試驗設(shè)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(huán)/閉環(huán)協(xié)調(diào)高精度控制、加載重復性高等特點，是獲取材料的中低應(yīng)變率動態(tài)力學性能的常用試驗設(shè)備，一般由試驗機臺架、液壓動力源、控制系統(tǒng)和水冷機等構(gòu)成，其中試驗機臺架由作動缸、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)拉伸試驗過程為：（1）試驗前將試驗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)夾持夾具進行預緊，使試驗件和動態(tài)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(fā)生干涉和卡滯；（2）設(shè)置試驗控制和采集系統(tǒng)參數(shù)，如控制方式、作動缸目標加載速率、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）作動缸運動至最低位置，隨后向上運動加速到目標速率后動態(tài)夾持夾具瞬間釋放側(cè)向抱緊試驗件，實現(xiàn)試驗件隨動恒速率拉伸，并在試驗件受到拉伸前觸發(fā)試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

金屬材料動態(tài)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(tài)夾持段、試驗段和動態(tài)夾持段構(gòu)成，其中，理論應(yīng)變率為加載速率與試驗段長度的比值，可匹配試驗段的長度實現(xiàn)不同理論應(yīng)變率的動態(tài)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(xiàn)應(yīng)變率103s-1的動態(tài)測試。

材料的動態(tài)載荷測試

試驗機自帶的載荷傳感器可測試試樣動態(tài)拉伸過程的載荷，但當加載應(yīng)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(xiàn)振蕩，這主要是因為在動態(tài)加載的瞬態(tài)激勵作用下，激起由試驗件、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，導致試驗件動態(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)是一項關(guān)鍵技術(shù)。為此，學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)拉伸試驗前，先通過靜態(tài)加載試驗獲得試驗件靜態(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）與拉伸載荷的標定系數(shù)，如圖4所示，在動態(tài)拉伸試驗中，以此標定試驗件動態(tài)拉伸過程的載荷數(shù)據(jù)。試驗中需關(guān)注以下方面：（1）進行合理的試驗件尺寸設(shè)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(tài)；（2）標定試驗前需進行準靜態(tài)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(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(yōu)點，具有較強的實際工程應(yīng)用價值。目前已形成了金屬材料動態(tài)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(tài)載荷測試。

材料的動態(tài)應(yīng)變測試

材料力學性能試驗中應(yīng)變測試的常規(guī)方法包括應(yīng)變電測法和引伸計測量方法。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)拉伸試驗為瞬態(tài)破壞過程，傳統(tǒng)機械引伸計易發(fā)生損壞也不適用。因此，在金屬材料動態(tài)拉伸試驗中，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)用計算機視覺技術(shù)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(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)運算，找到相關(guān)系數(shù)極值點，得到相應(yīng)的位移或變形，再經(jīng)過適當?shù)臄?shù)值差分計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，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(tài)拉伸應(yīng)變測試應(yīng)用。

利用光學技術(shù)的應(yīng)變測量方法還包括視頻伸長計方法，通過在試樣關(guān)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(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)置測量的標距位置，且計算效率更高，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、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)成元素的復雜性，在試驗環(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?qū)崿F(xiàn)硬件和軟件算法最優(yōu)化匹配等措施實現(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)拉伸試驗的一項重要內(nèi)容。

紅外攝像技術(shù)由于快速直觀、非接觸等特點被應(yīng)用于多個領(lǐng)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(jīng)過光柵等光學系統(tǒng)，進而被熱像儀的探測系統(tǒng)吸收，經(jīng)過計算機數(shù)據(jù)處理后，可把光學信號轉(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)拉伸試驗中，搭建了基于紅外熱像儀的非接觸測溫試驗系統(tǒng)，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?？梢姡诓牧蟿討B(tài)拉伸處于斷裂狀態(tài)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(yīng)變率動態(tài)力學性能是進行結(jié)構(gòu)抗沖擊設(shè)計和分析的重要輸入數(shù)據(jù)，在飛機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機的金屬材料動態(tài)拉伸試驗是獲得中低應(yīng)變率力學性能的主要手段。目前經(jīng)過國內(nèi)外學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、試驗數(shù)據(jù)處理及本構(gòu)表征等多項關(guān)鍵試驗技術(shù)，并在工程實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技術(shù)研究，進一步細化實踐應(yīng)用。

（1）針對不同對象材料發(fā)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(shè)計及其加載形式、動態(tài)載荷測試、本構(gòu)方程表征等方面須結(jié)合實際進行新方法探索。

（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)力學性能研究方面，目前主要集中于其試驗方法和宏觀本構(gòu)表征，對于材料的細觀動態(tài)失效物理機制，以及考慮復雜狀態(tài)（如高低溫、復雜應(yīng)力）下的單一或耦合條件下的材料動態(tài)力學行為需要進一步在實踐中摸索積累。

（3）針對應(yīng)用需求持續(xù)形成標準、規(guī)范等成果。圍繞持續(xù)構(gòu)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(guī)范，結(jié)合大量試驗數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，開發(fā)各類材料的動態(tài)力學性能數(shù)據(jù)庫，形成面向現(xiàn)實使用的手冊和軟件工具等成果。