Page 76 - 《爆炸与冲击》2025年第12期

第 45 卷 王鸿立，等： 高铁接触网铜镁合金材料的率温耦合变形机理与本构参数 第 12 期

过试验机自带的载荷传感器测得，压缩应变由视频引伸计记录得到。采用直径 12.2 mm 的 SHPB 装置开
展接触网铜镁合金材料的动态压缩实验。加载杆的材料为 18Ni 马氏体不锈钢，弹性模量为 190 GPa，密
3
度为 7 800 kg/m ，弹性波速为 4 900 m/s。静/动态压缩试验中，采用高温炉对试件快速加热至预设温度并
保温 5 min，并在加载杆和试件接触端面涂抹适量凡士林，以减小端面摩擦效应的影响。
动态压缩实验中，撞击杆撞击入射杆产生的应力波沿着入射杆、试件、透射杆进行传播，采用超动
态应变仪和数据采集器采集入射杆和透射杆的应力波信号 ε 和 r ε ，并利用数据处理系统记录波形。基
t
于一维应力波与应力均匀假设，可得到试样的应力 σ(t)、应变 ε(t)、应变率 ˙ ε (t)：

E b S

 σ(t) = ε t (t)


 A s

 w t
c 0
ε(t) = −2 ε r (t)dt (1)
 l 0 0



 c 0
 ˙ε(t) = −2 ε r (t)

l 0
式中：E 和 b S 分别为加载杆的弹性模量和横截面积，A 和 s l 分别为试件的横截面面积和高度，c 为弹性
0
0
波波速。
2 实验结果与讨论
2.1 应力-应变响应
图 3 给出了不同温度、不同应变率下接触网铜镁合金材料的真实应力-真实应变曲线。可以看出，
压缩初期材料表现出线弹性特征，没有明显的屈服平台现象。在给定应变条件下，接触网铜镁合金材料
的流动应力随着应变率的增大而增大，随着温度的升高而减小，表现出应变率强化和温度软化效应。准
静态压缩下接触网铜镁合金材料的温度软化效应比动态工况下更加明显，这是静态和动态载荷下材料
内部位错密度的演化规律不同所致 [12] 。压缩变形过程中，材料的部分机械能会以位错的形式储存，并且
位错密度随着应变的增大而增大。此时，位错之间的相互作用会增大其运动阻力，从而导致材料流动应
力的增大，产生应变硬化效应；另一方面，金属材料在高温下发生塑性变形时，通常会出现材料动态回复
（dynamic recovery, DRV）与动态再结晶（dynamic recrystallization, DRX），使得位错发生湮灭，导致位错密
度降低，宏观上表现为流动应力降低 [13-15] 。
图 3(a) 为接触网铜镁合金材料在不同温度下的准静态真实应力-应变曲线。可以看出：在变形初
期，不同温度下准静态压缩应力-应变响应均表现出线弹性特征，压缩应力随着应变的上升快速增大；当
应力超过试样的屈服强度时，材料内部的位错具有足够的能量越过势垒，晶体开始通过滑移协调材料塑
性变形，此时应力增长放缓；当应变进一步增大，而应力不再增大时，呈现为典型的动态回复型应力-应变
曲线。另外，对比不同温度下的曲线可以发现，接触网铜镁合金材料流动应力值随着温度的上升呈现出
明显的下降趋势，形变温度对材料变形抗力的影响非常明显。
图 3(b)～(d) 为接触网铜镁合金材料率温耦合加载下的真实应力-真实应变曲线。对比不同温度下
的曲线可以看出，准静态工况下，材料流动应力随着应变的增大几乎保持不变；而当应变率大于等于
1 000 s 、温度为 293 和 473 K 时，材料流动应力随应变增大的变化较小，温度大于 673 K 时，流动应力随
−1
着应变的增大而增大，随后增大趋势减缓，直至平稳。这可能是因为温度范围为 293～473 K 时，软化机
制以 DRV 为主，随温度升高，DRV 减弱、DRX 加强，DRX 在与 DRV 的竞争中占据优势；当温度高于
673 K 时，材料的塑性流动软化机制主要以 DRX 为主，而 DRX 是一个形核长大的过程，形核需要一定时
间的孕育期，由于高应变率下变形时间短，DRX 难以完全发生，软化机制受限，致使流动应力值会先不断
增大而后趋于稳定 [16-19] 。对比不同应变率下的曲线可以发现，接触网铜镁合金材料的强度随应变率的增
大出现了增大的趋势，具有应变率硬化效应，这可能是由于铜镁合金材料位错增殖和位错滑移惯性产生
的反作用力导致的 [20] 。

123101-4