许科华 张琴凤

摘  要：文章结合高应变率对金属的影响，以及金属材料在极高应变率下的力学性能测试的实验原理，对以921A钢为金属材料的极高应变率下力学性能测试展开讨论，以明确极高应变率下，金属材料力学性能参数变化。

关键词：金属材料;极高应变率;力学性能;测试

中图分类号：O347.3 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）25-0069-02

Abstract： In this paper， in view of the influence of high strain rate on metals and the experimental principle of mechanical properties testing of metal materials at extremely high strain rates， the mechanical properties of metal materials with 921A as metal materials at extremely high strain rates are discussed， in order to clarify the changes of mechanical property parameters of metal materials at extremely high strain rates.

Keywords： metal materials; extremely high strain rate; mechanical properties; testing

前言

金属材料应用普及性的提高，不同荷载条件下，各行业对金属材料力学性能提出更多要求。为在金属材料广泛应用中，掌握外部环境对金属材料冲击时，金属材料力学性能的各项变化。相关人员可根据冲击产生后，应变率变化时，金属材料响应冲击时的力学性能，判断金属材料性能参数。因此，本文对金属材料在极高应变率下的力学性能测试展开讨论，旨在提高金属材料运用中，相关材料应力结构设计水平。

1 极高应变率对金属的影响

金属材料凭借自身的经济性、延展性特点被广泛应用在各工业、民用生产领域中。但在面临较大的冲击力时，金属材料在损坏的同时，金属材料变形、高应变率数据会产生较大变化。研究显示，极高应变率影响下，金属材料会产生增强效应，而在高温条件下却会产生软化效应。结合相关学者在金属增强效应研究中，提出可预测金属极高应变力的公式，并且该公式表明：金属强度与极高应变率成正比关系，比如在极高应变率超过103s-1时，金属强化呈增强趋势。在此基础上，相关人员提出利用气泡实验，分析金属在极高应变率影响下，其力学行为的变化，以明确极高应变率对金属各项参数的影响。

2 金属材料在极高应变率下的力学性能测试的实验原理

在冲击波影响中，金属材料、冲击波稀疏波在实际传播中，二者高压声速、传播速度具有一致性。现阶段，相关人员在测量金属材料高压声速时，会利用DISAR、DPS等测速技术，根据样品内的粒子速度分析材料声速。因此，在设定极高应变率是在对称性冲击下产生的，那么在样品与飞片产生的冲击波，可分为右行、左行冲击波，在冲击波抵达金属材料样品的放置窗口时，金属样品速度会产生改变，并且左行冲击波会在卸载过程中产生稀疏波。

第四，在通过测试实验，直接反应金属材料在极高反应率下的力学性能时，可构建“steinberg”模型，计算金属材料921A钢的屈服强度。但由于测试实验中，无法进行多次加载实验，继而导致难以样品在“hugoniot”状态中，其剪切强度值数较少。为此，实验人员需要根据“steinberg”模型中，剪应力与屈服强度的关系，判断同一应力条件下，金属材料921A钢的屈服强度，从而分析其力学性能。在测试过程中，若921A钢样品剪切模拟量在63～65GPa时，其屈服强度为0.7GPa。

第五，实验期间，相关人员还应在测试数据分析中，凭借冲击波速度，金属材料921A厚度，以分析冲击力加载过程中，金属材料样品的平均应变率。在加载过程中，其应变可由ε=△u/Co表示，Co为外部冲击力的纵波波速，△u为测试界面中，样品粒子速度变化量。而冲击加载或卸载时，冲击波时间计算公式中t=h/Co，h为样品实际厚度。

3.2 测试结果分析

结合以921A钢为金属材料的极高应变率下力学性能测试实验，在分析921A钢力学性能中屈服性能与极高应变率的关系时，需要从金属材料准静态、动态屈服强度，及其数值之间的比例关系，明确极高反应率对金属材料的影响。具体来说，在极高应变率较小时，金属材料的动态屈服强度数值会呈现出增加趋势，但增加幅度較小。而应变率数值较大时，金属材料动态屈服强度数值增加幅度较大、动态因子增强效果明显。例如在921A钢为金属材料的极高应变率下力学性能测试实验中，在应变率不超过1000s-1时，该金属材料样品的动态屈服强度数值变化较小、难以发现。然而，在应变率超过3000s-1，处于极高应变率范围时，921A钢样品动态、静态屈服强度数值差距较大，在静态屈服为3时，动态屈服数值为6。之后，921A钢动态屈服强度数值变化会进入稳定状态，应变率改变对其变化影响较小。由此可见，极高应变率下，金属材料力学性能参数会产生变化，但金属材料力学性能参数中，应变率对动态屈服强度影响较为突出。

3.3 应变率对金属材料力学性能的影响

首先，应变率对金属材料弹性模拟量、弹性行为影响较小，因为金属材料弹性变形，多凭借声速介质中传播，而声速在金属介质中较大。比如在921A钢中，声速数值为4980～5002m/s，在面临冲击时，其变化速度仅为5～5.5m/s，所以金属材料冲击弹性变形，能够适应应变率。其次，应变率增加时，金属材料韧性、塑性会有着明显的变化。在特定加载温度、条件中，若应变率为极高应变率，金属材料会出现断裂、被切断等情况，且断裂应力会随着应变率的增加而变小。最后，极高应变率下，金属材料冲击应力同样会在应变率增加后产生变化，但应变率变化对金属材料冲击韧性影响较小。

4 结束语

综上所述，本文在以921A钢为金属材料的极高应变率下力学性能测试实验中，对极高应变率下，金属材料力学性能中动态屈服强度、动态模拟量等数据进行汇总。最终得出以下结论，即应变率小于1000s-1时，921A钢力学性能变化不明显，在应变率数值较高时，921A钢力动态屈服强度会随着应变率的增大而改变，且变化幅度较大，但在应变率持续增加时，其动态屈服强度变化呈现缓慢增长趋势。

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