目前工程材料的工作環(huán)境往往涉及到爆炸、高速?zèng)_擊、切削、高溫、高應(yīng)變率等極端條件，此時(shí)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能是人們非常關(guān)心的一個(gè)重要問題。這類載荷作用時(shí)間一般較短(微秒乃至納秒)、沖擊強(qiáng)度高,足以引起大變形乃至破壞，所以研究材料在沖擊載荷作用下的力學(xué)性能具有重要的工程意義。

一般情況下材料的準(zhǔn)靜態(tài)的應(yīng)變率在10^-5~10^-2 s^-1之間，其動(dòng)態(tài)沖擊的高應(yīng)變率往往在10² ~10⁴ s^-1之間，甚至?xí)_(dá)到10⁶ s^-1(應(yīng)變率即應(yīng)變變化的速率，指單位時(shí)間產(chǎn)生的應(yīng)變)。一般材料在準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊載荷下的力學(xué)性能存在著較大的差異，即應(yīng)變率相關(guān)性，隨著應(yīng)變率的增加，慣性效應(yīng)與研究對(duì)象的物理性能（應(yīng)變率效應(yīng)）分離開來。下表為各種加載方式所能滿足的加載應(yīng)變率范圍以及對(duì)應(yīng)力波的影響。

目前，在高應(yīng)變率沖擊測試中，人們普遍使用的是Hopkinson(霍普金森)桿，霍普金森裝置，英文簡稱 SHP(T)B，應(yīng)變率范圍 10²～10⁴。

SHPB實(shí)驗(yàn)裝置圖

SHPB 實(shí)驗(yàn)的基本原理建立在二個(gè)基本假定的基礎(chǔ)上，即一維假定(又稱平面假定)和應(yīng)力均勻假定。一維假定認(rèn)為應(yīng)力波在細(xì)長桿的傳播過程中，彈性桿中的每個(gè)橫截面始終保持為平面狀態(tài)；應(yīng)力均勻假定認(rèn)為應(yīng)力波在試件中反復(fù) 2～3個(gè)來回，試件中的應(yīng)力處處相等。由此可利用一維應(yīng)力式中 C0、A、E、A0、L 分別為彈性桿的波速、橫截面積、彈性模量、試件的橫截面積及原始長度．由此得到試件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率隨時(shí)間變化趨勢，進(jìn)而在時(shí)間尺度上得出三者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

SHPB實(shí)驗(yàn)原理圖

自1949年世以來，SHPB經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為動(dòng)態(tài)力學(xué)測量的主要設(shè)備，它具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、測量方法精巧、加載波形易控制等優(yōu)點(diǎn)，其所測量的應(yīng)變率范圍也是人們所關(guān)心的一般工程材料應(yīng)變率敏感性變化比較劇烈的范圍。但是過去的Hopkinson 技術(shù)主要應(yīng)用在金屬及其合金材料上，這類材料拉壓特性基本對(duì)稱而且塑性變形能力較大，而復(fù)合材料由于其結(jié)構(gòu)的多變性，其阻抗、延展性等與金屬相差較大，故此裝置仍需要不斷的發(fā)展。

動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)

一般認(rèn)為復(fù)合材料是粘彈性材料，為了保證加載時(shí)材料內(nèi)應(yīng)力均勻性，可以在輸入桿的頭端粘貼銅片作為波形整形器，波形整形器的作用是延長入射波的上升沿，增加試樣有效的加載時(shí)間，保證試樣中的軸向應(yīng)力均勻。一般來說，當(dāng)試樣兩端面的軸向應(yīng)力差小于5％時(shí)，就可以認(rèn)為試樣中的軸向應(yīng)力已達(dá)到均勻。

典型的沖擊壓縮應(yīng)力脈沖信號(hào)

動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)

與動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)相比較，動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)比較復(fù)雜，需要對(duì)壓桿進(jìn)行改裝。目前主要采用的是反射式SHPB裝置，通過應(yīng)變片記錄反射波、入射波、透射波，從而得到其應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

普金森拉桿原理圖

動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)

復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)一般是通過對(duì)試樣的合理設(shè)計(jì)，利用霍普金森桿壓桿實(shí)現(xiàn)剪切變形，這種裝置與壓桿裝置相似，通過壓縮間接地實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料的剪切變形，得到復(fù)合材料的剪切應(yīng)變率、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

用于動(dòng)態(tài)剪切測試的霍普金森桿

總結(jié)

利用霍普金森桿裝置可對(duì)各種復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)壓縮、拉伸、剪切等性能作全面詳細(xì)的測試，依據(jù)測試結(jié)果分析復(fù)合材料的應(yīng)變率行為。從下圖可以明顯的看出玻纖／環(huán)氧復(fù)合材料隨著應(yīng)變率的提高，其破壞強(qiáng)度也逐漸提高，這表明它是一種應(yīng)變率敏感材料。

玻纖／環(huán)氧復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)壓縮曲線

國高材分析測試中心

霍普金森桿設(shè)備能力介紹

應(yīng)變速率：>100/s(由試件尺寸和材料決定)

發(fā)射速度：3-40m/s

采集頻率：~10MHz

驅(qū)動(dòng)裝置：空氣壓縮機(jī)0.1-4Mpa

測試溫度：-70～800℃

試件尺寸：d10*5mm

炮筒長度：2000mm

應(yīng)變測量：應(yīng)力波計(jì)算或高速相機(jī)

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)： GJB 8374-2015 金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)方法、 GB/T 34108-2017 高應(yīng)變速率室溫壓縮試驗(yàn)方法、 GB/T 7314-2017 金屬材料 室溫壓縮試驗(yàn)方法