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一格家與時俱進中的拉伸試驗之——應變率

發布時間:2022-12-13 09:48:02    瀏覽次數:0
 
一格家與時俱進中的拉伸試驗之——應變率
 
 
 
 

 基于高速液壓伺服試驗機的金屬材料動態拉伸試驗是獲得中低應變率力學性能的主要手段,但如何獲得材料的動態拉伸載荷、動態應變,以及失效過程的熱耗散數據是試驗測試的關鍵。就像飛機在服役過程中結構可能會遭受鳥撞、應急墜撞等沖擊載荷的作用,如飛機機頭和機翼結構是飛鳥、冰雹等外來物沖擊的密切關注部位,飛機機體下部結構則需進行抗墜撞設計以提高其適墜性。飛機結構在沖擊載荷作用下,材料的力學行為相較準靜態加載需考慮應變率效應的影響,即隨著加載應變率的提高,材料往往呈現出一定的應變率敏感性。以往研究表明,鈦合金、合金鋼等金屬材料的強度極限和失效應變等參數隨著應變率的提高會發生顯著變化,而鋁合金的率敏感性則偏弱甚至不敏感。因此,為準確進行飛機結構的抗沖擊設計和分析,需通過試驗手段獲得材料的動態力學性能參數。

     一般而言,應變率范圍10-1s-1~103s-1為中低應變率狀態,處于該范圍左右兩端之外的則分別為準靜態和高應變率狀態。需要說明的是在不同的應變率范圍,需匹配不同的試驗設備進行力學性能測試,如圖1所示,如準靜態范圍一般通過常規的靜態試驗機,中低應變率范圍則一般通過高速液壓伺服試驗機,而高應變率范圍則一般采用霍普金森桿試驗裝置。相較而言,中低應變率范圍內的材料動態力學性能測試方法尚沒有準靜態和高應變率下的測試方法成熟,主要體現為基于高速液壓伺服試驗機的材料中低應變率動態拉伸試驗相對較少,在關鍵試驗參數測試、試驗數據處理等方面有待進一步形成共識。

 

試驗設備及試驗過程

我們采用高速液壓伺服試驗機為試驗平臺,其具有恒速率作動(作動缸最大加載速率可達到20m/s)、開環/閉環協調高精度控制、加載重復性高等特點,是獲取材料的中低應變率動態力學性能的常用試驗設備,一般由試驗機臺架、液壓動力源、控制系統和水冷機等構成,其中試驗機臺架由作動缸、動態夾持夾具、靜態夾持夾具、測力傳感器等構成,如圖2所示。

材料動態拉伸試驗過程為:(1)試驗前將試驗件一端安裝固定于靜態夾持夾具,對安裝于作動缸末端的動態夾持夾具進行預緊,使試驗件和動態夾持夾具保持接近貼合,且作動缸上下運動時試驗件不與其發生干涉和卡滯;(2)設置試驗控制和采集系統參數,如控制方式、作動缸目標加載速率、數據采集頻率、數據采集觸發方式和參數等;(3)作動缸運動至最低位置,隨后向上運動加速到目標速率后動態夾持夾具瞬間釋放側向抱緊試驗件,實現試驗件隨動恒速率拉伸,并在試驗件受到拉伸前觸發試驗數據采集系統。

金屬材料動態拉伸試驗件一般采用“狗骨”式平板試樣,如圖3所示,其由靜態夾持段、試驗段和動態夾持段構成,其中,理論應變率為加載速率與試驗段長度的比值,可匹配試驗段的長度實現不同理論應變率的動態拉伸試驗,如試驗件試驗段長度為20mm,在試驗機最大加載速率20m/s下,理論上可實現應變率103s-1的動態測試。

材料的動態載荷測試

試驗機自帶的載荷傳感器可測試試樣動態拉伸過程的載荷,但當加載應變率大于10s-1時,載荷傳感器測試的信號在試驗件的塑性變形階段出現振蕩,這主要是因為在動態加載的瞬態激勵作用下,激起由試驗件、靜態夾持夾具和傳感器三部分組合結構的模態頻率,造成其振動特性耦合到測試信號中,導致試驗件動態拉伸載荷信號失真。因此,如何精確測試材料動態拉伸過程的載荷數據是一項關鍵技術。為此,學者們提出了金屬材料動態拉伸載荷的間接測試方法,其主要思路為在動態拉伸試驗前,先通過靜態加載試驗獲得試驗件靜態夾持段的應變片輸出信號(一般為惠斯頓全橋電路電壓)與拉伸載荷的標定系數,如圖4所示,在動態拉伸試驗中,以此標定試驗件動態拉伸過程的載荷數據。試驗中需關注以下方面:(1)進行合理的試驗件尺寸設計,以保證試驗件在拉伸失效過程中非試驗段處于彈性變形狀態;(2)標定試驗前需進行準靜態拉伸破壞測試,確定標定試驗載荷加載范圍,保證標定試驗中試驗件不發生塑性變形。圖5為通過此方法獲得的某鋁合金的動態拉伸載荷數據。

總體而言,通過該方法進行高速拉伸試驗載荷測試具有操作簡便、測試精度高、易于標準化等優點,具有較強的實際工程應用價值。目前已形成了金屬材料動態力學性能測試標準(ISO26203-2),推薦采用該方法進行金屬材料的動態載荷測試。

材料的動態應變測試

材料力學性能試驗中應變測試的常規方法包括應變電測法和引伸計測量方法。但受限于常規應變片使用量程的限制,無法測量金屬材料的塑性變形全過程。而材料動態拉伸試驗為瞬態破壞過程,傳統機械引伸計易發生損壞也不適用。因此,在金屬材料動態拉伸試驗中,常規的接觸式應變測試手段無法適用。

數字圖像相關方法(digital image correlation, DIC)是應用計算機視覺技術的一種光學測量方法,因操作簡單、精度高,可在非接觸條件下進行全場變形測量等特點,在試驗力學領域已獲得越來越廣泛的應用。考慮不同的應用場景,非接觸應變測試可分為基于灰度匹配和基于特征匹配等方法。其中,基于灰度匹配的測量原理是由圖像采集裝置記錄被測物體位移或變形前后的兩幅散斑圖,經模數轉換得到兩個數字灰度場,對數字灰度場做相關運算,找到相關系數極值點,得到相應的位移或變形,再經過適當的數值差分計算獲得試樣表面的位移場和應變場,其簡易原理如圖6所示。散斑圖像可布置為白色襯底上形成黑色斑點,為了較好地匹配試驗件表面變形點,斑點尺寸一般至少包括3~4個像素,圖7為典型的金屬材料動態拉伸應變測試應用。

利用光學技術的應變測量方法還包括視頻伸長計方法,通過在試樣關注部位標識兩個跟蹤點,利用圖像分析軟件跟蹤兩個標識點的移動來測試試驗件的變形,進而計算出標距段的應變,如圖8所示。此方法雖不能獲得試樣的全場變形信息,但可在關注幅面中任意設置測量的標距位置,且計算效率更高,也常用于金屬材料的動態拉伸應變測試。

DIC測量系統一般由CCD高速相機、照明光源、圖像采集系統等組成,并配套非接觸圖像分析軟件進行變形數據的分析。由于非接觸測量原理與構成元素的復雜性,在試驗環境、外部振動、光源條件、圖像質量、數據算法等方面都有可能引入測量誤差,工程應用中可通過提高硬件設備的性能提升測試精度,如使用變焦放大鏡頭、準確度更高的CCD高速相機,也可通過運用精度更高的匹配、檢測算法,或實現硬件和軟件算法最優化匹配等措施實現試樣動態拉伸應變的高精度測試。

材料的動態失效過程熱耗散測試

金屬材料動態拉伸破壞過程持續時間一般在毫秒甚至微秒量級,試樣失效過程中會導致材料內部急劇升溫,并以熱耗散形式對外釋放。金屬材料的動態加載過程往往伴隨著應變強化、應變率效應和熱耗散效應的同時作用,這些因素相互競爭,對材料的動態力學行為有著耦合影響,熱耗散測試是金屬材料動態拉伸試驗的一項重要內容。

紅外攝像技術由于快速直觀、非接觸等特點被應用于多個領域。紅外攝像進行非接觸測溫的核心工具為紅外攝像儀,目標物體對外輻射的紅外線被攝像儀鏡頭捕捉,經過光柵等光學系統,進而被熱像儀的探測系統吸收,經過計算機數據處理后,可把光學信號轉變為紅外熱像圖,其工作原理如圖9所示。

在某金屬材料動態拉伸試驗中,搭建了基于紅外熱像儀的非接觸測溫試驗系統,如圖10所示。圖11為在0.01m/s拉伸速度下試驗件斷裂位置表面溫度變化情況??梢?,在材料動態拉伸處于斷裂狀態時,試驗件溫度耗散達到最大值。圖12為試驗件在不同加載速度下斷裂時的表面溫度,可看出隨著加載速度的提高,試驗件斷裂時的表面溫度也逐漸增加。

 

     金屬材料的中低應變率動態力學性能是進行結構抗沖擊設計和分析的重要輸入數據,在飛機抗外物沖擊及適墜性、汽車碰撞安全等軍民領域具有共性的研究需求。

基于高速液壓伺服試驗機的金屬材料動態拉伸試驗是獲得中低應變率力學性能的主要手段。目前經過國內外學者大量卓有成效的研究工作,解決了動態載荷測試、動態應變測試及熱耗散測試、試驗數據處理及本構表征等多項關鍵試驗技術,并在工程實際中獲得了較好的應用。

結合工程應用以及新技術的發展,后續仍需在以下方面加強技術研究,進一步細化實踐應用。

(1)針對不同對象材料發展適用的試驗方法。我們介紹的試驗方法對于具有彈塑性特征的金屬材料具有較好適用性,然而對于復合材料、含能材料、超軟/超脆材料等其他材料的適用性則有待實踐和驗證,可預見的是在非接觸變形測試、熱耗散測試等方面均可有所借鑒,但在試驗件設計及其加載形式、動態載荷測試、本構方程表征等方面須結合實際進行新方法探索。

(2)針對不同研究和應用場景揭示材料的動態變形和失效規律。在金屬材料的中低應變率動態力學性能研究方面,目前主要集中于其試驗方法和宏觀本構表征,對于材料的細觀動態失效物理機制,以及考慮復雜狀態(如高低溫、復雜應力)下的單一或耦合條件下的材料動態力學行為需要進一步在實踐中摸索積累。

(3)針對應用需求持續形成標準、規范等成果。圍繞持續構建普適性試驗方法和流程的需求,進一步形成標準化的測試規范,結合大量試驗數據積累的基礎上,開發各類材料的動態力學性能數據庫,形成面向現實使用的手冊和軟件工具等成果。

 

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