1、1毕业论文开题报告工程力学尼龙材料在不同应变率及温度下的力学特性一、选题的背景与意义聚酰胺俗称尼龙（NYLON），英文名称POLYAMIDE简称PA。是分子主链上含有重复酰胺基团NHCO的热塑性树脂总称。尼龙材料具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性等，且易于加工。由于其优良的机械强度和耐磨性，因此广泛用于代替金属在机械、化工仪表、汽车等工业中。深入研究尼龙材料的力学性能，对于发展尼龙基复合材料及进一步改善和提高其力学性能和物理性能具有十分深远的意义利用材料试验机和霍普金森压杆动态力学实验装置可以刻画尼龙材料在高应变率、高温度下的应力应变曲线，从而可以研究应变率对尼龙材料本构行为的
2、影响二、研究的基本内容与拟解决的主要问题21研究的基本内容1掌握霍普金森压杆动态性能测试技术。SHPB（分离式霍普金森压杆）可广泛用于实测材料在高应变率下（102104/S）的应力应变曲线，是目前研究材料动态力学性能最基本的实验装置。为了对尼龙材料进行高应变率的动态力学实验，采取的是分离式霍普金森压杆装置。该装置的主要组成部分有三部分，分别是加载驱动装置、压杆测试系统、信号测试与记录系统。在实验过程中，必须把尼龙试件夹在二压杆之间，且必须要确保压杆之间是对齐的。2实现对实验的温度控制要求；实验是在高温下进行的，如何控制温度显得尤为重要。3掌握实验数据的处理方法；最终的实验数据需要以图像的形式显
3、示出来，已达到更好的视觉效果方便对比和研究。在处理动态数据的过程中，使用到的软件主要是MATLAB和ORIGIN。4完成文献综述、外文翻译等工作。22拟解决的主要问题21测得应变率、温度相关的材料应力应变曲线；2分析讨论温度、应变率对该材料本构行为的影响；三、研究的方法与技术路线31研究方法通过收集和查阅各种文献和资料，学习霍普金森压杆动态性能测试技术，掌握目前的研究和应用动态。学习如何实现对实验的温度控制要求并掌握实验数据的处理方法。分析测得的应变率、温度相关的尼龙材料应力应变曲线，获得温度、应变率对尼龙材料本构行为的影响。32技术路线文献检索和阅读掌握霍普金森压杆动态性能测试技术实现对温度
4、的实验控制要求掌握实验数据的处理方法测得温度，应变率相关的材料应力应变曲线分析讨论温度和应变率对材料本构行为的影响撰写毕业论文答辩。四、研究的总体安排与进度用三周时间熟悉课题相关理论知识，了解课题的背景意义及前人的研究成果用两周时间掌握实验及数据处理技术。熟悉分离式霍普金森压杆实验装置，熟悉如何使用MATLAB和ORIGIN来处理实验数据用四周时间测试材料的动态力学性能用两周时间处理、整理实验数据用两周时间对所得实验数据进行整理和分析、获得结论并撰写毕业论文参考文献1SNEMATNASSERANDJBISAACSDIRECTMEASUREMENTOFISOTHRMALFLOWSTRESSOFM
5、ATALSATELEVATEDTEMPERATURESANDHIGHSTRAINRATESWITHAPPLICATIONTOTAANDTAWALLOYSCA920934016,USA2WCHEN,FLU,DJFREW,MJFORRESTALDYNAMICCOMPRESSIONTESTINGOFSOFTMATERIALSDOI101115114648713OSLEE,MSKIMDYNAMICMATERIALROPERTYCHARACTERIZATIONBYUSINGSPLITHOPKINSONPRESSUREBARTECHNIQUERECEIVED22NOVEMBER2001RECEIVEDIN
6、REVISEDFORM3APRIL2003ACCEPTED24JUNE200334EWBILLINGTONANDCBRISSENDENDYNAMICSTRESSSTRAINCURVESFORVARIOUSPLASTICSANDFIBREREINFORCEDPLASTICSRECEIVED7THSEPTEMBER1970,INREVISEDFORM1STOCTOBER19705LLWANG_,SQSHI,JYCHEN,DJHUANGANDLJSHENINFLUENCESOFSTRAINRATEANDSTRESSSTATEONDYNAMICRESPONSEOFCEMENTMORTARRECEIVE
7、D28JANUARY2003ACCEPTED5MAY20034毕业论文文献综述工程力学尼龙材料在不同应变率及温度下的力学特性1文献检索范围1中文科技期刊全文库维普19892010102中国学位论文全文数据库万方19802010103中国学位论文文摘数据库万方19802010104中国学术会议论文全文数据库万方19852010105中国学术会议论文文摘数据库万方19852010106中国科技成果数据库万方19832010107数字化期刊全文数据库万方19982010108中国期刊网全文数据库同方19832010102课题的研究历史与研究现状聚酰胺（PA，俗称尼龙），是五大工程塑料中消费量最大、品
8、种最多、资格最老的一种。PA具有良好的综合性能，比强度高于金属，具有良好的机械性能、耐热性、耐磨损性、耐化学性、阻燃性及自润滑性，而且容易加工，摩擦系数低，也适宜于玻璃纤维及其他材料填充增强改性。广泛应用于汽车、电子电器、包装、机械、运动休闲及日用品等方面。聚酰胺纤维由于聚酯等纤维的竞争而增长放慢，但作为工程塑料非纤维用途的拓展，聚酰胺工业仍呈现出良好的发展前景。聚酰胺的品种主要有尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙11、尼龙12五大品种，此外，还有尼龙1010、尼龙4、尼龙8、尼龙9、尼龙810、MC尼龙、聚芳酰胺及各种共聚改性尼龙。其中，尼龙6和尼龙66的用量最大，约占聚酰胺总消费量的90。
9、尼龙6的最大消费市场是汽车，也有部分尼龙6用于包装薄膜的生产，玻璃纤维增强尼龙还可用于生产液体贮存器；尼龙66也主要用于汽车工业，广泛用于散热器、引擎等部件的生产；尼龙12和尼龙11因吸水性低，粘结性能好，多用于汽车软管和热熔胶的生产。在美国，聚酰胺生产主要以尼龙66为主，约占553，其次是尼龙6，为33，尼龙11和尼龙12共占14。近年来发展最快的是尼龙薄膜，现在用量已占聚酰胺总产量的15。欧洲聚酰胺生产集中在德国，主要应用领域是汽车制造业。日本的聚酰胺生产以尼龙6为主，占其聚酰胺总产量的54左右。美国聚酰胺最大的用户是汽车工业，其他包括电子电器、薄膜、机械，另外还有单丝、电线电缆、导管和软
10、管等。尼龙6的聚合过程近年来工艺变化不大，仍然是将己内酰胺与水通过开环、加聚、缩聚反应制成。目前，国外尼龙6和尼龙66均采用连续聚合方法生产。在新产品开发方面，日本三菱化学公司开发了高刚性半芳香族尼龙树脂，它由间苯二甲胺和己二酸反应制成。日本还研制出尼龙9T，可耐290高温，由对苯二甲酸和壬二胺聚合而成，在电子工业中可作为聚苯硫醚（PPS）的替代物，具有吸水性低、耐化学腐蚀、耐磨性好等特点。尼龙纳米复合材料已实现商业化，具有很高的拉伸模量、拉伸强度和热变温度。采用NANOCOR纳米粘土加工而成的尼龙6纳米复合材料制成流延膜，透氧率比普通尼龙少50。尼龙6的纳米复合材料的纳米添加量只需35，就可
11、将热变温度提高53。利用材料试验机和霍普金森压杆动态力学实验装置可以刻画尼龙材料在高应变率、高温度下的应力应变曲线，从而可以研究应变率对尼龙材料本构行为的影响。聚合物材料的性质不仅与温度有关，还与外力作用的频率和时间有关。外力作用频率增加相当于降低温度或减少作用力的时间，使材料刚性提高；相反，频率降低与升高温度或者延长作用力时间具有相同效果，使材料刚性降低。所以，研究材料性能随频率的变化十分必要。3课题的发展动向和趋势目前，对尼龙材料的力学性能研究主要集中在材料的宏观力学性能上，很少涉及到材料的微观性能关于尼龙材料纳米力学性能的报道非常少，而且在研究时往往采用静态载荷，其动态纳米力学性能的研究
12、还未见报道。未来的研究将围绕尼龙材料的纳米硬度和动态纳米力学测试展开，研究塑性体材料在小载荷作用下的纳米尺度效应和动态载荷下的纳米性能。纳米复合材料可以显著增加基体材料的某些性能,为了研究其在不同应变率下的力学特性和纳米颗粒的改性效果,可以利用拉伸式霍普金森拉杆实验装置6对纳米尼龙复合材料进行动态力学实验,以讨论应变率效应和纳米颗粒含量对基体的影响和纳米材料的增强机理。最近几年的研究发现，奇数尼龙具有特别优良的介电性能和压电性能，在高温下尼龙的压电常数比目前最好的压电高聚物聚偏二氟乙烯的相应值高2倍。因此，对奇数尼龙的研究又重新引起了国内外的普遍重视。尼龙11作为一种新型的压电高聚物，其点穴性
13、能与力学性能密切相关，然而设计这方面的研究工作至今仍然很少，研究结果也有很大差异，因此，用动态力学方法来研究尼龙11中的分子运动机理成为未来研究的重要课题。参考文献1SNEMATNASSERANDJBISAACSDIRECTMEASUREMENTOFISOTHRMALFLOWSTRESSOFMATALSATELEVATEDTEMPERATURESANDHIGHSTRAINRATESWITHAPPLICATIONTOTAANDTAWALLOYSCA920934016,USA2WCHEN,FLU,DJFREW,MJFORRESTALDYNAMICCOMPRESSIONTESTINGOFSOFTMA
14、TERIALSDOI101115114648713OSLEE,MSKIMDYNAMICMATERIALROPERTYCHARACTERIZATIONBYUSINGSPLITHOPKINSONPRESSUREBARTECHNIQUERECEIVED22NOVEMBER2001RECEIVEDINREVISEDFORM3APRIL2003ACCEPTED24JUNE20034EWBILLINGTONANDCBRISSENDENDYNAMICSTRESSSTRAINCURVESFORVARIOUSPLASTICSANDFIBREREINFORCEDPLASTICSRECEIVED7THSEPTEMB
15、ER1970,INREVISEDFORM1STOCTOBER19705LLWANG_,SQSHI,JYCHEN,DJHUANGANDLJSHENINFLUENCESOFSTRAINRATEANDSTRESSSTATEONDYNAMICRESPONSEOFCEMENTMORTARRECEIVED28JANUARY2003ACCEPTED5MAY20036王礼立，杨黎明，冲击动力学进展，王礼立，余同希，李永池编，中国科技大学出版社，合肥1992，881167谢桂兰，张平，龚曙光，曹尉南，安小军，高分子材料科学与工程，21200523278苏碧军，王启智HOPKINSON压杆对准脆性材料的动态力学实
16、验研究A岩土力学,2003,24增刊159HEDICKEK,WITTICHH,MEHLERC,GRUBERFANDALTSTDTV,COMPOSITESSCIENCE7ANDTECHNOLOGY,66200657157510SHENGN,BOYCEMC,PARKSDM,RUTLEDGEGC,ABESJIANDCOHENRE,POLYMER,4520044875068本科毕业论文（20届）尼龙材料在不同应变率和温度下的力学特性9摘要【摘要】尼龙（NYLON，以下简称PA）是一种分子链上含有重复酰胺基团NHCO的热塑性树脂的总称。尼龙材料由于其优异的性能，引起各国学者的广泛关注，并已成为材料科学等
17、领域的研究热点之一。本文旨在运用准静态力学实验和高应变率力学实验分析研究不同应变率和温度下尼龙材料的动态力学特性，确定应变率和温度对尼龙材料力学性能的影响。文中综述了国内外对于尼龙材料动态力学性能的研究进展和现状，介绍了传统的霍普金森压杆装置及其测试原理，并介绍了温度的控制技术。首先运用MTS810试验机对尼龙材料试件进行了准静态下的实验，然后运用霍普金森压杆实验装置（SHPB）对尼龙材料试件在不同应变率（10001/S40001/S）和不同温度（室温，50,100）下进行实验，共得到了准静态和高应变率下的十一组实验数据，由这些实验数据得出了准静态和高应变率下的应力应变曲线，进而研究了应变率和
18、温度对尼龙材料力学性能的影响。【关键词】尼龙；准静态力学实验；高应变率；温度；动态力学性能10ABSTRACT【ABSTRACT】POLYAMIDE（NYLON，PAFORSHORTED）ISONEKINDOFTHERMOPLASTICRESINMATERIALWHICHHASREPEATEDAMIDEGROUPSONITSMOLECULARCHAINPAISWIDELYCONCERNEDBYSCHOLARSINTHEWORLDFORITSEXCELLENTPERFORMANCEANDBECOMEONEOFTHEAROUSEDGENERALINTERESTINTHEMATERIALSSCIEN
19、CEFIELDINTHISPAPERWEWANTTOUSEQUASISTATICANDDYNAMICMECHANICALEXPERIMENTSTOANALYSISDYNAMICPROPERTIESOFNYLONMATERIALSONDIFFERENCESTRAINRATEANDTEMPERATURESANDTHENDETERMINEHOWTHESTRAINRATEANDTEMPERATUREAFFECTTHEMECHANICALPROPERTIESOFNYLONMATERIALWEDESCRIBEDTHERESEARCHPROGRESSANDSTATUSOFDYNAMICMECHANICALP
20、ROPERTIESOFPAANDINTRODUCEDTHETRADITIONALSPLITHOPKINSONPRESSUREBARSHPBANDITSTESTINGPRINCIPLE,ANDALSOWEINTRODUCEDTEMPERATURECONTROLTECHNOLOGYFIRST,WEUSETHEMTS810MATERIALTESTINGMACHINETOCOMPLETETHEQUASISTATICMECHANICSEXPERIMENTANDTHEWEUSETHESPLITHOPKINSONPRESSUREBARSHPBTOCOMPLETETHEDYNAMICMECHANICALTES
21、TSONVARIOUSSTRAINRATE10001/S40001/SANDTEMPERATURESROOMTEMPERATURE,50,100,WESHOWSTHESTRESSSTRAINCURVESOFNYLONSTUDYANDTHESTUDYHOWTHESTRAINRATEANDTEMPERATUREAFFECTTHEMECHANICALPROPERTIESOFNYLONMATERIAL【KEYWORDS】NYLON；QUASISTATICMECHANICSEXPERIMENT；HIGHSTRAINRATE；TEMPERATUREDYNAMICPROPERTIES11目录错误未定义书签。
22、摘要9ABSTRACT10目录111引言1211毕业设计的背景和意义1212国内外研究进展1313毕业论文所做的工作162理论背景162116211MTS810材料试验机装置简介16212分离式霍普金森压杆装置1822霍普金森压杆的测试原理以及使用到的主要公式203实验及结果2231实验准备工作22311试件的制备22312对杆和温度控制22313实验数据处理需要的软件2332准静态力学实验2333SHPB高应变率实验25331常温（20）下的试件2533250下的试件26333100下的试件2733410001/S应变率下的试件2833520001/S应变率下的试件2933640001/S应
23、变率下的试件304实验结果分析315结论和展望316参考文献327致谢错误未定义书签。121引言11毕业设计的背景和意义尼龙NYLON,POLYAMIDE,简称PA是指由聚酰胺类树脂构成的塑料。此类树脂可由二元胺与二元酸通过缩聚制得，也可由氨基酸脱水后形成的内酰胺通过开环聚合制得，与PS、PE、PP等不同，PA不随受热温度的升高而逐渐软化，而是在一个靠近熔点的窄的温度范围内软化，熔点很明显，熔点215225。温度一旦达到就出现流动。PA的品种很多，主要有PA6、PA66、PA610、PA11、PA12、PA1010、PA612、PA46、PA6T、PA9T、MXD6芳香醯胺等。以PA6、PA6
24、6、PA610、PA11、PA12最为常用。尼龙类工程塑料外观上都呈现为角质、韧性、表层光亮、白色（或乳白色）或微黄色、透明或半透明的结晶性树脂，它容易被著成任一种颜色。PA性能的主要优点有机械强度高，韧性好，有较高的抗拉、抗压强度。比拉伸强度高于金属，比压缩强度与金属不相上下，但它的刚性不及金属。抗拉强度接近于屈服强度，比ABS高一倍多。对冲击、应力振动的吸收能力强，冲击强度比一般塑料高了许多，并优于缩醛树脂。耐疲劳性能突出，制件经多次反复屈折仍能保持原有机械强度。常见的自动扶梯扶手、新型的自行车塑料轮圈等周期性疲劳作用极明显的场合经常应用PA。软化点高，耐热如尼龙46等,高结晶性尼龙的热变
25、形温度高,可在150度下长期使用PA66经过玻璃纤维增强以后,其热变形温度达到250度以上。表面光滑，摩擦系数小，耐磨。作活动机械构件时有自润滑性，噪声低，在摩擦作用不太高时可不加润滑剂使用；如果确实需要用润滑剂以减轻摩擦或帮助散热，则水油、油脂等都可选择。从而,做为传动部件其使用寿命长。耐腐蚀，十分耐碱和大多数盐液，还耐弱酸、机油、汽油，耐芳烃类化合物和一般溶剂，对芳香族化合物呈惰性，但不耐强酸和氧化剂。能抵御汽油、油、脂肪、酒精、弱碱等的侵蚀和有很好的抗老化能力。可作润滑油、燃料等的包装材料。有自熄性，无毒，无臭，耐候性好,对生物侵蚀呈惰性，有良好的抗菌、抗霉能力。有优良的电气性能。电绝缘
26、性好,尼龙的体积电阻很高,耐击穿电压高,在干燥环境下，可作工频绝缘材料，即使在高湿环境下仍具有较好的电绝缘性。制件重量轻、易染色、易成型。因有较低的熔融粘度，能快速流动。易于充13模，充模后凝固点高，能快速定型，故成型周期短，生产效率高。测量材料在高应变率下力学特性的最普遍的方法是运用霍普金森压杆（SHPB）来测量。本论文旨在利用材料试验机和SHPB动态力学实验装置，测量尼龙材料在不同应变率和温度下的应力应变曲线，研究应变率和温度对尼龙材料力学行为的影响。实验通过改变应变率（通过调节子弹长度、改变冲击速度来改变撞击杆的撞击速率）和温度（通过加热器和热传感器控制温度），从宽广应变率和温度范围内研
27、究应变率和温度对尼龙材料力学特性的影响。本文介绍了尼龙材料在不同应变率和温度下的压缩力学性能实验的过程和结果，同时对不同应变率和温度下的实验结果做了对比和分析，获得了应变率和温度对尼龙材料力学性能的影响12国内外研究进展在不同的应变率下，固体材料的力学性能往往是不同的。大量的动态试验说明，无论是金属材料还是非金属材料或者复合材料，在相当宽的应变率范围内，材料的力学性质（诸如屈服强度，断裂强度等）及力学响应（如应力应变曲线等）是与速率相关的，尤其是一类应变率敏感材料在强冲击载荷下呈现出比准静态高的多的屈服应力或流动应力。例如，对于大多数金属，合金非金属和复合材料的应力应变关系出现明显的改变。下面
28、以铝（图A）和低碳钢（图B）为例，给出前人实验得出的应力应变曲线14图A铝在不同应变率下的应力应变曲线14图B低碳钢在不同应变率下的应力应变曲线图C不同应变率对材料屈服强度的影响这些实验结果表明14（1）对每一种应变率都存在一条与之相应且互不相同的应力应变曲线，但应变率对应力应变关系的影响只有在应变率相差几个量级时才变的较为显著（2）应力与应变率的关系依赖于应变。（3）应变率增加时，应力应变曲线提高。应变率相关性是材料对变形速率的敏感性。材料的塑性变形是在微观尺度上发生一些列基本过程的综合结果，通常认为它的微观机制是位错的不可逆运动，而应变率效应的机制也与此相关。事实上，由OROWAN14给出
29、的塑性应变率与位错的关系公式以及GILMAN196814给出的位错速度与密度的经验关系表明塑性15应变率变化的动力学规律与位错运动速度变化的动力学规律是一致的，在塑性变形过程中，总位错密度随塑性变形的增大而增大，对可动位错密度，由于位错见的相互作用的频率增大而使其份额减小。总位错密度的增大是塑性变形容易发生，材料出现软化，而可动位错密度份额的减小则使塑性变形更为困难，材料表现出硬化特征。因此，材料最终的塑性变形状态以及其强度就是上述软化和硬化的综合结果。而实验表明，在给定的应变下，高应变率对金属及合金材料有强化效应，高分子聚合物的力学性能对应变率的敏感性则比金属材料要高的多。材料内部结构越完善
30、，位错缺陷数目减小，不仅静态强度特性越好，应变率对强度改善的影响也越小。在冲击状态下，人们已经注意到温度与应变率间的相互关系，有时提高材料温度相当于降低应变率。以TA为例，下图是TA在应变率为50001/S不同温度下的应力应变曲线1图DTA在不同温度下的应力应变曲线可以清晰的看出高应变率下，温度对于材料力学性能的影响。提高材料温度相当于降低应变率。可以大胆猜测，尼龙材料对于应变率也是敏感的，事实上，实验表明，一种聚丙烯材料与尼龙66的共混体表现出了对应变率的较高的敏感性。与准静态下相比，高应变率下的共混体的力学性能如弹性模量，屈服强度等有明显提高。最近几年的研究发现，奇数尼龙具有特别优良的介电
31、性能和压电性能，在高温下尼龙的压电常数比目前最好的压电高聚物聚偏二氟乙烯的相应值高2倍。因此，对奇数尼龙的研究又重新引起了国内外的普遍重视。尼龙11作为一种新型的压电高聚物，其点穴性能与力学性能密切相关，然而设计这方面的研究工作至今仍然很少，研究结果也有很大差异。梁子才等人研究了尼龙11薄膜在180摄16氏度至180摄氏度范围内的动态力学性能11。在76、52和140摄氏度附近出现了三个力学损耗峰，分表对应于、松弛。从180140摄氏度，弹性模量降低了一个数量级11。因此。用动态力学方法来研究奇数尼龙的分子运动机理成为未来研究的重要课题。同时，对于尼龙材料加入碳纤维，玻璃纤维以及阻燃剂，填充剂
32、对于改善尼龙材料的力学性能如拉伸强度，弯曲强度，屈服强度都具有重要的意义。另外，纳米复合材料可以显著增加基体材料的某些性能,为了研究其在不同应变率下的力学特性和纳米颗粒的改性效果,可以利用拉伸式霍普金森拉杆实验装置对纳米尼龙复合材料进行动态力学实验,以讨论应变率效应和纳米颗粒含量对基体的影响和纳米材料的增强机理。13毕业论文所做的工作在实验中，通过利用MTS810材料试验机对试件进行准静态力学实验，我们可以得到在静态条件下尼龙材料的静态力学性能。但是，由于实际工作的需要，静态条件下材料的力学性能远不能满足工程实际的要求。所以，此次论文的关键所在就是利用SHPB来确定尼龙材料的动态力学性能。根据
33、中型霍普金森压杆装置的杆的直径，尼龙材料试件的尺寸大致定为直径12毫米，直径05毫米的圆柱形。利用霍普金森压杆装置分别测试了应变率分别为10001/S,20001/S,4000S/S以及温度分别为室温，50,100下共九组试件，每组试件有三个，然后取平均值作为最终实验数据进行分析。2理论背景21211MTS810材料试验机装置简介17图一MTS810材料试验机图一为实验室拍摄的MTS810材料试验机（本文中所涉及的实物图片均是在宁波大学工学院124和118室拍摄的）。随着科学技术的发展，MTS810材料试验机广泛应用于金属、塑胶、电子、食品等行业的材料强度测试。它主要由三部分组成加载驱动系统，
34、载荷测量系统，变形测量。由于此篇论文的重点放在研究高应变率条件下材料的力学性能，而MYS810材料实验机主要做静态力学性能的测试，故简单介绍一下。MTS材料试验机为电液伺服闭环控制，静、动态多用途万能试验系统。该机设有手动和计算机自动控制两种操作方式。主控计算机采用建立在WINDOWSNT基础上的OS/2操作系统，自带多个软件包，可以实现预定载荷谱加卸载试验的程序控制；能方便地进行控制与试验数据观察之间的切换，并能对试验曲线坐标进行适时变换。该机配有多种夹具、引伸仪及环境温度箱，大大提高了测试精度和材料的试验温度范围，被广泛地用于各种工程材料的力学性能测试工作；本试验机主要用于多种材料的静、动
35、态单轴拉伸、压缩、三点弯曲和18四点弯曲试验。多种波形和随机疲劳试验配以高低温附加设备还可以进行高低温环境下材料力学性能上述试验。可测试材料中的应力、应变和位移值及各参数随时间的变化过程，并可通过计算机进行各参数的数据采集、处理和计算，输出所需要的结果。MTS810材料试验机的主要性能指标主机载荷容量250KN，液压动作行程150MM载荷传感器精度优于05，环境温度范围129C540C。212分离式霍普金森压杆装置相对于准静态加载试验，系统研究材料动态力学性能是在20世纪50年代至60年代后才逐步开展的。各类液压（或气动）加载装置是早期开展材料动态力学性能研究的主要设备，但这些装置最高加载应变
36、率一般在100数量级，很难实现更高应变率加载。相比较而言，落锤实验能实现较高应变率加载，但由于垂体本身的惯性对加载的影响得不到合理的处理，使得实验结果误差往往较大，并且实验过程中得不到完整的应力应变曲线。随着SHPB技术的提出和逐步完善，由于其具有实验装置简单，操作方便，测量方法精巧，加载波容易控制，应变率范围宽，成本低等一系列优点，正逐步得打广泛应用。12在SHPB发展历史中，一般认为，JHOPKINSON与BHOPKINSON是利用长杆中应力波传播技术研究材料在高应变率下力学性质的奠基人。1914年BHOPKINSON首次提出来利用压杆进行材料动态力学实验的技术方法，当时该技术还只可用于测
37、量冲击载荷的脉冲波形。后来许多学者发展和完善了这一冲击压缩实验技术。目前较为成熟的SHPB技术是1949年KOLSKY提出的。他将压杆分成两截，试件置放其中，可以方便地记录到加载脉冲的应力时间，应变时间及应变率时间等动态实验曲线，从而获得材料在冲击载荷作用下的应力应变关系曲线。12SHPB可广泛用于实测材料在高应变率下（102104/S）的应力应变曲线，是目前研究材料动态力学性能最基本的实验装置。为了测试尼龙材料在高应变率和温度下的动态力学性能，本论文采取的是分离式霍普金森压杆装置。该装置主要有三部分组成，分别是加载驱动装置，压杆测试系统，信号测试与记录系统。试验中动态加载过程大致如下子弹（或
38、撞击杆）撞击入射杆的一段，在入射杆内产生并传播一个应力脉冲（称之为入射波）；当入射波传至杆和试件的交界端（入射端）时，应力脉冲作用到试件上并在其两端的试件杆界面多次反射透射，造成试件的高速变形；与此同时，形成在入射杆中传播的反射波以及在透射杆中传播的透射波。下图（图二）是实验室中拍摄的霍普金森压杆实验装置19图二如图三为分离式霍普金森压杆系统示意图5图二（1）光门（2）入射杆（3）试件（4）反射杆（5）吸收杆（6）阻尼吸能装置（7）子弹（撞击杆）（8）应变片（9）振荡器（10）超动态应变仪（11）电子计数器（12）瞬态波存储器（13）计算机2022霍普金森压杆的测试原理以及使用到的主要公式SH
39、PB试验技术是建立在两个基本假定15基础上的，即1压杆的一维弹性变形假定；2试件中的应力及应变在变形中处于均匀状态。第一个假定的直接产生的两个结论就是1波在杆中的传播程是无弥散从而也是无畸变的；2杆横截面在变形及运动中保持为平面,这包括对试件的平面加载。而由第二个假设产生的结论就是由试件的端面应力及总变形即可推算材料的受力变形特性。图四所示为典型的测试信号波形。按照一维应力波理论，杆试件端的作用力及运动速度可以根据压杆上某一位置测得的表面应变来推算。应变是由入射杆和透射杆上粘贴的应变片来测量的，其中入射杆上测得的入射波I及反射波R两个脉冲，透射杆中测得透射波T，一般出于数据分析的简化，希望测得
40、的信号是简单波，这对杆的长度及应变片粘贴位置有一定要求（较新的处理技术已可以解决多个波形重叠的问题）。图四典型测试信号波形21由实验测得的应变信号，作用在试件上的轴向应力及轴向应变率和应变可由公式（11）16来计算00000112IRTSTIRTSIRTSCTTTLCTTTDTLAETTTA上式中IT、RT及TT分别为应变片I、II记录到的信号；A0为压杆的横截面积，E0和C0为压杆材料的杨氏模量和压杆的一维弹性波波速；AS和LS分别为试件的原始横截面积和长度故这里给出的是试件中的工程应力及工程应变。11式即为被称作二波法的数据处理公式。不过此时还需要注意的是时间已经被平移至杆试件作用端面。此
41、外，按均匀性假定（第二个假定），试件中应力处处相等，故有公式（12）12IRTTTT将12代入11式，就得到公式（13）经典的SHPB测试信号（二波法）处理公式000002213RSTRSTSCTLCTDTLAETA223实验及结果31实验准备工作311试件的制备试件中的应力及应变均匀假设15，是SHPB实验方法有效性的重要前提。为了更好的满足均匀性假设，需要减小试件的长径比，即尽可能减小长度，采用薄片试件，减少加载脉冲来回反射时间，以快速实现试件内应力应变的均匀化。在试件的制备过程中，需要注意到这一点。实验室储备的尼龙材料直径大概为12毫米，厚度大概为8毫米，且表面向内凹陷。为了达到实验要求
42、，需要将试件打磨成直径约为12毫米，厚度约为5毫米。先使用粗砂纸打磨，后用细砂纸打磨。最后的试件需要确保两端面平行且表面尽量平整光滑。共制备70个试件分别用于准静态力学实验和高应变率高温度下的动态力学实验。312对杆和温度控制实验过程中，必须确保试件夹在入射杆和透射杆之间，并且必须确保压杆之间是对齐的。为了确保应变率不变，需要子弹（撞击杆）的方位保持不变，为此，需要标定子弹（撞击杆）的方位。从子弹开始，沿着入射杆，透射杆，吸能杆的顺序通过调整垫片的位置和角度一一对杆，对齐后将杆和垫片的位置和角度一一在试验台上做好标记，每次实验前按照标记的位置和角度对好杆再进行实验。试验中采用如图所示的电阻加热
43、器进行加热。将加热器套在杆和试件上，在上部的孔中插入热电偶以测定即时的温度。例如在50下的实验，由于考虑到加热设备的散热和加热的不均匀性（热电偶测量的是试件周围空气的温度，当空气温度达到某一温度时，试件还未达到这一温度），先加热到55，然后切断加热器电源开关，待到温度回落到50时再开气枪放出子弹。23如图五为实验室拍摄到的套在杆和试件外的加热器和插在加热器内的热电偶。图五加热和温度测量设备313实验数据处理需要的软件实验的最终结果需要靠实际处理出来的图像来显示，在动态试验的数据处理中，需要用到的软件主要是MATLAB和ORIGIN。MATLAB并没有直接提供一个SHPB实验处理程序，而实验室的
44、宋老师已经编写一段专门用于SHPB实验处理的程序，本文中实验数据处理借用宋老师编写的MATLAB程序。静态数据处理用到的软件主要是ORIGIN。32准静态力学实验利用MTS810材料试验机，分别对常温下应变率为0011/S和00011/S下的尼龙材料进行了实验，得到了两种情况下的应力应变曲线。（注意准静态力学实验和高应变率实验的应力应变数据均为工程应力和工程应变）图六所示分别为应变率为0011/S和00011/S下的应力应变曲线。2400000501001502002503001020304050607080STRESSMPASTRAIN0011/S00011/S图六由图六所示的应力应变曲线可
45、知在准静态条件下尼龙材料的力学性能变化并不十分明显，应变率提高十倍后，应力水平略有降低。2533SHPB高应变率实验准静态力学实验完成之后，进行高应变率条件下的实验。由于尼龙材料的熔点为220左右，所以选用20、50、100三个温度进行实验是可行的。在常温（20）50100三种不同温度下分别进行尼龙材料在应变率分别为10001/S、20001/S、40001/S下的动态力学实验。试件和杆间通过凡士林润滑。可以得到三组应力应变曲线，从而得到材料的力学性能。331常温（20）下的试件图七所示为常温下应变率分别为10001/S、20001/S、40001/S下的应力应变曲线。由图七可知在常温下，材料
46、的应变率越高，所产生的应力就越大，响应的屈服应力也越大。26000002004006008010012014016018020406080100120140STRESSMPASTRAIN10001/S20001/S40001/S图七33250下的试件图八所示为50下应变率分别为10001/S、20001/S、40001/S下的应力应变曲线。由图八可知在50下，材料的应变率越高，所产生的应力就越大，屈服应力也越大。27000002004006008010012014016020406080100120STRESSMPASTRAIN10001/S20001/S40001/S图八333100下的试件
47、图九所示为100下应变率分别为10001/S、20001/S、40001/S下的应力应变曲线。由图九可知在100下，材料的应变率越高，所产生的应力就越大，屈服应力也越大。280000020040060080100120140160180200220240102030405060STRESSMPASTRAIN10001/S20001/S40001/S图九33410001/S应变率下的试件图十所示为10001/S应变率下温度分别为20、50、100下尼龙材料的应力应变曲线。由图十可知10001/S应变率下，随着温度的升高，所产生的应力逐渐降低。29图十33520001/S应变率下的试件图十一所示为
48、20001/S应变率下温度分别为20、50、100下尼龙材料的应力应变曲线。由图十一可知20001/S应变率下，随着温度的升高，所产生的应力逐渐降低。30000005010015020020406080100120140STRESSMPASTRAIN2050100图十一33640001/S应变率下的试件图十二所示为40001/S应变率下温度分别为20、50、100下尼龙材料的应力应变曲线。由图十二可知40001/S应变率下，随着温度的升高，所产生的应力逐渐降低。000005010015020406080100120140160STRESSMPASTRAIN205010031图十二4实验结果分析
49、通过对应力应变曲线的分析，对于同一种尼龙材料，可以对以下几个方面进行分析。（1）准静态条件下，尼龙材料的力学性能变化并不十分明显，但应变率提高十倍之后，材料的韧性和强度略有降低。（2）由图七至图九（分别为室温，50,100下试件的应力应变曲线）可以得出应变率对尼龙材料力学特性的影响随着应变率增加，材料的应力增加，屈服应力也随之增加。（3）由图十至图十二（分别为应变率为10001/S,20001/S,40001/S下试件的应力应变曲线）可以得出温度对尼龙材料力学特性的影响随着温度增加，材料的应力降低，屈服应力也随之降低。（4）由图六和图七（分别为准静态和高应变率下试件的应力应变曲线）可以确定高应变率可以显著增加尼龙材料的韧性和强度。（5）尼龙材料的压缩强度接近于屈服强度，这是尼龙材料的一个独特性能。然而最重要的是通过试验得出了尼龙材料的应力应变曲线，方便研究材料的力学性能和本构行为。材料的屈服强度分析温度应变率205010010001/S113MPA82MPA38MPA20001/S120MPA92MPA40MPA4
