高速动态ZnS玻璃力学性能测试及分析

温庆荣,李 想,魏梦琦,刘宏旭,胡建飞

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

现有军用光电设备中,红外成像、红外制导、红外对抗、战舰导航、车载夜视、红外探测和红外瞄准等以红外应用为主的技术所占的比重越来越重要,而红外光学元件是红外光电系统中的关键部件。红外材料不仅需要具有良好的红外透过性能,要同时承受在高速飞行中雨水、沙尘和冰雹等颗粒物的冲击损伤和长期海面盐雾的化学腐蚀。

由于ZnS玻璃可透过可见光、激光到红外多个波段,因此在红外光电设备中得到广泛的应用。而ZnS属于特殊的脆性材料,力学性能参数并不唯一,而且不同批次的材料其力学性能差异也较大；并且在高速动态下,ZnS材料的力学性能会随着碰撞速度的增加发生变化。因此,本文通过设计试验方案对本批次的ZnS样件开展力学性能的测试,并针对试验结果进行数据分析,得出实际的力学参数,为后续的仿真分析提供真实的数据。

2 试验设计及方法

为了能够与试验的机器匹配,本文针对拉伸和压缩试验分别选用直径10 mm和直径5 mm的ZnS圆柱玻璃,高度均为4.2 mm,样件如图1所示。

图1 玻璃样件

2.1 试验矩阵

根据试验目标,设计的试验矩阵如表1所示。针对玻璃材料分别开展准静态、中高应变率下测试其压缩工况下极限应变、极限应力的试验。

表1 试验矩阵

2.2 试验方法和数据采集/处理

2.2.1 准静态试验方法

ZnS玻璃属于脆性材料,极限应变非常小,并且试验样本尺寸又比较小,在进行准静态压缩试验时,由于试验的压缩机的压头与被压缩的样本之间有一定的间隙,从试验机的位移数据来获得样件的应变数据不准确。因此,为了获得玻璃样件较为准确的应变数据,采用数字图像处理技术(DIC)的方法,首先要对玻璃样件喷射散斑。图2为玻璃样件喷射散斑以后的照片。

图2 玻璃样件喷射散斑

准静态试验是在万能试验机上进行的,电子万能材料试验机简称电子万能试验机,是材料力学性能测试的专用设备,主要用于材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等力学性能试验,并采集力-位移曲线。由于试验机在压缩过程中存在间隙,因此压缩位移的采集是通过在试验机压头喷射散斑然后使用非接触测量的方式来获取,进而可获取更为准确的力-位移曲线。图3是准静态试验的试验机以及样本数据采集装置。

图3 试验机及数据采集装置

2.2.2 准静态试验数据处理方法

根据获取的力-位移曲线,按照下式来计算工程应力σE和工程应变εE,其计算表达式如下所示。

σE=P/As

(1)

εE=ΔL/L

(2)

εT=ln(1+εE)

(3)

σT=σE(1+εE)

(4)

将(1)和(2)式代入(3)和(4)式中,可以计算得到真实的应力和应变。式中,As和L分别表示试件的初始截面积和长度,ΔL为试件的压缩量。

2.2.3 中高速试验方法

中高速试验是在霍普金森压杆试验机上进行的,分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)[1-2],是现今最为广泛使用并且被认为有效的测试材料刚应变率下力学特性的试验装置。其主要特点是可以实现试件的高应变率变形,同时保持试件内的动态应力平衡或者说试件内轴向应力梯度接近于零。将玻璃样件贴上应变片,并通过润滑剂夹紧在输入杆和输出杆中间,同时将应变片与数据采集系统连接。本试验的电磁杆是单向加载,根据试验目标应变率范围来估算气压。图4为霍普金森压杆试验机试验过程图片。

(a) (b)

2.2.4 中高速试验数据处理方法

霍普金森压杆工作原理示意图如图5所示,在分离式Hopkinson 压杆系统中,加载力是入射应力波,通过子弹撞击入射杆产生,并在试验过程中测定输入杆和输出杆的应变。

图5 霍普金森压杆加载示意图

在试验中,粘贴在入射杆上的应变片用于采集入射波和反射波,粘贴在透射杆上的应变片用于采集透射波。根据一维应力波理论,样件内部的应力、应变和应变率可以利用所采集到的入射波、反射波和透射波计算得到[3-6]。

假定E是加载杆的弹性模量,A和As分别为加载杆和试验件的截面积,L为试验件的厚度,C0为波速。εI(t),εR(t)和εT(t)分别代表了应变片测得的入射应变、反射应变和透射应变,按照下述推导可以得到应力、应变及应变率的表达式[7]。

设P1,P2代表样件两端面的压力,则:P1=EA[εI(t)+εR(t)],P2=EAεR(t),那么式样的平均应力可表示为:

(5)

样件两端面的质点速度V1,V2可以分别表示成V1=C0[εI(t)-εR(t)],V2=C0εR(t),样件的应变率可表示为:

(6)

对(5)和(6)进一步简化可得式(7)和(8),应变率对时间积分即可得工程应变(9)。

(7)

(8)

(9)

若由样件均匀性假定则有εI(t)+εR(t)=εT(t),则上式可以进一步简化:

(10)

(11)

(12)

本文中的试验装置的参数如下:

压杆的横截面积:

A=πR2=π·12.552=494.8(mm2)

试件的横截面积:

As=πr2=π·2.52=19.63(mm2)

压杆的弹性模量:E=123000(MPa)

试件长度:L=4.2(mm)

3 试验结果

3.1 准静态试验的结果

由于准静态试验尚未采集到较为准确的弹性模量,因此采用中高速试验测量所得的平均弹性模量(64.08 GPa)来对准静态试验的应变数据进行计算。计算后的准静态试验的应力-应变曲线如图6所示。

图6 准静态压缩试验应力-应变曲线

3.2 试件在中高应变率下的试验结果

在中高应变率下玻璃的应变太小并且速度太快,应变片有可能提前脱落从而产生无效的数据。本文从试验中取6次应变数据,通过配合压杆信号处理得到的应力数据来计算样件的弹性模量。

3.2.1 样件的弹性模量

图7是在压缩试验中,通过6次有效的试验数据得出的样件的应力-应变曲线,通过这些数据可以计算出弹性模量。

图7 测量弹性模量的应力-应变曲线

根据弹性模量的计算公式E=σ/ε,得出的图7中6次试验的弹性模量在表2中所示。弹性模量的范围在48.7 GPa到88.51 GPa之间。

表2 压缩试验测得的弹性模量

3.2.2 样件的极限应力

表3 压缩试验应变率和极限应力

3.2.3 样件的极限应变

在计算极限应变时,本文假设样件是理想弹性体,取3.2.1中计算的弹性模量值作为输入。其中003、006和013编号的试件未测到弹性模量数值,则根据其应变率的值来选择相近应变率下试件的弹性模量值作为其值。最终不同试验编号样件的极限应变如表4所示。

表4 压缩试验的极限应变

3.2.4 应力-应变曲线图

中高应变率下修正过后的应力-应变曲线如图8～图10所示。图11是应力与应变率的关系图,从图中可以看出,在中高应变率的范围内样件的极限应力没有单纯随着应变率的增高而增高,而是呈现浮动变化的,说明样件在100～500 s-1应变率范围内的应变率效应不明显。

图8 应变率100～200 s-1范围的样件应力-应变曲线

图9 应变率200～300 s-1范围的样件应力-应变曲线

图10 应变率400～500 s-1范围的样件应力-应变曲线

图11 样件应力与应变率的关系图

3.3 主要力学参数计算结果

根据处理后的试验数据,计算的力学参数主要包括:极限应力,压缩应力-应变曲线中第一个最大应力值;弹性模量,压缩应力与应变片测得的应变曲线斜率获得;极限应变,极限应力比上弹性模量获得。表5为样件的力学参数计算结果。

表5 样件的力学参数计算结果

4 结 论

本文针对ZnS样件开展了压缩试验,并获取了有效的数据,通过数据分析得出如下结论:

1)该批次的ZnS材料准静态下的极限应力为248.59 MPa、极限应变为0.00385；

2)该批次的ZnS材料中高速状态下的极限应力为518.89 MPa、弹性模量为65.24 GPa、极限应变为0.0083;

3)在中高应变率的范围内样件的极限应力没有单纯随着应变率的增高而增高,而是呈现浮动变化的,说明样件在100～500/s应变率范围内的应变率效应不明显。

因此,根据本文所得出的试验据,后续针对该机载设备的力学仿真分析将能够更加接近真实状况,可以有效的缩短产品的研制周期,提升其机载环境适应性能。