金属材料高应变速率拉伸试验的应用及现状——试验设备篇

目前汽车在我国的产销量逐年增长，伴随市场竞争的加剧，车型投放得越来越多，与此同时车辆开发的速度也要求越来越快。在前期车辆研发过程中，计算机辅助分析(CAE)越来越重要，准确的材料基础数据也成为各个研发单位的迫切需求。 

目前静态测试从试验设备到试验规范都比较完善和成熟，试验室间的比对试验结果差异很小。但高速拉伸试验无论从试验设备还是试验标准方面，都还有相当大的改善空间，试验室间的比对试验结果也不理想。

造成这种差异的原因主要有以下几点：

• 其一为试验设备没有规范，目前的试验设备从软件到硬件，从夹具到传感器等都没有统一的标准；
• 其二没有详尽的试验规范可以参考，试验室间也还没有依据现有规范进行充分的对比测试；
• 其三为试验数据的处理，由于动态测试的特殊性，导致了得到的材料曲线具有别于静态曲线的特征，例如最为明显的震荡特征。 

金属材料在不同应变速率下，力学性能表现不同，因此统一的高速拉伸测试就显得尤为重要。本文将就以上几方面，结合日常试验实际情况进行详尽的介绍。

试验设备

高速拉伸试验机的厂家国内目前还没有，仅有少数几家研发单位自主开发了杆式或其他类型的高速拉伸试验系统，其应用范围也仅限于内部。国外大的试验设备供应商有提供此类设备，例如:英斯特朗，兹韦克等。

1、试验速度加载

金属材料的高速拉伸试验机与静态试验机的不同之处有两点:其一此类高速拉伸不能采用应变或应力控制，只能采用位移控制;其二高速拉伸试验机一般在1m·s－1以内是闭环控制，大于1m·s－1的时候只能是开环控制，所以在试样夹紧的瞬间，速度会下降，导致其拉伸速度的控制精度远没有静态试验机的那么高。 

为了解决这一问题，设备供应商在控制软件方面增加了迭代计算功能，在首次试验之后，软件会识别液压系统的驱动信号与速度目标值之间的差距，然后进行驱动信号的分段修正，下次试验过程中使用新的驱动信号，如此反复迭代计算直至达到满意的精度为止，如图1所示。 

具体的迭代算法为不同供应商的软件机密，但原理基本都是一样，依据速度的降低时间及幅度判断驱动信号的补偿时间及幅度。所以如果使用迭代的方法，加载在试样上的速度控制精度就会随着试验次数的提高而增加，与此同时带来了试验次数的增加及试验重复性的问题。 

除了迭代的方法外，还可以考虑预先输入材料参数的方法，在初期就进行驱动信号的优化，这样可以减少试验次数，并且能够快速地达到优化的效果。 

图1 迭代计算示意图

2、试验夹具及所需试样尺寸

由于试验速度快，所以在试验时需要加载装置先空载达到预设的速度，因而高应变测试的试样长度往往都是大于静态测试的。对于不能取很长试样的零件，可以采用延长杆的方式对试样进行人为的加长。同时，不同的加载方式，导致了试样的形状也各有差异，如图2所示。

图2 不同类型的试样夹具示意图

3、位移传感器

目前高速拉伸试验机配备的传感器均为线性可变差动变压器(LVDT)传感器，并据此进行速度的控制。在获取位移曲线之后，可以根据曲线的时间范围判断拉伸时的平均速度，如图3所示。 

图3 横梁速度曲线

依据位移数据可以得到整个夹具间距离的应变，但并不是试样平行段的应变。所以位移传感器的主要用途在于判断试样变形阶段的试验速度是否满足设定要求。不同厂家的高速拉伸试验机拉伸速度的精度也各不相同，且精度的范围目前标准中并没有明确规定。

4、力值传感器

高速拉伸试验机使用的均为压电式传感器，不便之处在于需要进行不同力值范围的标定。然而，尽管采用了高响应的力值传感器，在高应变的情况下，力值信号震荡仍然会逐渐加剧。试验者往往采用贴应变片的方法来消除这一现象，如图4所示，这样做可以大幅度地减小震荡。 

图4 平板试样贴应变片的示意图 

但这样每进行一个试验就要使用两片应变片，而较为经济的做法是贴在固定端的夹具上，越靠近试样越好。对于不方便贴应变片的圆柱试样也可以采用这样的处理方法。

5、应变测量设备及附件

由于位移的精度及测量的区间问题，位移数据不能用作应变数据，同时由于高应变的要求导致了传统的机械式引伸计已经不能满足要求，因此有的设备供应商开发了多普勒激光引伸计等非接触类设备。 

另外，随着数字图像相关(DIC)技术的发展，光学测量类设备逐渐应用到高速应变测试上。有的DIC软件供应商已经开发出了一体化的软件，直接在软件系统里计算应力和应变，除此之外，该类软件还可以具有无接触、随意定义标距、输出云图、随时处理等传统引伸计不能提供的功能，如图5所示。 

图5 DIC技术应用示例

但对环境温度有要求的试验，该类设备由于需要透过玻璃拍摄照片，会存在像素畸变等问题。

6、软件

对于高速拉伸试验机的软件，一般分为三部分:其一为控制软件，主要用来控制设备的运行；其二为校准软件，用来对输出试验文件进行校准，例如压电式传感器的分段标定文件，速度的标定文件等；其三为处理软件，主要用来处理试验结果。 

对于控制软件，主要是试验速度的控制，由于各个厂家采用的迭代算法不同，导致了速度控制上的差异;对于处理软件，目前仅停留在滤波处理，数据转换，输出等基本功能上，对于力学曲线最为重要的屈服强度、抗拉强度、延伸率等特征参数的计算机识别，该类软件都没有实现这些功能。这是由于高速拉伸应变曲线形状有震荡，需要额外的曲线优化导致的。对于这一部分，可以先优化曲线的形状，再进一步得到曲线的特征参数。 

和DIC技术相关的软件是图像处理软件，目前该类软件已经具备了计算静态和高速拉伸的能力。但无论哪种软件都存在原始数据的丢失和不同处理方法得到的结果不相同的问题，甚至会有较大差异，如图6所示。 

图6 不同算法得到的拟合结果

选自：《理化检验—物理分册》 Vol.54 2018.9