加工成不同尺寸但具有相同長徑比的試樣， 并分別采用不同彈性桿桿徑的三套SHPB 裝置進行加載。并通過測試所得材料的動態應力-應變關系，分析試樣與SHPB 彈性桿直徑變化對材料動態力學性能測試的影響，為準確獲取金屬材料的動態實驗數據提供參考。

1 實驗方法

1.1 材料與試樣

本文選取3 種金屬多晶材料， BCC 結構的45 鋼、FCC 結構的2A12 鋁合金以及HCP 結構的TC4 鈦合金，其化學成份分別見表1～表3。為了確保試樣微觀組織及晶粒尺寸一致，以及避免機械加工和殘余應力的影響，按照各自材料的標準熱處理工藝進行了去應力熱處理：45 鋼使用低溫時效處理，將試樣加熱到150 ℃，保溫5 h 后空冷；2A12 鋁合金在（250 ±10 ）℃ 保溫4 h 后空冷；對于TC4 鈦合金，先加熱到（840 ±10） ℃ 保溫1 h，隨爐冷卻到（550 ±10） ℃ 再保溫1.5 h 后空冷。試樣加工精度和SHPB 裝置的加工要求參見國軍標GJB5365—2005[11]。具體的典型金屬SHPB 測試方案如表4所示。