試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過程

我們采用高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)為試驗(yàn)平臺，其具有恒速率作動（作動缸最大加載速率可達(dá)到20m/s）、開環(huán)/閉環(huán)協(xié)調(diào)高精度控制、加載重復(fù)性高等特點(diǎn)，是獲取材料的中低應(yīng)變率動態(tài)力學(xué)性能的常用試驗(yàn)設(shè)備，一般由試驗(yàn)機(jī)臺架、液壓動力源、控制系統(tǒng)和水冷機(jī)等構(gòu)成，其中試驗(yàn)機(jī)臺架由作動缸、動態(tài)夾持夾具、靜態(tài)夾持夾具、測力傳感器等構(gòu)成，如圖2所示。

材料動態(tài)拉伸試驗(yàn)過程為：（1）試驗(yàn)前將試驗(yàn)件一端安裝固定于靜態(tài)夾持夾具，對安裝于作動缸末端的動態(tài)夾持夾具進(jìn)行預(yù)緊，使試驗(yàn)件和動態(tài)夾持夾具保持接近貼合，且作動缸上下運(yùn)動時試驗(yàn)件不與其發(fā)生干涉和卡滯；（2）設(shè)置試驗(yàn)控制和采集系統(tǒng)參數(shù)，如控制方式、作動缸目標(biāo)加載速率、數(shù)據(jù)采集頻率、數(shù)據(jù)采集觸發(fā)方式和參數(shù)等；（3）作動缸運(yùn)動至最低位置，隨后向上運(yùn)動加速到目標(biāo)速率后動態(tài)夾持夾具瞬間釋放側(cè)向抱緊試驗(yàn)件，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件隨動恒速率拉伸，并在試驗(yàn)件受到拉伸前觸發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

金屬材料動態(tài)拉伸試驗(yàn)件一般采用“狗骨”式平板試樣，如圖3所示，其由靜態(tài)夾持段、試驗(yàn)段和動態(tài)夾持段構(gòu)成，其中，理論應(yīng)變率為加載速率與試驗(yàn)段長度的比值，可匹配試驗(yàn)段的長度實(shí)現(xiàn)不同理論應(yīng)變率的動態(tài)拉伸試驗(yàn)，如試驗(yàn)件試驗(yàn)段長度為20mm，在試驗(yàn)機(jī)最大加載速率20m/s下，理論上可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變率103s-1的動態(tài)測試。

材料的動態(tài)載荷測試

試驗(yàn)機(jī)自帶的載荷傳感器可測試試樣動態(tài)拉伸過程的載荷，但當(dāng)加載應(yīng)變率大于10s-1時，載荷傳感器測試的信號在試驗(yàn)件的塑性變形階段出現(xiàn)振蕩，這主要是因?yàn)樵趧討B(tài)加載的瞬態(tài)激勵作用下，激起由試驗(yàn)件、靜態(tài)夾持夾具和傳感器三部分組合結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，造成其振動特性耦合到測試信號中，導(dǎo)致試驗(yàn)件動態(tài)拉伸載荷信號失真。因此，如何精確測試材料動態(tài)拉伸過程的載荷數(shù)據(jù)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。為此，學(xué)者們提出了金屬材料動態(tài)拉伸載荷的間接測試方法，其主要思路為在動態(tài)拉伸試驗(yàn)前，先通過靜態(tài)加載試驗(yàn)獲得試驗(yàn)件靜態(tài)夾持段的應(yīng)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(biāo)定系數(shù)，如圖4所示，在動態(tài)拉伸試驗(yàn)中，以此標(biāo)定試驗(yàn)件動態(tài)拉伸過程的載荷數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中需關(guān)注以下方面：（1）進(jìn)行合理的試驗(yàn)件尺寸設(shè)計(jì)，以保證試驗(yàn)件在拉伸失效過程中非試驗(yàn)段處于彈性變形狀態(tài)；（2）標(biāo)定試驗(yàn)前需進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸破壞測試，確定標(biāo)定試驗(yàn)載荷加載范圍，保證標(biāo)定試驗(yàn)中試驗(yàn)件不發(fā)生塑性變形。圖5為通過此方法獲得的某鋁合金的動態(tài)拉伸載荷數(shù)據(jù)。

總體而言，通過該方法進(jìn)行高速拉伸試驗(yàn)載荷測試具有操作簡便、測試精度高、易于標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)際工程應(yīng)用價值。目前已形成了金屬材料動態(tài)力學(xué)性能測試標(biāo)準(zhǔn)（ISO26203-2），推薦采用該方法進(jìn)行金屬材料的動態(tài)載荷測試。

材料的動態(tài)應(yīng)變測試

材料力學(xué)性能試驗(yàn)中應(yīng)變測試的常規(guī)方法包括應(yīng)變電測法和引伸計(jì)測量方法。但受限于常規(guī)應(yīng)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(tài)拉伸試驗(yàn)為瞬態(tài)破壞過程，傳統(tǒng)機(jī)械引伸計(jì)易發(fā)生損壞也不適用。因此，在金屬材料動態(tài)拉伸試驗(yàn)中，常規(guī)的接觸式應(yīng)變測試手段無法適用。

數(shù)字圖像相關(guān)方法（digital image correlation， DIC）是應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的一種光學(xué)測量方法，因操作簡單、精度高，可在非接觸條件下進(jìn)行全場變形測量等特點(diǎn)，在試驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域已獲得越來越廣泛的應(yīng)用。考慮不同的應(yīng)用場景，非接觸應(yīng)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(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到兩個數(shù)字灰度場，對數(shù)字灰度場做相關(guān)運(yùn)算，找到相關(guān)系數(shù)極值點(diǎn)，得到相應(yīng)的位移或變形，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)臄?shù)值差分計(jì)算獲得試樣表面的位移場和應(yīng)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(diǎn)，為了較好地匹配試驗(yàn)件表面變形點(diǎn)，斑點(diǎn)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(tài)拉伸應(yīng)變測試應(yīng)用。

利用光學(xué)技術(shù)的應(yīng)變測量方法還包括視頻伸長計(jì)方法，通過在試樣關(guān)注部位標(biāo)識兩個跟蹤點(diǎn)，利用圖像分析軟件跟蹤兩個標(biāo)識點(diǎn)的移動來測試試驗(yàn)件的變形，進(jìn)而計(jì)算出標(biāo)距段的應(yīng)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(guān)注幅面中任意設(shè)置測量的標(biāo)距位置，且計(jì)算效率更高，也常用于金屬材料的動態(tài)拉伸應(yīng)變測試。

DIC測量系統(tǒng)一般由CCD高速相機(jī)、照明光源、圖像采集系統(tǒng)等組成，并配套非接觸圖像分析軟件進(jìn)行變形數(shù)據(jù)的分析。由于非接觸測量原理與構(gòu)成元素的復(fù)雜性，在試驗(yàn)環(huán)境、外部振動、光源條件、圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)算法等方面都有可能引入測量誤差，工程應(yīng)用中可通過提高硬件設(shè)備的性能提升測試精度，如使用變焦放大鏡頭、準(zhǔn)確度更高的CCD高速相機(jī)，也可通過運(yùn)用精度更高的匹配、檢測算法，或?qū)崿F(xiàn)硬件和軟件算法最優(yōu)化匹配等措施實(shí)現(xiàn)試樣動態(tài)拉伸應(yīng)變的高精度測試。

材料的動態(tài)失效過程熱耗散測試

金屬材料動態(tài)拉伸破壞過程持續(xù)時間一般在毫秒甚至微秒量級，試樣失效過程中會導(dǎo)致材料內(nèi)部急劇升溫，并以熱耗散形式對外釋放。金屬材料的動態(tài)加載過程往往伴隨著應(yīng)變強(qiáng)化、應(yīng)變率效應(yīng)和熱耗散效應(yīng)的同時作用，這些因素相互競爭，對材料的動態(tài)力學(xué)行為有著耦合影響，熱耗散測試是金屬材料動態(tài)拉伸試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

紅外攝像技術(shù)由于快速直觀、非接觸等特點(diǎn)被應(yīng)用于多個領(lǐng)域。紅外攝像進(jìn)行非接觸測溫的核心工具為紅外攝像儀，目標(biāo)物體對外輻射的紅外線被攝像儀鏡頭捕捉，經(jīng)過光柵等光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)而被熱像儀的探測系統(tǒng)吸收，經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理后，可把光學(xué)信號轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外熱像圖，其工作原理如圖9所示。

在某金屬材料動態(tài)拉伸試驗(yàn)中，搭建了基于紅外熱像儀的非接觸測溫試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖10所示。圖11為在0.01m/s拉伸速度下試驗(yàn)件斷裂位置表面溫度變化情況?？梢?，在材料動態(tài)拉伸處于斷裂狀態(tài)時，試驗(yàn)件溫度耗散達(dá)到最大值。圖12為試驗(yàn)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(yàn)件斷裂時的表面溫度也逐漸增加。

     金屬材料的中低應(yīng)變率動態(tài)力學(xué)性能是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計(jì)和分析的重要輸入數(shù)據(jù)，在飛機(jī)抗外物沖擊及適墜性、汽車碰撞安全等軍民領(lǐng)域具有共性的研究需求。

基于高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)的金屬材料動態(tài)拉伸試驗(yàn)是獲得中低應(yīng)變率力學(xué)性能的主要手段。目前經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者大量卓有成效的研究工作，解決了動態(tài)載荷測試、動態(tài)應(yīng)變測試及熱耗散測試、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及本構(gòu)表征等多項(xiàng)關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)，并在工程實(shí)際中獲得了較好的應(yīng)用。

結(jié)合工程應(yīng)用以及新技術(shù)的發(fā)展，后續(xù)仍需在以下方面加強(qiáng)技術(shù)研究，進(jìn)一步細(xì)化實(shí)踐應(yīng)用。

（1）針對不同對象材料發(fā)展適用的試驗(yàn)方法。我們介紹的試驗(yàn)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(fù)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(shí)踐和驗(yàn)證，可預(yù)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(yàn)件設(shè)計(jì)及其加載形式、動態(tài)載荷測試、本構(gòu)方程表征等方面須結(jié)合實(shí)際進(jìn)行新方法探索。

（2）針對不同研究和應(yīng)用場景揭示材料的動態(tài)變形和失效規(guī)律。在金屬材料的中低應(yīng)變率動態(tài)力學(xué)性能研究方面，目前主要集中于其試驗(yàn)方法和宏觀本構(gòu)表征，對于材料的細(xì)觀動態(tài)失效物理機(jī)制，以及考慮復(fù)雜狀態(tài)（如高低溫、復(fù)雜應(yīng)力）下的單一或耦合條件下的材料動態(tài)力學(xué)行為需要進(jìn)一步在實(shí)踐中摸索積累。

（3）針對應(yīng)用需求持續(xù)形成標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等成果。圍繞持續(xù)構(gòu)建普適性試驗(yàn)方法和流程的需求，進(jìn)一步形成標(biāo)準(zhǔn)化的測試規(guī)范，結(jié)合大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，開發(fā)各類材料的動態(tài)力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫，形成面向現(xiàn)實(shí)使用的手冊和軟件工具等成果。