0 引　言

研究材料在高变形速率下的力学响应，对结构设计和材料研究均有重要意义^[1]。在一些特殊工况下，材料要经受高温和高应变率的复合作用。如航空涡轮发动机的叶片、涡轮盘等部件在经受高温环境的同时还要承受高速冲击载荷，在爆炸环境下材料往往要经受高温并且发生高速变形。另外，金属在高速切削的过程中高变形速率会产生大量的热量，其变形局部温升可达800 ℃以上。材料的特性与行为受加载速率和温度的影响很大，所以研究材料在高温高应变率条件下的力学性能及其变形破坏机理是十分重要的。

早在二十世纪初，Hopkinson^[2]和Davis^[3]等就开始对金属材料动态压缩、拉伸和扭转等实验方法进行研究。自1949年Kolsky^[4]建立了分离式霍普金森压杆实验技术，1960年Harding^[5]建立了分离式霍普金森拉杆以来，分离式霍普金森杆技术被普遍认为是测试金属、陶瓷、岩土、复合材料、橡胶等多种材料在10²~10⁴ s^–1应变率范围内力学行为行之有效的手段。现有的研究大多都集中在材料的常温动态力学性能方面，对材料在高温环境下的动态力学性能方面的研究较少。究其原因，在传统的霍普金森杆实验装置基础上，既要在试件上形成均匀稳定的温度场，还要尽可能地减少高温对入射杆和透射杆的影响，是较为困难的。近年来，高温霍普金森压杆实验技术已有一些进展，其较多是采用先对试件加热后进行快速组装的方式来实现的。但直接把预加热的方法应用于高温动态拉伸实验上还是有难度的。

现在国内外的一些学者对传统的动态拉伸实验装置进行了改进，较好地解决了其中的关键问题。本文分别从拉伸波的产生、高温动态拉伸实验方法、试件的连接方式与尺寸等方面对现有的高温霍普金森拉杆实验技术进行总结并对其进行评述。

1 拉伸波的产生方式

一般按照拉伸波产生的方式可将霍普金森拉杆分为两种：直接拉伸式和反射式。反射式霍普金森拉伸装置是在霍普金森压杆的基础上通过改变试件与加载杆的连接方式来实现的^[6-7]，如图1所示。将试件的两端通过胶粘或螺纹等方式连接于输入杆和输出杆之间，试件外圈放置承压环。实验时子弹撞击输入杆产生压缩波，当压缩波传至试件处时，承压环可保护试件不被压缩从而使压缩波基本可以无损失的通过。压缩波过通试件后继续传播，在输出杆端部反射为拉伸波，此时的承压环不能承受拉力，所以拉伸波只对试件进行加载。由于该系统中包含了较多的界面，应力波的传播比较复杂，且不利于对试件进行加温，所以高温霍普金森拉杆实验大多采用直接拉伸的方法。夏源明等^[8-9]设计了一种直接拉伸式实验装置，如图2所示。它的拉伸波并非由撞击直接产生，而是由撞击后前置金属短杆的变形、断裂而产生的。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^[10]，滤掉了锤头打击撞块时所产生的抖动。该装置中只要控制前置金属短杆的直径、长度和打击速度就可获得不同幅值、宽度和上升沿的拉伸脉冲波。

2 高温霍普金森拉杆实验技术 2.1 高温对动态拉伸实验的影响

在准静态高温实验中，高温环境一般是通过将试件和加载夹头一起封闭在高温环境箱中，经过较长时间的加热实现。而准静态材料实验中实现高温环境的技术不能简单推广到动态实验中。原因在于分离式Hopkinson杆实验技术是基于一维应力波和一维线弹性理论的，而传统的加热方法则有两个问题：1）加热时间较长；2）加热区域较大，包括波导杆的一部分也被加热。因此在杆上就会出现温度梯度，这个温度梯度会导致波导杆弹性模量改变，从而引起杆材波阻抗的变化。结果就是，应力波在波导杆传播时会有局部的反射和幅值的改变，得到的结果不能正确反映材料的力学行为。一些学者认为在温度不超过300 ℃时，温度对杆的影响可以忽略不计，但是超过了这一温度，温度效应则不可忽略。对于此种情况一般有两种解决办法：1）采用异形导杆，加工不同截面积的导杆以抵消因温度梯度所引起的波阻抗的变化，从而保持沿杆长度方向的机械波阻抗不变^[11]。这种设计的缺点在于需要在不同温度下使用不同形状的导杆，即一种杆的形状只在一种温度实验中适用，且需要准确获得导杆中的温度分布以设计相应的导杆。2）测量^[12]、计算温度梯度^[13-14]对实验的影响，并对实验数据进行修正。以上方法加载的均为稳定的温度场，这种情况下实验时试件材料的微观结构可能已经发生了变化，不再是出厂时的结构^[15]。若要研究材料在原始状态下的高温动态力学性能，则有以下3种思路可以考虑^[15-16]：1)当温度不太高时，可采用波阻抗对温度不敏感的材料作为波导杆（如铁镍合金等），从而可以忽略温度场对应力波传播的影响；2)在试件处进行局部快速加温并采取保温措施减少热量对波导杆的影响；3)采用离线加热后快速装配的方式，利用自动机械结构在应力波到达前很短的时间内将试件与加载杆装配然后进行加载^[16]。后两种方法使得数据处理时不必考虑温度梯度场的影响，从而简化数据处理过程，得到较广泛的应用，但其带来了实验装置的复杂化^[17]。

2.2 快速在线加热及隔热的方法

1986年Rosenberg等^[18]提出了一种利用电磁效应来对金属试件进行加热的方法。该方法通过在试件表面布置一层导电线圈，利用电磁场的作用迅速将试件加热到指定温度。张方举等^[19]利用大电流对金属试件进行了快速的加热，并且使用有较好隔热效果的结构胶来连接试件，有效地防止了高温向波导杆上传播。经过测量可知，试件上的温度分布比较均匀，导杆上的局部温升不大，如表1所示，所以温度对杆中弹性波传播的影响可以忽略。但适用该种方法上的导电材料有一定的局限性。

Macdougall^[20]和Seo等^[21]使用光辐射装置对试件进行加热。该装置利用光学透镜将能量聚焦于试件对其进行加热，其热效率较高。由于该装置较复杂，其对设备的精度要求较高。

中科大夏源明课题组^[22-24]通过采用大热惯性的高温炉来实现对试件的快速加温。实验前先将高温炉中的金属芯轴加热到预设温度，然后使之与试件接触，通过热传导的方式对试件进行加温，由于金属芯轴的热惯性很大，在短时间内即可在试件实验段形成较稳定的温度场^[24]。通过建立金属芯轴温度与试件温度之间的关系，就可以达到通过控制金属轴芯的温度来控制试件温度的效果。图3、图4为试件上温升历程和杆上的温度分布，从图中可以看出在加热1 min后试件上的温度基本可以达到实验温度，此时杆上与试件接触部分的温升较为明显，并随着杆的轴向方向快速减小，当距离超过10 cm时温升可以忽略不计。

2.3 对波导杆温度影响进行修正的方法

若波导杆上的温升较大，那么温度的影响就不可忽略。尚兵等^[25]将应力波在具有温度梯度的波导杆中运动的控制方程离散，根据杆上任意一点处的应变信号，计算出波传播到杆上其他点处的应变信号。通过上述原理在波导杆上处于室温的某处粘贴应变片，由该处的应变信号计算出试件与波导杆接触的高温区的应变信号，利用此信号获得高温霍普金森杆实验中的应力应变关系，如图5、图6所示。夏开文等^[26-27]基于热力学理论计算出了波导杆上的温度场，并根据一维应力波理论推导出了修正后的实验结果。经过计算可知，修正后波的形状基本不变幅值略有降低。但是这种方法的数据处理过程较复杂，且导杆的材料也限制了这种方法适用的温度范围。

2.4 快速自组装的方法

快速自组装的方法，即先将试件预加热至指定温度，再利用自动装置将波导杆与试件快速装配，并迅速完成加载^{[16, 28-32]}。由于该实验方法中试件与导杆接触的时间很短，所以杆和试件的温度变化较小，其可实现的实验温度相对较高。该方法要求自动装置有较高的控制精度。现在大多数学者认为与高温动态压缩实验技术相比，在动态拉伸实验中由于试件与导杆之间连接方式的特殊性（螺纹、胶粘等），不能将试件简单快速地装配到位，因此只能采取在线加温方式进行。但郭伟国等^[33-34]通过采用特殊的挂钩式连接实现了高温动态拉伸实验中的共时自组装，如图7所示。

具有快速自组装功能的SHTB实验装置如图8所示。其工作原理为：首先将试件放入高温炉中快速加热至预设温度，出气阀打开，气动机构1把试件从高温炉中沿陶瓷导轨推出至入射杆和透射杆之间，气动机构2拉动透射杆将波导杆与试件连接在一起，紧接着触发撞击块撞击入射杆端完成对试件的加载。该方法要求快速自组装，其评价指标为接触冷却时间（cold contact time，CCT)。李玉龙等^[35]在高温动态实验中对比了CCT在5 ~500 ms范围内的实验结果，认为如果CCT小于50 ms，实验可以较准确地反映材料的实际性能。该实验中CCT由两部分组成：CCT1为试件从加热炉中推出至与波导杆紧密连接的时间；CCT2为试件从与波导杆连接到拉伸波传播到试件上的时间。采用有限元方法可算出试件在不同CCT条件下的温度分布，如图9^[34]所示。从图中可以看出，试件温度的降低主要发生试件与波导杆的连接处，在标距段内材料温度的变化不明显，当CCT小于100 ms时试样上的温度均匀，且变化很小。郭伟国等^[34]通过两个信号传感器和应变片测试出了该实验中CCT1为44 ms、CCT2为83 ms。图10、图11为1 200 ℃条件下试件和加载杆上的温度分布，从图中可以看出加载杆只在与试件接触的区域有温升，其最大温升为183.7 ℃，而试件标距段内的温度可以均匀保持在1 200 ℃。所以通过这种快速自动主装的方法可以实现温度高达1 200 ℃的动态拉伸实验，并且试样上温度均匀没有明显减小，加载杆上的温度没有明显增加。

3 连接方式和试样尺寸对实验结果的影响

在动态拉伸实验中试件与波导杆的连接方法有螺纹连接、胶粘连接和销接等。对于金属材料来说螺纹连接是较常用的方案，其连接方式如图12所示。螺纹连接试件为哑铃状，这种连接方法要求试件螺纹加工精度较高。但由于螺纹间隙的存在，测量的结果会引入一定的系统误差^[36]。为了减小这种误差，宋顺成等^[37]提出将波导杆改为空心管，但是这仍未在本质上解决该问题。陈小安等^[38]在试样与测试杆的连接处采用了有减震功能的反向背紧螺纹连接，能够有效地减小实验中所产生的抖动。但在高温实验中试件的热能可以通过此种连接方式快速传播至加载杆上，所以在高温实验中较少采用这种方式。现在高温动态拉伸实验中多采用胶粘连接的方法^{[19, 22, 24, 39-41]}，其可以均匀连接试件与波导杆，还可以有效地防止试件温度的散失和热量向波导杆的扩散。胶粘试件如图13所示，其要求试样与波导杆之间的连接有足够的强度，并且采用胶粘方式的试件清洗较为困难。挂钩连接由于其可以实现快速装配，在高温动态拉伸的自组装技术中得到了应用，为了验证这种连接方法的可行性，郭伟国等^[33]用45^#钢在298 K、1 000 s^–1应变率条件下对采用挂钩连接和螺纹连接得到的结果进行了对比，如图14所示。从图中可以看出两种连接方式得到的结果很接近，相比于螺纹连接来说，由于挂钩连接结构中试件与杆的接触较为简单，所以由于螺纹间隙和螺线的局部塑性变形所引起的曲线在低应变时的震动得到了抑制。

除了连接方式外，试件的尺寸也会对实验结果产生影响。在霍普金森拉杆实验中试件标距段的长径比和标距段与拉杆之间的直径比是产生二维效应的重要因素。Staab等^[42]在对SHTB实验中试件的长径比做了大量的实验研究后认为当标距段的长径比大于1.60时可获得较稳定的数据。王从约^[43]初步讨论了扁平哑铃状试件厚度、长度、宽度以及过度圆弧半径对实验结果的影响但没有给出具体的几何尺寸。徐伟芳等^[44-45]通过实验研究了不同试件长径比对实验结果的影响，认为长径比大于2.67的试件可以满足材料实验的要求，长径比小于2时不能得到准确的材料参数。

4 结束语

现有高温霍普金森拉杆实验技术中解决高温影响的方法主要分为4类：1）使用隔热垫块阻止试件上的高温传递到杆上；2）将杆的局部与试件一起加热，通过理论计算去除高温对波导杆产生的影响；3）将试件与波导杆装配好，通过局部的加热装置来对试件进行快速加热，然后击发完成实验；4）将试件加热，通过自动组装装置将试件快速与杆连接，快速完成实验。

由于前两种方法都有较大的弊端（垫块的影响、数据处理复杂等），应用不是十分广泛。目前主要采用的是先组装后快速加热（中科大、中物院总体所）和先加热后快速组装（西北工业大学）的方法。对于先组装后局部快速加热的方法来说，其在原有的霍普金森拉杆的基础上改变不大，只是加入了局部快速加温装置（大容量热惯性炉、大电流加热），其实现比较简单。但是由于加热时试件与杆子接触，所以不可避免地产生温升，这种方法可以实现的温度一般不超过800 ℃。对于先加热试件然后快速自动组装的方法来说，由于试件与杆子接触的时间很短，所以其可以实现1 200 ℃以上的实验。但是这种方式需要一套较为复杂的气动装置来实现自组装功能，且对CCT有较高的要求（CCT1、CCT2≤100 ms且要求CCT2≥0）。