一格家与时俱进中的拉伸试验之——应变率

试验设备及试验过程

我们采用高速液压伺服试验机为试验平台，其具有恒速率作动（作动缸最大加载速率可达到20m/s）、开环/闭环协调高精度控制、加载重复性高等特点，是获取材料的中低应变率动态力学性能的常用试验设备，一般由试验机台架、液压动力源、控制系统和水冷机等构成，其中试验机台架由作动缸、动态夹持夹具、静态夹持夹具、测力传感器等构成，如图2所示。

材料动态拉伸试验过程为：（1）试验前将试验件一端安装固定于静态夹持夹具，对安装于作动缸末端的动态夹持夹具进行预紧，使试验件和动态夹持夹具保持接近贴合，且作动缸上下运动时试验件不与其发生干涉和卡滞；（2）设置试验控制和采集系统参数，如控制方式、作动缸目标加载速率、数据采集频率、数据采集触发方式和参数等；（3）作动缸运动至最低位置，随后向上运动加速到目标速率后动态夹持夹具瞬间释放侧向抱紧试验件，实现试验件随动恒速率拉伸，并在试验件受到拉伸前触发试验数据采集系统。

金属材料动态拉伸试验件一般采用“狗骨”式平板试样，如图3所示，其由静态夹持段、试验段和动态夹持段构成，其中，理论应变率为加载速率与试验段长度的比值，可匹配试验段的长度实现不同理论应变率的动态拉伸试验，如试验件试验段长度为20mm，在试验机最大加载速率20m/s下，理论上可实现应变率103s-1的动态测试。

材料的动态载荷测试

试验机自带的载荷传感器可测试试样动态拉伸过程的载荷，但当加载应变率大于10s-1时，载荷传感器测试的信号在试验件的塑性变形阶段出现振荡，这主要是因为在动态加载的瞬态激励作用下，激起由试验件、静态夹持夹具和传感器三部分组合结构的模态频率，造成其振动特性耦合到测试信号中，导致试验件动态拉伸载荷信号失真。因此，如何精确测试材料动态拉伸过程的载荷数据是一项关键技术。为此，学者们提出了金属材料动态拉伸载荷的间接测试方法，其主要思路为在动态拉伸试验前，先通过静态加载试验获得试验件静态夹持段的应变片输出信号（一般为惠斯顿全桥电路电压）与拉伸载荷的标定系数，如图4所示，在动态拉伸试验中，以此标定试验件动态拉伸过程的载荷数据。试验中需关注以下方面：（1）进行合理的试验件尺寸设计，以保证试验件在拉伸失效过程中非试验段处于弹性变形状态；（2）标定试验前需进行准静态拉伸破坏测试，确定标定试验载荷加载范围，保证标定试验中试验件不发生塑性变形。图5为通过此方法获得的某铝合金的动态拉伸载荷数据。

总体而言，通过该方法进行高速拉伸试验载荷测试具有操作简便、测试精度高、易于标准化等优点，具有较强的实际工程应用价值。目前已形成了金属材料动态力学性能测试标准（ISO26203-2），推荐采用该方法进行金属材料的动态载荷测试。

材料的动态应变测试

材料力学性能试验中应变测试的常规方法包括应变电测法和引伸计测量方法。但受限于常规应变片使用量程的限制，无法测量金属材料的塑性变形全过程。而材料动态拉伸试验为瞬态破坏过程，传统机械引伸计易发生损坏也不适用。因此，在金属材料动态拉伸试验中，常规的接触式应变测试手段无法适用。

数字图像相关方法（digital image correlation， DIC）是应用计算机视觉技术的一种光学测量方法，因操作简单、精度高，可在非接触条件下进行全场变形测量等特点，在试验力学领域已获得越来越广泛的应用。考虑不同的应用场景，非接触应变测试可分为基于灰度匹配和基于特征匹配等方法。其中，基于灰度匹配的测量原理是由图像采集装置记录被测物体位移或变形前后的两幅散斑图，经模数转换得到两个数字灰度场，对数字灰度场做相关运算，找到相关系数极值点，得到相应的位移或变形，再经过适当的数值差分计算获得试样表面的位移场和应变场，其简易原理如图6所示。散斑图像可布置为白色衬底上形成黑色斑点，为了较好地匹配试验件表面变形点，斑点尺寸一般至少包括3～4个像素，图7为典型的金属材料动态拉伸应变测试应用。

利用光学技术的应变测量方法还包括视频伸长计方法，通过在试样关注部位标识两个跟踪点，利用图像分析软件跟踪两个标识点的移动来测试试验件的变形，进而计算出标距段的应变，如图8所示。此方法虽不能获得试样的全场变形信息，但可在关注幅面中任意设置测量的标距位置，且计算效率更高，也常用于金属材料的动态拉伸应变测试。

DIC测量系统一般由CCD高速相机、照明光源、图像采集系统等组成，并配套非接触图像分析软件进行变形数据的分析。由于非接触测量原理与构成元素的复杂性，在试验环境、外部振动、光源条件、图像质量、数据算法等方面都有可能引入测量误差，工程应用中可通过提高硬件设备的性能提升测试精度，如使用变焦放大镜头、准确度更高的CCD高速相机，也可通过运用精度更高的匹配、检测算法，或实现硬件和软件算法最优化匹配等措施实现试样动态拉伸应变的高精度测试。

材料的动态失效过程热耗散测试

金属材料动态拉伸破坏过程持续时间一般在毫秒甚至微秒量级，试样失效过程中会导致材料内部急剧升温，并以热耗散形式对外释放。金属材料的动态加载过程往往伴随着应变强化、应变率效应和热耗散效应的同时作用，这些因素相互竞争，对材料的动态力学行为有着耦合影响，热耗散测试是金属材料动态拉伸试验的一项重要内容。

红外摄像技术由于快速直观、非接触等特点被应用于多个领域。红外摄像进行非接触测温的核心工具为红外摄像仪，目标物体对外辐射的红外线被摄像仪镜头捕捉，经过光栅等光学系统，进而被热像仪的探测系统吸收，经过计算机数据处理后，可把光学信号转变为红外热像图，其工作原理如图9所示。

在某金属材料动态拉伸试验中，搭建了基于红外热像仪的非接触测温试验系统，如图10所示。图11为在0.01m/s拉伸速度下试验件断裂位置表面温度变化情况。可见，在材料动态拉伸处于断裂状态时，试验件温度耗散达到最大值。图12为试验件在不同加载速度下断裂时的表面温度，可看出随着加载速度的提高，试验件断裂时的表面温度也逐渐增加。

     金属材料的中低应变率动态力学性能是进行结构抗冲击设计和分析的重要输入数据，在飞机抗外物沖击及适坠性、汽车碰撞安全等军民领域具有共性的研究需求。

基于高速液压伺服试验机的金属材料动态拉伸试验是获得中低应变率力学性能的主要手段。目前经过国内外学者大量卓有成效的研究工作，解决了动态载荷测试、动态应变测试及热耗散测试、试验数据处理及本构表征等多项关键试验技术，并在工程实际中获得了较好的应用。

结合工程应用以及新技术的发展，后续仍需在以下方面加强技术研究，进一步细化实践应用。

（1）针对不同对象材料发展适用的试验方法。我们介绍的试验方法对于具有弹塑性特征的金属材料具有较好适用性，然而对于复合材料、含能材料、超软/超脆材料等其他材料的适用性则有待实践和验证，可预见的是在非接触变形测试、热耗散测试等方面均可有所借鉴，但在试验件设计及其加载形式、动态载荷测试、本构方程表征等方面须结合实际进行新方法探索。

（2）针对不同研究和应用场景揭示材料的动态变形和失效规律。在金属材料的中低应变率动态力学性能研究方面，目前主要集中于其试验方法和宏观本构表征，对于材料的细观动态失效物理机制，以及考虑复杂状态（如高低温、复杂应力）下的单一或耦合条件下的材料动态力学行为需要进一步在实践中摸索积累。

（3）针对应用需求持续形成标准、规范等成果。围绕持续构建普适性试验方法和流程的需求，进一步形成标准化的测试规范，结合大量试验数据积累的基础上，开发各类材料的动态力学性能数据库，形成面向现实使用的手册和软件工具等成果。