GB/T 42900-2023 金属材料 高应变速率高温压缩试验方法（正式版）

ICS77.040.10金属材料高应变速率高温压缩试验方法国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会 I 2规范性引用文件 3 48试验程序 5 610试验结果有效性评估 8 8附录A(规范性)分离式霍普金森压杆 9附录B(规范性)高温加热调控装置 附录C(规范性)数据测试系统 附录D(资料性)温度效应的修正方法 附录E(资料性)入射波、反射波和透射波起点的确定方法 附录F(资料性)高应变速率高温压缩试验数据处理方法 附录G(资料性)高应变速率高温压缩试验示例 附录H(资料性)高应变速率高温压缩测试异常示例 IGB/T42900—2023本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国钢铁工业协会提出。本文件由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC183)归口。本文件起草单位：中国工程物理研究院总体工程研究所、江苏科技大学、中机试验装备股份有限公股份有限公司。1GB/T42900—2023金属材料高应变速率高温压缩试验方法理、试验结果有效性评估和试验报告。本文件适用于温度高于室温、应变速率范围为10²s-¹~10⁴s-¹时金属材料压缩应力-应变曲线等力学性能的测定。下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T228.2金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法GB/T1804—2000一般公差未注公差的线性和角度尺寸的公差GB/T2975钢及钢产品力学性能试验取样位置及试件制备GB/T7314金属材料室温压缩试验方法GB/T10623金属材料力学性能试验术语GB/T13992金属粘贴式电阻应变计GB/T34108金属材料高应变速率室温压缩试验方法JJG623电阻应变仪3术语和定义GB/T10623和GB/T34108界定的以及下列术语和定义适用于本文件。冷接触时间coldcontacttime采用组合式加热方法时，波导杆接触试样与应力波到达试样/输入杆界面的时间间隔。4符号表1中的符号及其说明适用于本文件。符号单位说明分离式霍普金森压杆mm输入杆上应变计中心与试样/输入杆接触面的距离mm输出杆上应变计中心与试样/输出杆接触面的距离2GB/T42900—2023表1符号和说明(续)符号单位说明mm/ms波导杆中纵波波速波导杆直径Eb、E,、EAMPa波导杆材料的弹性模量、室温弹性模量和高温弹性模量E(T)、E(x)MPa与温度相关的弹性模量以及温度梯度引起呈空间分布的弹性模量L波导杆的长度L。、Li、L撞击杆、输入杆和输出杆的长度波导杆半径MPa波导杆中的应力MPa规定温度下波导杆材料的屈服强度mm/ms波导杆中质点速度Umm/ms撞击速度mm/ms撞击杆允许的最大速度波导杆材料的密度试样mm/ms试样中弹性纵波波速试样初始直径试样初始长度试样初始半径试样材料的密度试验材料的力学性能参数温度效应修正前后工程压缩应变速率ēms-1平均工程塑性应变速率温度效应修正前后工程压缩应变MPa温度效应修正前后工程压缩应力应变测试系统UV应变计测试输出电压V第j通道测试信号的电压，j=1,2,…nV第j通道单位应变对应的电压值，j=1,2,…nV桥压测试信号e弹性压缩波产生的弹性应变第j通道的应变测量值，j=1,2,…n分别由入射波、反射波和透射波产生的工程弹性应变n1、n2、n₃入射波、反射波、透射波起点对应的数据点序号3GB/T42900—2023表1符号和说明(续)符号单位说明Smm应力波在入射波脉冲宽度时间内在波导杆中传播的距离tms时间ms应力波作用时间ms工程压缩应力一时间曲线中屈服强度对应的时刻ms采样时间间隔λms入射波的脉冲宽度Tms时间积分变量温度测试参数C,(i=0,1,2,3)弹性模量的温度相关系数hW·mm-²·K-1空气热交换系数kW·(mm·K)-1波导杆中的导热系数m波导杆中温度随距离变化的系数T℃规定温度℃指示温度℃热源温度℃距离热源无穷远处的温度，即室温注：在数据处理过程中，压缩应变速率和平均工程塑性应变速率的单位为ms-¹;在结果表述时，将其单位换算为s-¹。5试验原理在规定温度下，采用分离式霍普金森压杆产生压缩应力波对试样进行加载，测量波导杆上的应变信号，利用一维应力波理论处理测得的信号数据，获得材料在规定温度和应变速率下的压缩力学性能。6试验设备6.1试验系统组成金属材料高应变速率高温压缩试验系统主要由分离式霍普金森压杆、高温加热调控装置和数据测试系统等组成，如图1所示。4GB/T42900—2023图1金属材料高应变速率高温压缩试验系统示意图分离式霍普金森压杆主要由驱动装置、撞击杆、输入杆、输出杆等部分组成(见图1),且应符合附录A的要求。高温加热调控装置应符合附录B的要求。附录C的要求。7试样7.1.1试样应为圆柱体，试样直径应小于波导杆直径，推荐试样直径为波导杆直径的80%。试样长径比为0.5～1.0,其几何形状及加工要求见图2。7.1.2试样直径和长度的尺寸公差应不大于Js9级，未注尺寸公差按GB/T1804—2000中的m级5GB/T42900—2023图2试样几何形状及加工要求应按照相关产品标准或GB/T2975的要求切取样坯。7.3试样尺寸测量测试并记录试样直径和长度，应在不同位置测量至少3次，取其算术平均值。测量装置分辨力应不低于0.02mm,且应定期进行校准。8试验程序8.1波导杆检测应按A.4.1的方法检测波导杆的同轴度。8.2测量系统建立按附录C的要求在波导杆中部位置粘贴应变计，布置应变计引线连接动态应变仪以及数据采集与存储装置。对数据采集系统进行参数设定，以保证记录信号的完整性。8.3试样安装与加热试样加热方法分为组合式加热方法和一体式加热方法。组合式加热方法为先加热试样至规定温度，然后快速安装使试样与波导杆紧密接触。当采用组合式加热方法时，试验系统应具备冷接触时间控制功能，且应确保冷接触时间小于50ms。一体式加热方法为同时加热试样和部分波导杆。8.3.2加热方法的选择当高温导致波导杆局部材料的弹性模量降低超过20%时，宜采用组合式加热方法。6GB/T42900—2023组合式加热按以下步骤进行：a)安装高温加热调控装置；b)安装试样至高温加热调控装置的均温区；c)按B.3的要求布置热电偶；d)加热试样至规定温度，并至少保持10min(保温时间);e)快速将试样与波导杆连接，在入射波到达试样/输入杆接触面前，试样与波导杆应紧密接触。一体式加热按以下步骤进行：a)安装试样，确保试样与波导杆同轴且无间隙接触；b)安装高温加热调控装置，应使试样位于高温加热调控装置的均温区；c)按B.3的要求布置热电偶；d)开启高温加热调控装置，加热试样至规定温度，并至少保持10min(保温时间)。8.4载荷施加驱动撞击杆，速度应符合A.2的要求。8.5测量与记录应测量并记录以下信息：b)试样的尺寸；c)试样的温度；d)应变计灵敏系数和电阻值等参数及其在波导杆中的位置；e)数据测试系统的状态，包括测试电路、应变的标定值；f)原始波形；g)试验后试样破坏情况；h)冷接触时间(必要时)。9试验数据处理9.1波导杆中的应变波导杆中的应变按公式(1)计算。e;(t)=U;(t)/U₀;(t) (1)波导杆高温区材料的弹性模量降低超过10%时，采用附录D的方法可修正波导杆温度梯度对试验数据的影响，推荐采用D.2的方法。9.2波形处理当采用对称贴片时，应分别取对称应变计测试信号的平均值作为数据处理时的入射波、反射波和透射波。7GB/T42900—2023取入射波起点前平直段数据的平均值作为入射波和反射波的波形基线值；取透射波起点前平直段数据的平均值作为透射波的波形基线值。数据处理时，应使入射波、反射波和透射波的波形基线归零。9.2.2波形起点的确定根据入射波、反射波和透射波的波形，确定对应的波形起点。所确定的起点应在对应波形的基线上且靠近波形的起跳点，宜采用附录E中的方法确定入射波、反射波和透射波的起点。9.2.3对齐波形起点移动入射波、反射波和透射波，使其起点位于相同的时刻，并以此时刻作为数据处理中的起始时刻。起点对齐后的入射波、反射波和透射波应满足均匀化假设，即满足公式(2)。e₁(t)+er(t)=er(t) (2)9.2.4应力波作用时间tw的确定宜以波形进入下降沿前的最后一个极大值点作为入射波的末点，确定应力波的作用时间tw,并以此作为数据处理的结束时间，在附录F的工程压缩应变计算公式(F.3)、公式(F.7)或公式(F.10)中，设9.3力学性能的测定9.3.1工程压缩应变速率工程压缩应变速率的计算公式见附录F,宜采用公式(F.2)。9.3.2工程压缩应变工程压缩应变的计算公式见附录F,宜采用公式(F.3)。9.3.3工程压缩应力工程压缩应力的计算公式见附录F,宜采用公式(F.4)。9.3.4工程压缩应力-应变曲线利用工程压缩应变(9.3.2)和工程压缩应力(9.3.3),获得工程压缩应力-应变曲线。9.3.5平均工程塑性应变速率按照GB/T34108的方法，按公式(3)对9.3.1中的工程应变速率历程曲线确定平均工程塑性应变速率。…9.3.6压缩性能按工程压缩应力-应变曲线形式，按照GB/T7314的方法确定压缩屈服强度等压缩性能。9.4典型示例高应变速率高温压缩力学性能试验典型示例见附录G。810试验结果有效性评估金属材料高应变速率高温压缩试验中，波导杆中的入射波、反射波和透射波典型波形图如图3所示。若试验装置与数据采集设备设置不当将引起测试信号异常，导致试验结果无法真实反映材料力学附录H。43-2-——UMwW//ns试验报告应至少包括以下内容：a)本文件编号；b)材料名称和来源；c)试样形状及尺寸；d)试验设备；e)加热方法；f)试验温度；g)试验结果。9(规范性)分离式霍普金森压杆A.1基本结构分离式霍普金森压杆的基本结构见图1。A.2驱动装置驱动装置对撞击杆施加初始速度，加载过程中应确保波导杆处于弹性状态，撞击杆最小速度应保证试样产生塑性变形，撞击杆的速度应不超过公式(A.1)的计算结果。A.3波导杆与撞击杆A.3.1波导杆输入杆和输出杆应采用高强度材料，其直径应相同，直径一般为12mm～20mm;长度可不同，可根据公式(A.2)和公式(A.3)分别设计，且波导杆的长径比宜不小于40。波导杆应根据GB/T228.2的方法测量波导杆的弹性模量和屈服强度随温度的变化规律，测量波导杆材料性能时最高温度应高于波导杆作为加载装置试验时的最高规定温度。L₁≥40dbLT≥40db波导杆形状和加工应符合图A.1的要求。0.002b0.001d0.002dAAL图A.1波导杆的形状和加工要求A.3.2撞击杆撞击杆材料、直径与波导杆相同，长度宜大于其10倍直径，并小于0.5倍波导杆长度，加工精度同GB/T42900—2023A.4波导杆检验A.4.1波导杆的同轴度检测将输入杆和输出杆直接接触，驱动撞击杆撞击输入杆施加载荷，检测入射波和透射波状态。当入射波、透射波的波形相同时，且两曲线的平台值相差不超过5%,则波导杆的同轴度满足试验要求。A.4.2波速标定在波导杆上选取一定距离的两点分别粘贴应变计，根据两应变计间的距离和应力波传播时间来计算波导杆中的弹性纵波传播速度；将测试结果与理论公式(A.4)计算值进行对比，当测试值与理论计算值相差小于2%时满足试验要求。…………GB/T42900—2023(规范性)高温加热调控装置B.1温度的允许偏差和温度梯度高温加热调控装置应能使试样加热到规定温度。温度的允许偏差和温度梯度应符合表B.1的规定。规定温度大于1100℃时，温度允许偏差和温度梯度由双方协商确定。注：温度梯度是指高温加热调控装置产生的沿试样轴向存在的固定的温度差值。表B.1温度的允许偏差和温度梯度表单位为摄氏度规定温度(T)Te和T的允许偏差温度梯度3456B.2温度的测量在波导杆上试样/波导杆接触端面处(采用一体式加热方法时)和在试样表面中心位置各固定一只热电偶，热电偶测温端应与波导杆和试样的表面有良好的热接触，并应避免加热体对热电偶直接热辐射。B.3温度测量系统的检验温度测量系统包括所有测量组件链(传感器、导线、显示装置、连接点)。温度测量系统的最低分辨力应为1℃,允许偏差应在±0.004T或±2℃内，取较大值。温度测量系统应在试验温度范围内检验GB/T42900—2023(规范性)数据测试系统C.1数据测试系统的组建根据应变计的连接方式分为桥式数据测试系统(见图C.1)和非桥式数据测试系统(见图C.2),推荐采用惠斯通电路组成桥式数据测试系统。当采用桥式测试系统时，推荐同时在与波导杆材料相同的金属块上粘贴相同的应变计作为温度补偿。226435标引序号说明：2———温度补偿应变计；5---—动态应变仪；图C.1桥式测试系统图232标引序号说明：1——应变计；3——数据采集与存储装置。图C.2非桥式测试系统图C.2应变计应按GB/T13992和下列要求选择和使用应变计：a)应变计极限响应频率应不低于120kHz,推荐不低于300kHz;b)宜采用两个应变计在波导杆的同一轴向位置对称贴片；GB/T42900—2023c)应变计的敏感栅方向与波导杆轴向平行；d)输入杆、输出杆上应变计应粘贴在靠试样一端，粘贴位置满足公式(C.1)和公式(C.2),推荐将应变计置于波导杆中部。应变计粘贴处波导杆的温度应为环境温度。a₁>10db且a₁>s…………(C.1)a₂>10db且Lr一a₂>s…………(C.2)C.3动态应变仪应按照JJG623中的要求，动态应变仪的频响应高于120kHz,宜不低于500kHz。C.4数据采集系统采样频率应不小于240kHz,宜采用1MHz。宜采用屏蔽导线组建测试系统，且导线的长度宜小于5m。C.6数据测试系统联试GB/T42900—2023(资料性)温度效应的修正方法D.1差分方法D.1.1建立如图D.1所示的求解坐标系，由公式(D.1)计算波导杆上的温度分布。T=(T。—T。)e-"r十T。…………(D.1)式中：图D.1一维应力波传播求解坐标系D.1.2波导杆弹性模量随温度变化的关系见公式(D.2)。E(T)=E,/(C。+C₁T+C₂T²+C₃T³)……(D.2)D.1.3结合公式(D.1)和公式(D.2)建立弹性模量沿波导杆轴向变化的关系式E(x),将E(x)代入一维应力波传播控制方程组得到含温度影响的波导杆一维应力波传播控制方程。…………(D.3)D.1.4基于边界条件[公式(D.4)]求解方程组[公式(D.3)]修正透射波。e(x,t)x=a₂=et(t)…………(D.4)D.1.5基于边界条件[公式(D.5)]和初始条件[公式(D.6)]求解方程组[公式(D.3)]修正入射波。e(x,t)x=a₁=e₁(t)…………(D.5)e(x,t)z=0=0…………(D.6)D.2加权方法D.2.1应变/应变率修正见公式(D.7)、公式(D.8)。…………(D.7)GB/T42900—2023D.2.2应力修正见公式(D.9)。GB/T42900—2023(资料性)入射波、反射波和透射波起点的确定方法E.1概述在数据处理过程中，需将入射波、反射波和透射波的起点移动到同一时刻。因此，需准确确定入射波、反射波和透射波的起点。在实际测试中，由于噪声的影响，不可能找到真正的起点，但可以找到一个比较合理的起点，其要求是：所确定的起点应在对应波形的基线上且靠近波形的起跳点。本附录给出了入射波、反射波和透射波波形起点确定方法，也可采用其他的起点确定方法。E.2入射波、反射波和透射波起点的确定入射波起点确定的步骤为：a)根据入射波采集信号，选取入射波前一定量数据点(如采样频率为5MHz,取100个数据点)计算平均值，确定采集信号基线；b)根据入射波波形确定入射波最大值；c)确定入射波上升至其最大值十分之一的时刻及其所对应的离散数据点；d)取入射波最大值十分之一对应时刻及向后取一定量数据点(如采样频率为5MHz,取50个数据点)拟合作直线，将该直线与基线交点对应时刻作为入射波的起点n₁。在确定入射波的起点后，通过公式(E.1)和公式(E.2)确定反射波和透射波的起点。式中：int[]——取整函数。…………(E.1)GB/T42900—2023(资料性)高应变速率高温压缩试验数据处理方法F.1概述本附录介绍了分离式霍普金森压杆测试原理，给出了采用入射波、反射波和透射波计算工程压缩应变速率、工程压缩应变和工程压缩应力的公式。试验测试数据有效情况下，为减少波形起点确定误差和计算方便，宜采用F.3.1中反射波和透射波法进行处理。在数据处理过程中，压缩应变速率和平均工程塑性应变速率的单位为ms-¹,应力波传播时间的单位为ms;在结果表述时，宜将压缩应变速率单位换算成为s-¹;应力波传播时间单位换算成μs。F.2测试原理在高应变速率高温条件下金属材料压缩力学性能的测试采用分离式霍普金森压杆实施。加热到规定温度的试样共轴安放于输入杆和输出杆之间，采用气枪等装置驱动撞击杆作用输入杆产生入射波；通过输入杆的传播对试样加载，并在输入杆和输出杆中形成反射波和透射波，其传播过程见图F.1。根据一维应力波理论和应力均匀假定，通过对测得的入射波、反射波和透射波信号进行计算，进而获得在特定应变速率下试样的压缩力学性能。标引序号说明：2——输入杆；3——应变计；4——试样；5——输出杆。图F.1分离式霍普金森压杆的测试原理示意图F.3二波法F.3.1反射波和透射波法根据反射波和透射波对试验数据进行处理，相关公式如下：a)根据分离式霍普金森压缩试验方法的均匀性假设，入射波、反射波和透射波满足公式(F.1)。e₁(t)=er(t)—er(t)…………(F.1)b)工程压缩应变速率按公式(F.2)计算。…………(F.2)c)工程压缩应变按公式(F.3)计算。d)工程压缩应力按公式(F.4)计算。F.3.2入射波和透射波法根据入射波和透射波对试验数据进行处理，相关公式如下。a)根据分离式霍普金森压缩试验方法的均匀性假设，入射波、反射波和透射波满足公式(F.5)。er(t)=er(t)—e₁(t)…………(F.5)b)工程压缩应变速率按公式(F.6)计算。…………(F.6)c)工程压缩应变按公式(F.7)计算。…………(F.7)d)工程压缩应力按公式(F.8)计算。…………(F.8)F.4三波法基于一维应力波理论，对波导杆上的应变计测得的入射波、反射波和透射波进行处理，获得该应变速率下试样材料的压缩应力-应变等力学性能，相关公式如下。a)工程压缩应变速率按公式(F.9)计算。b)工程压缩应变按公式(F.10)计算。c)工程压缩应力按公式(F.11)计算。GB/T42900—2023(资料性)本附录给出了在800℃条件下应用分离式霍普金森压杆测试某不锈钢高应变速率压缩应力应变曲线示例。撞击杆和波导杆的结构尺寸和材料性能如下：G.3应变计应变计基本参数和粘贴位置如下：mm;mm。G.4试样试样基本尺寸及规定温度如下：动态应变仪频响和标定情况如下：20BdWBdW/⁵G.7某不锈钢的测试结果G.7.1工程压缩应变速率-时间曲线试验获得的工程