Page 10 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 杜 冰，等： 基于电磁Hopkinson杆系统的恒应力比动态拉伸/压缩-扭转复合试验装置及方法 第 7 期

时抵达试样：

L
L− L 1 − L 1 0.384L− L 1 − L 2
∆t = − = (11)
v s v e v s
本文中使用的波导杆为 TC4 钛合金杆，其弹性波波速 v elastic =4 961 m/s，剪切波波速 v shear =3 041 m/s，
μs 。如此
波导杆长度 L =4 000 mm。拉伸-扭转实验条件下，设置 L 1 =500 mm， L 2 =800 mm，此时 ∆t ≈ 77.6
设置后，就可以使得弹性波和扭转波同时抵达试样端。
此外，该装置具备高度的参数灵活性，可根据具体实验需求对各关键参数进行独立调节。应力波在
入射杆中的传播过程如图 3 所示。通过精确设定延迟时间 ∆t ，可确保原本相互独立的拉伸/压缩波与扭
转波同步抵达试样，实现对试样的同步加载。进一步，通过分别设定两种应力波的脉宽，能够保证在试
样的整个变形过程中，动态拉伸/压缩与扭转加载持续同步进行，从而获得稳定的复合应力状态。

2 材料与实验方法

2.1 材料与试样
实验选用 CoCrFeMnNi 高熵合金作为测试对象，其材料组分如表 1 所示，具体的材料制备过程等参
考文献 [27]，本实验设定为测试其动态加载下拉伸-扭转的联合响应。
实验采用前文中介绍的动态拉伸-扭转联合装置进行，使用两根直径 25 mm 的 TC4 钛合金杆作为波
导杆，两根杆的长度均为 4 000 mm。波导杆的弹性模量为 110 GPa。试样形状和尺寸如图 4 [28] 所示，采
用螺纹连接的方式与波导杆连接。通过对称粘贴在波导杆上的应变片测定实验所需的应变信号。拉伸
条件下使用单向应变片和半桥电路进行拉伸变形的测量，而扭转条件下则使用±45°的应变花配合全桥电
路进行测量 [23] 。

表 1 高熵合金组分 R5
Table 1 Chemical compositions of the HEAs
元素 摩尔比/% 9 8
Cr 19.91 ± 0.11 4
Mn 20.07 ± 0.13
38
Fe 19.91 ± 0.13
Co 20.29 ± 0.15 图 4 试样的几何尺寸和实物 （单位：mm）
[28]
Ni 19.81 ± 0.15 Fig. 4 Geometry and photo of the specimens (unit: mm)
[28]
为了保证实验结果的可靠性，每组实验均保证重复 3 次。所有实验均使用高速摄像机记录试样
的变形过程，相机帧率设置为 10 s ，分辨率为 320×240。在试样标距段均匀布置散斑，采用三维数字
−1
5
图像相关（three dimensional digital image correlation, 3D-DIC）技术对试样变形进行分析，用于修正试样的
应变：
ε DIC (t) = kε exp (t) (12)
ε exp (t) 分别为采用 和实验结果计算得到的应变，k 为平均应变修正系数。
式中： ε DIC (t) 和 DIC
2.2 波形分析

动态拉伸-扭转复合加载实验所获得的原始波形如图 5 所示。与第 1.3 节中的理论分析相符，尽
管拉伸波与扭转波在产生时存在一定的时间差，但通过精确设置的延时控制，两者能够同时抵达试样
并实现同步加载。从原始波形中可清晰辨识拉伸与扭转加载过程中的入射波、反射波及透射波。基
于一维应力波理论对这些信号进行处理和计算，即可得到试样在动态拉-扭复合载荷下的应力-应变
响应。

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