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1、1 C r l l N i 2 W 2 M o V 冲击拉伸力学性能试验研究2 5 9 1 C r l l N i 2 W 2 M o V 冲击拉伸力学性能实验研究 E x p e r i m e n t a lS t u d yo f1 C r l l N i 2 W 2 M o V U n d e rT e n s i l eI m p a c t 范志强“2 ，覃志贤。，姜涛。，高德平1 ( 1 南京航空航天大学能源与动力学院，南京2 1 0 0 1 6 ； 2 中国燃气涡轮研究院，成都6 1 0 5 0 0 ) F A NZ h i - q i a n 9 1 ”，Q I NZ h b
2、 x i a n 2 ，J I A N GT a 0 2 ，G A OD e p i n 9 1 ( 1N a n j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i e s ，N a n j i n g2 1 0 0 1 6 ，C h i n a ； 2C h i n aG a sT u r b i n eE s t a b l i s h m e n t 。C h e n d u6 1 0 5 0 0 ，C h i n a ) 摘要：刺用旋转盘式杆杆型冲击拉仲试验装置对1 C r l l N
3、i 2 W 3 M o V 进行了三个应变率的冲击拉伸试验研究，得到了材 料在不同应变率下的应力应变曲线。结果表明随着应变率的增加材料的极限强度随之增大。具有明显的应变率强化效 应。根据材料在不同应变率下的试验结果，拟舍了J o h n s o n - C o o k 模型中的材料常数，并修正了应变率强化系数C ，确定 了1 C r l l N i 2 W 2 M o V 材料的本构关系。数据拟合结果与试验结果吻合良好。 美键词：包容性；应变率 冲击拉伸；J o h n s o n - C o o k 模型 A b s t r a c t ：Ab a r - b a rt e n s i l
4、ei m p a c tt e s t i n ga p p a r a t u sw a su s e dt os t u d ym e c h a n i c s l b e h a v i o u ro f 1 C r l l N i 2 W 2 M o Va th i g hs t r a i nr a t e s F r o mt h es t r e s s - s t r a i nc u r v e so b t a i n e d i ti sf o u n dt h a tt h e s t r a i nr a t ee f f e c ti sd i s t i n c
5、 t T h er e s u l t so ft h i se x p e r i m e n t a lw o r kw e r eu s e dt od e f i n ean e ws e to f m a t e r i a lc o n s t a n t sf o rt h es t r e n g t hc o m p o n e n to ft h eJ o h n s o n - C o o km o d e lf o r1 C r l l N i 2 W 2 M o V T h e r e s u l t sa n da n a l y s i sp r o v i d
6、e df o r1 C r l l N i 2 W 2 M o Vs h o wt h a tt h eJ o h n s o n - C o o km o d e lc a na c c u r a t e l y r e p r e s e n tt h es t r e s s - s t r a i nr e s p o n s eo ft h em a t e r i a l K e yw o r d s ：c o n t a i n m e n t ；s t r a i nr a t e ；t e n s i l ei m p a e t ；J o h n s o n - C o
7、o km o d e l 机匣包容性是航空燃气涡轮发动机安全可靠工作 的重要技术指标之一，航空大国均对机匣包容性问题 非常重视，在民用航空条例和军用规范中都有专门条 文对其作特殊要求。随着有限元技术的发展，特别是 基于接触冲击算法的有限元分析软件日趋成熟，机匣 包容性数值仿真研究工作也有了较大发展。1 9 9 6 年， S S a r k a r 和S N A t l u r i 采用D Y N A 3 D 进行了地坑 式旋转试验器上T 5 8 发动机机匣包容性试验的数值 分析，计算结果较好地反映了试验过程 ”。2 0 0 2 年， A s t r i dK r a u s 和J 6 r gF
8、 r i s c h b i e r 采用L SD Y N A 进行 了涡轮机匣包容性数值分析，研究了应变率对计算结 果的影响“。 采用有限元方法进行机匣包容性数值分析时，必 须了解材料的动态力学特性，建立考虑应变率效应的 材料本构关系。1 9 8 3 年，J o h n s o nG R 和w H C o o k 提出了考虑应变率效应的粘塑性本构模型一 J o h n s o n - C o o k 模型( 简称J c 模型) ”。2 0 0 0 年，D o n a l dR L e s u e r 采用S H P B 方法得到了高应变率下机 匣常用材料T i 一6 A 1 4 VT i t
9、 a n i u m 和2 0 2 4 一T 3A l u m i h u m 力学性能，拟合了这两种材料的J c 模型材料常 数。 马氏体不锈钢1 C r l l N i 2 W 2 M o V 的室温强度、持 久强度均较高，并有良好的韧性和抗氧化性，广泛应用 于制造航空发动机压气机叶片和机匣。目前国内对 1 C r l l N i 2 W 2 M o V 材料在准静态下的力学行为研究较 多嘲，对其动态力学性能的研究工作尚未开展。本研 究利用旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸试验装置完成了 1 C r l l N i 2 W Z M o V 材料的室温冲击拉伸力学性能试 验，拟合了其室温下J - C
10、 模型中的材料待定系数，为航 空发动机机匣包容性数值分析提供了材料模型。 1 实验装置及其原理 图1 为旋转盘式间接杆杆型冲击拉伸实验装置示 意图。当安装在高速旋转盘上的双片锤头1 撞击撞块 2 时t 撞块2 与输入杆4 相连的接近理想弹塑性的前 置金属短杆3 便被拉断，从而在输入杆中产生拉应力 方波脉冲。脉冲传至试件5 ，并在输入杆4 与输出杆6 2 6 0 材辩工程2 0 0 6 年第十三届发动机结掏强度振动学术会论文集 中分别传播反射波和透射渡。前置金属短杆的作用既 相当于脉冲发生器，又相当于滤波器，滤掉了锤头撞击 撞块时由于撞块自由端的存在而引起的拉伸脉冲抖 动，所以该装置产生的拉伸脉
11、冲平稳，且脉冲的幅值、 宽度和上升沿十分容易控制，只要选用不同直径和长 度的前置金属短杆和不同的撞击速度就可以在很大范 围内获得不同幅值、宽度和上升沿平稳的方波脉冲，从 而可以实施不同材料在不同应变率下的冲击拉伸试 验r ”。 f j ! ! 滁 叫( 基 重 ，- I ，一 量匕一i 吐 a 1 - ， n 豳 珥钼，邕b _ J3r l L U 眩刁 0 翟箍。HO 鲫s c i l l 。o 。H C o m p 一 厚度以薄为好，但太薄则不易从叉口中取出。试件的 L 。d 是一个很重要的参数，太大会引起较大的轴向惯 性效应，太小会引起较强的横向约束造成非单向应力 状态；试件R 尺寸也是
12、一个重要参数，太小会由于应 力集中引起试验段根部断裂，太大容易破坏试验段中 部的单向应力状态，也会影响应变测量的精度。设计 时取L o a = 2 ，R = 2 5 r a m 。 试件与输入杆和输出杆之间用s A l 0 3 高强度耐 冲击胶粘贴，见图2 。 田2 试件厦其连接 F i g 2S p e c i m e na n dj t 5c o n n e c t i o n 田1冲击拉仲试验装置及其测试原理示意图 F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo ft e n s i l ei m p a c t 。p 。n dp d n c i p l 。f
13、m 。t 3 实验结果 根据一维应力波理论，试验件中的应力、应变和 应变率分别表示为： 砘) = 器k h h = 斧m ) ( 1 ) e ( f ) ：F C ol I tL r E ，( t ) 一e ，( t ) 一岛( ) d ；孕阻( ) 飞( t ) d r ( 2 ) L rJo ；( f ) 一半 ( t ) 一，( f ) 一也( ) ；- E l s 。( ) 一e ，( f ) ( 3 ) 式中；A 。和L ，为试件试验段的横截面积和长度l c o ，A 和E 分别为图1 中输人杆4 和输出杆6 的弹性纵波波 速、横截面积和弹性模量日( t ) 懈( t ) 为输入杆4
14、 上的 应变片7 测得的入射波，反射渡的应变信号m ( t ) 为输 出杆6 上的应变片7 测得的透射波应变信号。 2 试件设计及其连接 试件呈扁平、哑铃状，见图2 。采用线切割加工成 形。从冲击拉伸试验的角度考虑，试件厚度和粘结段 通过控制冲击拉伸脉冲幅度，进行了三组应变率 ( 3 1 0 ，7 7 0 ，1 3 2 0 s _ 1 ) 下1 C r l l N i 2 W 2 M o V 材料的室温 冲击拉伸试验。每组试验做5 次，对重复性好的三次 试验结果取平均值，得到了l c r l l N i 2 w 2 M o v 在不同 应变率下的应力应变曲线，如图3 所示。 g l 田31 C
15、 r l l N i 2 W 2 M o V 在不同应变率下的应力一应变曲线 F i g 3S t r e s s s t r a i n “H 臀。f1 0 r 1 1 N i 2 W 2 M o V a cd i l c r c n ta t r s i nn t e 材料参数平均值见表l ，表中1 0 1 为准静态下的 力学性能，见文献E 6 。可以看出，在加载至极限强度 过程中，材料模量变化很小 但是随着应变率的增加， 材料的极限强度相应增大表现出明显的应变率强化 1 C r l l N i 2 W 2 M o V 冲击拉伸力学性能试验研究2 6 1 效应。 表l 实驻结果 T a b
16、 l e1T h er e s u l t so ft e s t s 图4 为材料的极限强度随应变率变化关系，在 3 1 0 s _ 1 ； 1 3 2 0 s 1 范围内，可以认为材料的极限强 度是应变率对数的线性函数。 圆41 C r l l N i 2 W 2 M o V 的粳限强度随应变率的变化关系 F i g 4U T S o f1 C r l l N i 2 W 2 M o Vv 5s t r a i nr a t e 4J o h n s o n - C o o k 本构关系的拟合 J c 模型是一种经验型的粘塑性本构模型，这种 模型能够较好的描述金属材料的加工硬化效应、应变 率效应和温度软化效应。由于其形式简单，使用方便， 使这一模型在工程中得到了广泛的应用。因此，本文 也采用J C 模型来描述1 C r l l N i 2 W 2 M o V 材料在一 维应力状态下的本构关系。I -
