尼龍材料在不同應(yīng)變率和溫度下的力學(xué)特性【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　尼龍材料在不同應(yīng)變率和溫度下的力學(xué)特性</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級

2、工程力學(xué) </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b>

3、;</p><p>　　【摘要】尼龍（Nylon，以下簡稱PA）是一種分子鏈上含有重復(fù)酰胺基團(tuán)-[NHCO]-的熱塑性樹脂的總稱。尼龍材料由于其優(yōu)異的性能，引起各國學(xué)者的廣泛關(guān)注，并已成為材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文旨在運(yùn)用準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和高應(yīng)變率力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析研究不同應(yīng)變率和溫度下尼龍材料的動態(tài)力學(xué)特性，確定應(yīng)變率和溫度對尼龍材料力學(xué)性能的影響。文中綜述了國內(nèi)外對于尼龍材料動態(tài)力學(xué)性能的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀，介紹

4、了傳統(tǒng)的霍普金森壓桿裝置及其測試原理，并介紹了溫度的控制技術(shù)。首先運(yùn)用MTS810試驗(yàn)機(jī)對尼龍材料試件進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)下的實(shí)驗(yàn)，然后運(yùn)用霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置（SHPB）對尼龍材料試件在不同應(yīng)變率（1000 1/s—4000 1/s）和不同溫度（室溫，50℃,100℃）下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共得到了準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率下的十一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，進(jìn)而研究了應(yīng)變率和溫度對尼龍材料力學(xué)性能的影響。</p>

5、;<p>　　【關(guān)鍵詞】 尼龍；準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)；高應(yīng)變率；溫度；動態(tài)力學(xué)性能</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　【ABSTRACT】Polyamide （Nylon，PA for shorted）is one kind of thermoplastic resin material which has repeat

6、ed amide groups on its molecular chain .PA is widely concerned by scholars in the world for its excellent performance and become one of the aroused general interest in the materials science field. In this paper we want

7、to use quasi-static and dynamic mechanical experiments to analysis dynamic properties of nylon materials on difference strain-rate and temperatures and then determine how the str</p><p>　　【KEYWORDS】 nylon ；

8、Quasi-static mechanics experiment；High strain rate ；temperature; dynamic properties</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　錯誤!未定義書簽。</b></p><p><b>　　摘要I</

9、b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目　錄III</b></p><p><b>　　1引言1</b></p><p>　　1.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)的背景和意義1</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究進(jìn)展2</p>

10、<p>　　1.3畢業(yè)論文所做的工作4</p><p><b>　　2.理論背景5</b></p><p><b>　　2.15</b></p><p>　　2.1.1 MTS810材料試驗(yàn)機(jī)裝置簡介5</p><p>　　2.1.2 分離式霍普金森壓桿裝置6</p&g

11、t;<p>　　2.2霍普金森壓桿的測試原理以及使用到的主要公式8</p><p>　　3.實(shí)驗(yàn)及結(jié)果10</p><p>　　3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作10</p><p>　　3.1.1試件的制備10</p><p>　　3.1.2 對桿和溫度控制10</p><p>　　3.1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理需

12、要的軟件11</p><p>　　3.2準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)11</p><p>　　3.3SHPB高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)13</p><p>　　3.3.1常溫（20℃）下的試件13</p><p>　　3.3.2 50℃下的試件14</p><p>　　3.3.3 100℃下的試件15</p><

13、;p>　　3.3.4 1000 1/s應(yīng)變率下的試件16</p><p>　　3.3.5 2000 1/s應(yīng)變率下的試件17</p><p>　　3.3.6 4000 1/s應(yīng)變率下的試件18</p><p>　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析19</p><p>　　5 結(jié)論和展望19</p><p><b&

14、gt;　　6 參考文獻(xiàn)20</b></p><p>　　7 致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1引言</b></p><p>　　1.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)的背景和意義</p><p>　　尼龍(Nylon, Polyamide, 簡稱PA)是指由聚酰胺類樹脂構(gòu)成的塑料。此類樹脂可由二元胺與二元酸

15、通過縮聚制得，也可由氨基酸脫水后形成的內(nèi)酰胺通過開環(huán)聚合制得，與PS、PE、PP等不同，PA不隨受熱溫度的升高而逐漸軟化，而是在一個(gè)靠近熔點(diǎn)的窄的溫度范圍內(nèi)軟化，熔點(diǎn)很明顯，熔點(diǎn)：215-225℃。溫度一旦達(dá)到就出現(xiàn)流動。</p><p>　　PA的品種很多，主要有PA6、PA66、PA610、PA11、PA12、PA1010、PA612、PA46、PA6T、PA9T、MXD-6芳香醯胺等。以PA6、PA66、P

16、A610、PA11、PA12最為常用。</p><p>　　尼龍類工程塑料外觀上都呈現(xiàn)為角質(zhì)、韌性、表層光亮、白色（或乳白色）或微黃色、透明或半透明的結(jié)晶性樹脂，它容易被著成任一種顏色。</p><p>　　PA性能的主要優(yōu)點(diǎn)有：</p><p>　　機(jī)械強(qiáng)度高，韌性好，有較高的抗拉、抗壓強(qiáng)度。比拉伸強(qiáng)度高于金屬，比壓縮強(qiáng)度與金屬不相上下，但它的剛性不及金屬。抗拉強(qiáng)

17、度接近于屈服強(qiáng)度，比ABS高一倍多。對沖擊、應(yīng)力振動的吸收能力強(qiáng)，沖擊強(qiáng)度比一般塑料高了許多，并優(yōu)于縮醛樹脂。</p><p>　　耐疲勞性能突出，制件經(jīng)多次反復(fù)屈折仍能保持原有機(jī)械強(qiáng)度。常見的自動扶梯扶手、新型的自行車塑料輪圈等周期性疲勞作用極明顯的場合經(jīng)常應(yīng)用PA。</p><p>　　軟化點(diǎn)高，耐熱(如尼龍46等,高結(jié)晶性尼龍的熱變形溫度高,可在150度下長期使用.PA66經(jīng)過玻璃纖

18、維增強(qiáng)以后,其熱變形溫度達(dá)到250度以上)。</p><p>　　表面光滑，摩擦系數(shù)小，耐磨。作活動機(jī)械構(gòu)件時(shí)有自潤滑性，噪聲低，在摩擦作用不太高時(shí)可不加潤滑劑使用；如果確實(shí)需要用潤滑劑以減輕摩擦或幫助散熱，則水油、油脂等都可選擇。從而,做為傳動部件其使用壽命長。</p><p>　　耐腐蝕，十分耐堿和大多數(shù)鹽液，還耐弱酸、機(jī)油、汽油，耐芳烴類化合物和一般溶劑，對芳香族化合物呈惰性，但不耐

19、強(qiáng)酸和氧化劑。能抵御汽油、油、脂肪、酒精、弱堿等的侵蝕和有很好的抗老化能力?？勺鳚櫥汀⑷剂系鹊陌b材料。 </p><p>　　有自熄性，無毒，無臭，耐候性好,對生物侵蝕呈惰性，有良好的抗菌、抗霉能力。</p><p>　　有優(yōu)良的電氣性能。電絕緣性好,尼龍的體積電阻很高,耐擊穿電壓高,在干燥環(huán)境下，可作工頻絕緣材料，即使在高濕環(huán)境下仍具有較好的電絕緣性。</p><

20、p>　　制件重量輕、易染色、易成型。因有較低的熔融粘度，能快速流動。易于充模，充模后凝固點(diǎn)高，能快速定型，故成型周期短，生產(chǎn)效率高。</p><p>　　測量材料在高應(yīng)變率下力學(xué)特性的最普遍的方法是運(yùn)用霍普金森壓桿（SHPB）來測量。本論文旨在利用材料試驗(yàn)機(jī)和SHPB動態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，測量尼龍材料在不同應(yīng)變率和溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，研究應(yīng)變率和溫度對尼龍材料力學(xué)行為的影響。實(shí)驗(yàn)通過改變應(yīng)變率（通過調(diào)節(jié)子彈長

21、度、改變沖擊速度來改變撞擊桿的撞擊速率）和溫度（通過加熱器和熱傳感器控制溫度），從寬廣應(yīng)變率和溫度范圍內(nèi)研究應(yīng)變率和溫度對尼龍材料力學(xué)特性的影響。</p><p>　　本文介紹了尼龍材料在不同應(yīng)變率和溫度下的壓縮力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果，同時(shí)對不同應(yīng)變率和溫度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了對比和分析，獲得了應(yīng)變率和溫度對尼龍材料力學(xué)性能的影響</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究進(jìn)展</p>

22、<p>　　在不同的應(yīng)變率下，固體材料的力學(xué)性能往往是不同的。大量的動態(tài)試驗(yàn)說明，無論是金屬材料還是非金屬材料或者復(fù)合材料，在相當(dāng)寬的應(yīng)變率范圍內(nèi)，材料的力學(xué)性質(zhì)（諸如屈服強(qiáng)度，斷裂強(qiáng)度等）及力學(xué)響應(yīng)（如應(yīng)力應(yīng)變曲線等）是與速率相關(guān)的，尤其是一類應(yīng)變率敏感材料在強(qiáng)沖擊載荷下呈現(xiàn)出比準(zhǔn)靜態(tài)高的多的屈服應(yīng)力或流動應(yīng)力。例如，對于大多數(shù)金屬，合金非金屬和復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系出現(xiàn)明顯的改變。下面以鋁（圖a）和低碳鋼（圖b）為例，

23、給出前人實(shí)驗(yàn)得出的應(yīng)力應(yīng)變曲線[14]</p><p>　　圖a 鋁在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線</p><p>　　圖b 低碳鋼在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線</p><p>　　圖c 不同應(yīng)變率對材料屈服強(qiáng)度的影響</p><p>　　這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明[14]：（1）對每一種應(yīng)變率都存在一條與之相應(yīng)且互不相同的應(yīng)力應(yīng)變曲線，但應(yīng)變率對應(yīng)力應(yīng)

24、變關(guān)系的影響只有在應(yīng)變率相差幾個(gè)量級時(shí)才變的較為顯著（2）應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系依賴于應(yīng)變。（3）應(yīng)變率增加時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變曲線提高。</p><p>　　應(yīng)變率相關(guān)性是材料對變形速率的敏感性。材料的塑性變形是在微觀尺度上發(fā)生一些列基本過程的綜合結(jié)果，通常認(rèn)為它的微觀機(jī)制是位錯的不可逆運(yùn)動，而應(yīng)變率效應(yīng)的機(jī)制也與此相關(guān)。事實(shí)上，由Orowan[14]給出的塑性應(yīng)變率與位錯的關(guān)系公式以及Gilman(1968)[14]給出

25、的位錯速度與密度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表明：塑性應(yīng)變率變化的動力學(xué)規(guī)律與位錯運(yùn)動速度變化的動力學(xué)規(guī)律是一致的，在塑性變形過程中，總位錯密度隨塑性變形的增大而增大，對可動位錯密度，由于位錯見的相互作用的頻率增大而使其份額減小?？偽诲e密度的增大是塑性變形容易發(fā)生，材料出現(xiàn)軟化，而可動位錯密度份額的減小則使塑性變形更為困難，材料表現(xiàn)出硬化特征。因此，材料最終的塑性變形狀態(tài)以及其強(qiáng)度就是上述軟化和硬化的綜合結(jié)果。而實(shí)驗(yàn)表明，在給定的應(yīng)變下，高應(yīng)變率對金屬及

26、合金材料有強(qiáng)化效應(yīng)，高分子聚合物的力學(xué)性能對應(yīng)變率的敏感性則比金屬材料要高的多。材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)越完善，位錯缺陷數(shù)目減小，不僅靜態(tài)強(qiáng)度特性越好，應(yīng)變率對強(qiáng)度改善的影響也越小。</p><p>　　在沖擊狀態(tài)下，人們已經(jīng)注意到溫度與應(yīng)變率間的相互關(guān)系，有時(shí)提高材料溫度相當(dāng)于降低應(yīng)變率。</p><p>　　以Ta為例，下圖是Ta在應(yīng)變率為5000 1/s不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線[1]</p

27、><p>　　圖d Ta在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線</p><p>　　可以清晰的看出高應(yīng)變率下，溫度對于材料力學(xué)性能的影響。提高材料溫度相當(dāng)于降低應(yīng)變率。</p><p>　　可以大膽猜測，尼龍材料對于應(yīng)變率也是敏感的，事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)表明，一種聚丙烯材料與尼龍66的共混體表現(xiàn)出了對應(yīng)變率的較高的敏感性。與準(zhǔn)靜態(tài)下相比，高應(yīng)變率下的共混體的力學(xué)性能如彈性模量，屈服強(qiáng)度等有

28、明顯提高。</p><p>　　最近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，奇數(shù)尼龍具有特別優(yōu)良的介電性能和壓電性能，在高溫下尼龍的壓電常數(shù)比目前最好的壓電高聚物聚偏二氟乙烯的相應(yīng)值高2倍。因此，對奇數(shù)尼龍的研究又重新引起了國內(nèi)外的普遍重視。尼龍11作為一種新型的壓電高聚物，其點(diǎn)穴性能與力學(xué)性能密切相關(guān)，然而設(shè)計(jì)這方面的研究工作至今仍然很少，研究結(jié)果也有很大差異。梁子才等人研究了尼龍11薄膜在-180攝氏度至180攝氏度范圍內(nèi)的動態(tài)力學(xué)

29、性能 [11]。在76、-52和-140攝氏度附近出現(xiàn)了三個(gè)力學(xué)損耗峰，分表對應(yīng)于α、β、γ松弛。從-180-140攝氏度，彈性模量降低了一個(gè)數(shù)量級 [11]。因此。用動態(tài)力學(xué)方法來研究奇數(shù)尼龍的分子運(yùn)動機(jī)理成為未來研究的重要課題。</p><p>　　同時(shí)，對于尼龍材料加入碳纖維，玻璃纖維以及阻燃劑，填充劑對于改善尼龍材料的力學(xué)性能如拉伸強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度都具有重要的意義。另外，納米復(fù)合材料可以顯著增加基

30、體材料的某些性能,為了研究其在不同應(yīng)變率下的力學(xué)特性和納米顆粒的改性效果,可以利用拉伸式霍普金森拉桿實(shí)驗(yàn)裝置對納米尼龍復(fù)合材料進(jìn)行動態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn),以討論應(yīng)變率效應(yīng)和納米顆粒含量對基體的影響和納米材料的增強(qiáng)機(jī)理。</p><p>　　1.3畢業(yè)論文所做的工作</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)中，通過利用MTS810材料試驗(yàn)機(jī)對試件進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，我們可以得到在靜態(tài)條件下尼龍材料的靜態(tài)力學(xué)性能。但

31、是，由于實(shí)際工作的需要，靜態(tài)條件下材料的力學(xué)性能遠(yuǎn)不能滿足工程實(shí)際的要求。所以，此次論文的關(guān)鍵所在就是利用SHPB來確定尼龍材料的動態(tài)力學(xué)性能。</p><p>　　根據(jù)中型霍普金森壓桿裝置的桿的直徑，尼龍材料試件的尺寸大致定為直徑12毫米，直徑0.5毫米的圓柱形。利用霍普金森壓桿裝置分別測試了應(yīng)變率分別為1000 1/s,2000 1/s,4000 s/s以及溫度分別為室溫，50℃,100℃下共九組試件，每組試

32、件有三個(gè)，然后取平均值作為最終實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。</p><p><b>　　2.理論背景</b></p><p><b>　　2.1</b></p><p>　　2.1.1 MTS810材料試驗(yàn)機(jī)裝置簡介</p><p>　　圖一 MTS 810 材料試驗(yàn)機(jī)</p><p>

33、;　　圖一為實(shí)驗(yàn)室拍攝的MTS810材料試驗(yàn)機(jī)（本文中所涉及的實(shí)物圖片均是在寧波大學(xué)工學(xué)院124和118室拍攝的）。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，MTS810材料試驗(yàn)機(jī)廣泛應(yīng)用于金屬、塑膠、電子、食品等行業(yè)的材料強(qiáng)度測試。它主要由三部分組成：加載驅(qū)動系統(tǒng)，載荷測量系統(tǒng)，變形測量。由于此篇論文的重點(diǎn)放在研究高應(yīng)變率條件下材料的力學(xué)性能，而MYS810材料實(shí)驗(yàn)機(jī)主要做靜態(tài)力學(xué)性能的測試，故簡單介紹一下。MTS材料試驗(yàn)機(jī)為電液伺服閉環(huán)控制，靜、動態(tài)多用

34、途萬能試驗(yàn)系統(tǒng)。該機(jī)設(shè)有手動和計(jì)算機(jī)自動控制兩種操作方式。主控計(jì)算機(jī)采用建立在Windows NT基礎(chǔ)上的OS/2操作系統(tǒng)，自帶多個(gè)軟件包，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定載荷譜加卸載試驗(yàn)的程序控制；能方便地進(jìn)行控制與試驗(yàn)數(shù)據(jù)觀察之間的切換，并能對試驗(yàn)曲線坐標(biāo)進(jìn)行適時(shí)變換。該機(jī)配有多種夾具、引伸儀及環(huán)境溫度箱，大大提高了測試精度和材料的試驗(yàn)溫度范圍，被廣泛地用于各種工程材料的力學(xué)性能測試工作.；本試驗(yàn)機(jī)主要用于多種材料的靜、動態(tài)單軸拉伸、壓縮、三點(diǎn)彎曲和四

35、點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?！　《喾N波形和隨機(jī)疲勞試驗(yàn)配以高低溫附加設(shè)備還可以進(jìn)行高低溫環(huán)境下材料力學(xué)性能上述試驗(yàn)?？蓽y試材料中的應(yīng)力、應(yīng)變</p><p>　　Mts810材料試驗(yàn)機(jī)的主要性能指標(biāo)：主機(jī)載荷容量：±250kN，液壓動作行程：±150mm載荷傳感器精度：優(yōu)于0.5%，環(huán)境溫度范圍：-129°C—+540°C。</p><p>　　2.1.2 分

36、離式霍普金森壓桿裝置</p><p>　　相對于準(zhǔn)靜態(tài)加載試驗(yàn)，系統(tǒng)研究材料動態(tài)力學(xué)性能是在20世紀(jì)50年代至60年代后才逐步開展的。各類液壓（或氣動）加載裝置是早期開展材料動態(tài)力學(xué)性能研究的主要設(shè)備，但這些裝置最高加載應(yīng)變率一般在100數(shù)量級，很難實(shí)現(xiàn)更高應(yīng)變率加載。相比較而言，落錘實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)較高應(yīng)變率加載，但由于垂體本身的慣性對加載的影響得不到合理的處理，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差往往較大，并且實(shí)驗(yàn)過程中得不到完整的應(yīng)

37、力應(yīng)變曲線。隨著SHPB技術(shù)的提出和逐步完善，由于其具有實(shí)驗(yàn)裝置簡單，操作方便，測量方法精巧，加載波容易控制，應(yīng)變率范圍寬，成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，正逐步得打廣泛應(yīng)用。[12]</p><p>　　在SHPB發(fā)展歷史中，一般認(rèn)為，J.Hopkinson 與B.Hopkinson是利用長桿中應(yīng)力波傳播技術(shù)研究材料在高應(yīng)變率下力學(xué)性質(zhì)的奠基人。1914年B.Hopkinson首次提出來利用壓桿進(jìn)行材料動態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)方

38、法，當(dāng)時(shí)該技術(shù)還只可用于測量沖擊載荷的脈沖波形。后來許多學(xué)者發(fā)展和完善了這一沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)技術(shù)。目前較為成熟的SHPB技術(shù)是1949年Kolsky提出的。他將壓桿分成兩截，試件置放其中，可以方便地記錄到加載脈沖的應(yīng)力-時(shí)間，應(yīng)變-時(shí)間及應(yīng)變率—時(shí)間等動態(tài)實(shí)驗(yàn)曲線，從而獲得材料在沖擊載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。[12] </p><p>　　SHPB可廣泛用于實(shí)測材料在高應(yīng)變率下（102～104 /s）的應(yīng)力

39、-應(yīng)變曲線，是目前研究材料動態(tài)力學(xué)性能最基本的實(shí)驗(yàn)裝置。為了測試尼龍材料在高應(yīng)變率和溫度下的動態(tài)力學(xué)性能，本論文采取的是分離式霍普金森壓桿裝置。該裝置主要有三部分組成，分別是：加載驅(qū)動裝置，壓桿測試系統(tǒng)，信號測試與記錄系統(tǒng)。</p><p>　　試驗(yàn)中動態(tài)加載過程大致如下：子彈（或撞擊桿）撞擊入射桿的一段，在入射桿內(nèi)產(chǎn)生并傳播一個(gè)應(yīng)力脈沖（稱之為入射波）；當(dāng)入射波傳至桿和試件的交界端（入射端）時(shí)，應(yīng)力脈沖作用到試

40、件上并在其兩端的試件-桿界面多次反射透射，造成試件的高速變形；與此同時(shí)，形成在入射桿中傳播的反射波以及在透射桿中傳播的透射波。</p><p>　　下圖（圖二）是實(shí)驗(yàn)室中拍攝的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)裝置</p><p><b>　　圖二</b></p><p>　　如圖三為分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)示意圖 [5]</p><p>

41、　　圖 二 （1）光門（2）入射桿（3）試件（4）反射桿（5）吸收桿（6）阻尼吸能裝置（7）子彈（撞擊桿）（8）應(yīng)變片（9）振蕩器（10）超動態(tài)應(yīng)變儀（11）電子計(jì)數(shù)器（12）瞬態(tài)波存儲器（13）計(jì)算機(jī)</p><p>　　2.2霍普金森壓桿的測試原理以及使用到的主要公式</p><p>　　SHPB試驗(yàn)技術(shù)是建立在兩個(gè)基本假定 [15]基礎(chǔ)上的，即(1) 壓桿的一維彈性變形假定；(2)

42、試件中的應(yīng)力及應(yīng)變在變形中處于均勻狀態(tài)。第一個(gè)假定的直接產(chǎn)生的兩個(gè)結(jié)論就是：1. 波在桿中的傳播程是無彌散從而也是無畸變的；2. 桿橫截面在變形及運(yùn)動中保持為平面,這包括對試件的平面加載。而由第二個(gè)假設(shè)產(chǎn)生的結(jié)論就是：由試件的端面應(yīng)力及總變形即可推算材料的受力-變形特性。</p><p>　　圖四所示為典型的測試信號波形。按照一維應(yīng)力波理論，桿-試件端的作用力及運(yùn)動速度可以根據(jù)壓桿上某一位置測得的表面應(yīng)變來推算。

43、應(yīng)變是由入射桿和透射桿上粘貼的應(yīng)變片來測量的，其中入射桿上測得的入射波εi 及反射波εr兩個(gè)脈沖，透射桿中測得透射波εt，一般出于數(shù)據(jù)分析的簡化，希望測得的信號是簡單波，這對桿的長度及應(yīng)變片粘貼位置有一定要求（較新的處理技術(shù)已可以解決多個(gè)波形重疊的問題）。</p><p>　　由實(shí)驗(yàn)測得的應(yīng)變信號，作用在試件上的軸向應(yīng)力及軸向應(yīng)變率和應(yīng)變可由公式（1-1）[16]來計(jì)算：</p><p>

44、　　上式中： εi(t)、εr(t)及εt(t)分別為應(yīng)變片I、II記錄到的信號；A0為壓桿的橫截面積，E0和C0為壓桿材料的楊氏模量和壓桿的一維彈性波波速；As 和Ls分別為試件的原始橫截面積和長度(故這里給出的是試件中的工程應(yīng)力及工程應(yīng)變)。(1-1)式即為被稱作二波法的數(shù)據(jù)處理公式。不過此時(shí)還需要注意的是:時(shí)間已經(jīng)被平移至桿-試件作用端面。此外，按均勻性假定（第二個(gè)假定），試件中應(yīng)力處處相等，故有公式（1－2）：</p>

45、;<p>　　將(1-2)代入(1-1)式，就得到公式（1－3）經(jīng)典的SHPB測試信號（二波法）處理公式</p><p><b>　　3.實(shí)驗(yàn)及結(jié)果</b></p><p><b>　　3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作</b></p><p>　　3.1.1試件的制備</p><p>　　試件中的應(yīng)

46、力及應(yīng)變均勻假設(shè) [15]，是SHPB實(shí)驗(yàn)方法有效性的重要前提。為了更好的滿足均勻性假設(shè)，需要減小試件的長徑比，即盡可能減小長度，采用薄片試件，減少加載脈沖來回反射時(shí)間，以快速實(shí)現(xiàn)試件內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變的均勻化。在試件的制備過程中，需要注意到這一點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室儲備的尼龍材料直徑大概為12毫米，厚度大概為8毫米，且表面向內(nèi)凹陷。為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，需要將試件打磨成直徑約為12毫米，厚度約為5毫米。先使用粗砂紙打磨，后用細(xì)砂紙打磨。最后的試件需要確保兩端

47、面平行且表面盡量平整光滑。共制備70個(gè)試件分別用于準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和高應(yīng)變率高溫度下的動態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　3.1.2 對桿和溫度控制</p><p>　　實(shí)驗(yàn)過程中，必須確保試件夾在入射桿和透射桿之間，并且必須確保壓桿之間是對齊的。為了確保應(yīng)變率不變，需要子彈（撞擊桿）的方位保持不變，為此，需要標(biāo)定子彈（撞擊桿）的方位。從子彈開始，沿著入射桿，透射桿，吸能桿的順序通過調(diào)整墊片

48、的位置和角度一一對桿，對齊后將桿和墊片的位置和角度一一在試驗(yàn)臺上做好標(biāo)記，每次實(shí)驗(yàn)前按照標(biāo)記的位置和角度對好桿再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　試驗(yàn)中采用如圖所示的電阻加熱器進(jìn)行加熱。將加熱器套在桿和試件上，在上部的孔中插入熱電偶以測定即時(shí)的溫度。例如在50℃下的實(shí)驗(yàn)，由于考慮到加熱設(shè)備的散熱和加熱的不均勻性（熱電偶測量的是試件周圍空氣的溫度，當(dāng)空氣溫度達(dá)到某一溫度時(shí)，試件還未達(dá)到這一溫度），先加熱到55℃，然后

49、切斷加熱器電源開關(guān)，待到溫度回落到50℃時(shí)再開氣槍放出子彈。</p><p>　　如圖五為實(shí)驗(yàn)室拍攝到的套在桿和試件外的加熱器和插在加熱器內(nèi)的熱電偶。</p><p>　　圖 五 加熱和溫度測量設(shè)備</p><p>　　3.1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理需要的軟件</p><p>　　實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果需要靠實(shí)際處理出來的圖像來顯示，在動態(tài)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理中

50、，需要用到的軟件主要是MATLAB和ORIGIN。MATLAB并沒有直接提供一個(gè)SHPB實(shí)驗(yàn)處理程序，而實(shí)驗(yàn)室的宋老師已經(jīng)編寫一段專門用于SHPB實(shí)驗(yàn)處理的程序，本文中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理借用宋老師編寫的MATLAB程序。靜態(tài)數(shù)據(jù)處理用到的軟件主要是ORIGIN。</p><p>　　3.2準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)</p><p>　　利用MTS 810材料試驗(yàn)機(jī)，分別對常溫下應(yīng)變率為0.01 1/s和0.

51、001 1/s下的尼龍材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到了兩種情況下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。（注意：準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)均為工程應(yīng)力和工程應(yīng)變）</p><p>　　圖六所示分別為應(yīng)變率為0.01 1/s和0.001 1/s下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。</p><p><b>　　圖 六</b></p><p>　　由圖六所示的應(yīng)力應(yīng)變曲線可知：在準(zhǔn)靜態(tài)

52、條件下尼龍材料的力學(xué)性能變化并不十分明顯，應(yīng)變率提高十倍后，應(yīng)力水平略有降低。</p><p>　　3.3SHPB高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)</p><p>　　準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)完成之后，進(jìn)行高應(yīng)變率條件下的實(shí)驗(yàn)。由于尼龍材料的熔點(diǎn)為220℃左右，所以選用20℃、50℃、100℃三個(gè)溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是可行的。在常溫（20）50100三種不同溫度下分別進(jìn)行尼龍材料在應(yīng)變率分別為1000 1/s、2000 1/s

53、、4000 1/s下的動態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。試件和桿間通過凡士林潤滑。可以得到三組應(yīng)力應(yīng)變曲線，從而得到材料的力學(xué)性能。</p><p>　　3.3.1常溫（20℃）下的試件</p><p>　　圖七所示為常溫下應(yīng)變率分別為1000 1/s、2000 1/s、4000 1/s下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。</p><p>　　由圖七可知：在常溫下，材料的應(yīng)變率越高，所產(chǎn)生的應(yīng)力就越大，

54、響應(yīng)的屈服應(yīng)力也越大。</p><p><b>　　圖 七</b></p><p>　　3.3.2 50℃下的試件</p><p>　　圖八所示為50℃下應(yīng)變率分別為1000 1/s、2000 1/s、4000 1/s下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。</p><p>　　由圖八可知：在50℃下，材料的應(yīng)變率越高，所產(chǎn)生的應(yīng)力就越大，

55、屈服應(yīng)力也越大。</p><p><b>　　圖 八</b></p><p>　　3.3.3 100℃下的試件</p><p>　　圖九所示為100℃下應(yīng)變率分別為1000 1/s、2000 1/s、4000 1/s下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。</p><p>　　由圖九可知：在100℃下，材料的應(yīng)變率越高，所產(chǎn)生的應(yīng)力就越大，

56、屈服應(yīng)力也越大。</p><p><b>　　圖九</b></p><p>　　3.3.4 1000 1/s應(yīng)變率下的試件</p><p>　　圖十所示為1000 1/s應(yīng)變率下溫度分別為20℃、50℃、100℃下尼龍材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。</p><p>　　由圖十可知：1000 1/s應(yīng)變率下，隨著溫度的升高，所產(chǎn)生的

57、應(yīng)力逐漸降低。</p><p><b>　　圖 十</b></p><p>　　3.3.5 2000 1/s應(yīng)變率下的試件</p><p>　　圖十一所示為2000 1/s應(yīng)變率下溫度分別為20℃、50℃、100℃下尼龍材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。</p><p>　　由圖十一可知：2000 1/s應(yīng)變率下，隨著溫度的升高，所產(chǎn)

58、生的應(yīng)力逐漸降低。</p><p><b>　　圖 十一</b></p><p>　　3.3.6 4000 1/s應(yīng)變率下的試件</p><p>　　圖十二所示為4000 1/s應(yīng)變率下溫度分別為20℃、50℃、100℃下尼龍材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。</p><p>　　由圖十二可知：4000 1/s應(yīng)變率下，隨著溫度的升高

59、，所產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸降低。</p><p><b>　　圖 十二</b></p><p><b>　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析</b></p><p>　　通過對應(yīng)力應(yīng)變曲線的分析，對于同一種尼龍材料，可以對以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。（1）準(zhǔn)靜態(tài)條件下，尼龍材料的力學(xué)性能變化并不十分明顯，但應(yīng)變率提高十倍之后，材料的韌性和強(qiáng)度略有降低。

60、（2）由圖七至圖九（分別為室溫，50℃,100℃下試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線）可以得出應(yīng)變率對尼龍材料力學(xué)特性的影響：隨著應(yīng)變率增加，材料的應(yīng)力增加，屈服應(yīng)力也隨之增加。（3）由圖十至圖十二（分別為應(yīng)變率為1000 1/s,2000 1/s,4000 1/s下試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線）可以得出溫度對尼龍材料力學(xué)特性的影響：隨著溫度增加，材料的應(yīng)力降低，屈服應(yīng)力也隨之降低。（4）由圖六和圖七（分別為準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率下試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線）可以確定高應(yīng)變率

61、可以顯著增加尼龍材料的韌性和強(qiáng)度。（5）尼龍材料的壓縮強(qiáng)度接近于屈服強(qiáng)度，這是尼龍材料的一個(gè)獨(dú)特性能。然而最重要的是通過試驗(yàn)得出了尼龍材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，方便研究材料的力學(xué)性能和本構(gòu)行為。</p><p><b>　　材料的屈服強(qiáng)度分析</b></p><p>　　表一 材料的破壞強(qiáng)度</p><p><b>　　5 結(jié)論和展望<

62、;/b></p><p>　　尼龍材料已在國民經(jīng)濟(jì)許多部門得到了越來越廣泛的應(yīng)用，隨著尼龍材料的廣泛應(yīng)用，為了適應(yīng)承受爆炸與沖擊等極端載荷的工程應(yīng)用，人們越來越重視尼龍材料在高應(yīng)變率下沖擊行為的研究。</p><p>　　為了得到尼龍材料在高應(yīng)變率下和不同溫度下的力學(xué)數(shù)據(jù)，我們采用了傳統(tǒng)的霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)既經(jīng)濟(jì)又相對容易實(shí)現(xiàn)。文中所提到的溫度控制技術(shù)也可以在以后的試驗(yàn)中

63、借鑒。尼龍材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線已經(jīng)得出，溫度和應(yīng)變率都對尼龍材料的力學(xué)性能有較顯著的影響。此結(jié)果說明了收集尼龍材料在高應(yīng)變率和不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線的重要性。同時(shí)，本文給出了各個(gè)溫度和應(yīng)變率下的破壞強(qiáng)度，結(jié)果表明尼龍材料具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，壓縮屈服強(qiáng)度與金屬不相上下(20號鋼的許用應(yīng)力為130MPa左右)。</p><p>　　在未來的研究當(dāng)中，一方面，可以通過調(diào)節(jié)子彈長度和形狀、改變沖擊速度，采用入射波形

64、調(diào)節(jié)器和試件變形限位器等綜合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)試件的應(yīng)變和應(yīng)變率分別可控以及加載和卸載波形的可控，以便于在力學(xué)分析和顯微觀測中，比較和分析應(yīng)變率或應(yīng)變分別對材料納微觀結(jié)構(gòu)演化的影響[16]；另一方面，將通過測量實(shí)驗(yàn)后試件的聲速或剛度，以及我校力學(xué)與材料研究中心所發(fā)展的“SHPB實(shí)驗(yàn)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法結(jié)合法”或“SHPB實(shí)驗(yàn)與遺傳算法結(jié)合法”等，從實(shí)測到的總的宏觀力學(xué)響應(yīng)中區(qū)分出材料本構(gòu)響應(yīng)和損傷演化所致的影響[16]。</p>&l

65、t;p>　　目前，對尼龍材料的力學(xué)性能研究主要集中在材料的宏觀力學(xué)性能上，很少涉及到材料的微觀性能關(guān)于尼龍材料納米力學(xué)性能的報(bào)道非常少，未來的研究將圍繞尼龍材料的納米硬度和動態(tài)納米力學(xué)測試展開，研究塑性體材料在小載荷作用下的納米尺度效應(yīng)和動態(tài)載荷下的納米性能。</p><p><b>　　6 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] S.NEMAT-NASS

66、ER and J.B.ISAACS. Direct Measurement of Isothermal Flow Stress of Metals at Elevated Temperatures and High Strain Rates with Application to Ta and Ta-W Alloys[C]. Engineering Sciences, University of California, San Dieg

67、o ,La, Jolla , CA 92093-4016,USA. 2 July 1996.</p><p>　　[2] W. CHEN ,F .Lu ,D. J. Frew, M . J .Forrestal. Dynamic Compression Testing of Soft Materials . [J] [DOI:10.1115/1.1464871]</p><p>　　[3

68、] O.S. Lee , M. S. Kim. DYNAMIC Dynamic material property characterization by using split Hopkinson pressure bar (SHPB) technique[J]. Nuclear Engineering and Design 226(2003)119-125.Received 22 November 2001; received in

69、 revised form 3 April 2003; accepted 24 June 2003.</p><p>　　[4] E. W. BILLINGTON and C. BRISSENDEN. Dynamic stress-strain curves for various plastics and fibre-reinforced plastics[J]. Royal Armament Research

70、 and Development Establishment, Fort Halstead, Kent MS Received 7th September 1970, in revised form 1st October 1970.</p><p>　　[5] L.L. WANG_, S.Q. SHI, J.Y. CHEN, D.J. HUANG and L.J. SHEN. Influences of Str

71、ain-Rate and Stress-State on Dynamic Response of Cement Mortar[J]</p><p>　　International Journal of Structural Stability and Dynamics Vol.3, No.3(2003)419-433.Received 28 January 2003.Accepted 5 May 2003.<

72、;/p><p>　　[6] 王禮立，楊黎明，《沖擊動力學(xué)進(jìn)展》，王禮立，余同希，李永池編[M]，中國科技大學(xué)出版社，合肥(1992)，88-116.</p><p>　　[7] A. Rusinek , R. Zaera , J.R. Klepaczko. Constitutive relations in 3-D for a wide range of strain rates and t

73、emperatures[C]. International Journal of Solids and Structures 44 (2007) 5611–5634</p><p>　　[8] 蘇碧軍，王啟智. Hopkinson 壓桿對準(zhǔn)脆性材料的動態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué),2003,24增刊：1－5.</p><p>　　[9] W.R. Blumenthal, D.G. Th

74、ompson, C.D. Cady, G.T. Gray III, and D.J. Idar compressive properties of PBXN-110 and its HTPB-baxed binder as a function of temperature and strain rate[C]. International Journal of Structural Stability and Dynamics Vol

75、.3, No. 3(2003)419-433</p><p>　　[10] A.M. Lennon and K.T. Ramesh . A technique for measuring the dynamic behavior of materials at high temperatures [J].PII: S0749-6419(98)00056-4.</p><p>　　[11]

76、（美）朱卡斯等著作；張志云等譯，碰撞動力學(xué)。兵器工業(yè)出版社，1983</p><p>　　[12]楊桂通，熊祝華 塑性動力學(xué) 1984</p><p>　　[13]梁子才 向明 江波 劉立 康述文 尼龍11的動態(tài)力學(xué)性能研究 高分子材料形變損傷和破壞學(xué)術(shù)討論會論文集 1994</p><p>　　[14]（美）尼爾生著；馮之榴等譯 高聚物的力學(xué)性能 1966<