金屬材料的中低應變率動態(tài)拉伸試驗方法研究與應用

白春玉 葛宇靜 惠旭龍 劉小川 楊強 張宇

摘要：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變率力學性能的主要手段，但如何獲得材料的動態(tài)拉伸載荷、動態(tài)應變，以及失效過程的熱耗散數(shù)據(jù)是試驗測試的關鍵。本文總結了金屬材料的中低應變率動態(tài)拉伸試驗方法，編制了可視化試驗數(shù)據(jù)處理軟件，提高了試驗數(shù)據(jù)處理效率。應用本文方法獲得了2024-T42、2A16-O兩類典型金屬材料的動態(tài)本構參數(shù)，并對下一步技術發(fā)展進行了展望。

關鍵詞：中低應變率；動態(tài)本構表征；非接觸測試；熱耗散；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：O347文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.004

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(tài)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(xiàn)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(shù)隨著應變率的提高會發(fā)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(tài)力學性能參數(shù)[1]。

一般而言，應變率范圍10-1s-1～103s-1為中低應變率狀態(tài)，處于該范圍左右兩端之外的則分別為準靜態(tài)和高應變率狀態(tài)。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(tài)范圍一般通過常規(guī)的靜態(tài)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(tài)力學性能測試方法尚沒有準靜態(tài)和高應變率下的測試方法成熟，主要體現(xiàn)為基于高速液壓伺服試驗機的材料中低應變率動態(tài)拉伸試驗相對較少，在關鍵試驗參數(shù)測試、試驗數(shù)據(jù)處理等方面有待進一步形成共識。

本文以高速液壓伺服試驗機為試驗平臺，重點針對金屬材料的動態(tài)拉伸載荷高精度測試、動態(tài)變形和熱耗散的非接觸測試等方面進行了總結，編制了可視化試驗數(shù)據(jù)處理軟件，提高了試驗數(shù)據(jù)處理效率，應用本文方法獲得了2024-T42、2A16-O兩類典型金屬材料的動態(tài)本構參數(shù)。最后，對金屬材料中低應變率動態(tài)拉伸試驗下一步技術發(fā)展進行了展望。

1試驗設備及試驗過程

本文研究采用的試驗平臺為高速液壓伺服試驗機，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(tài)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(tǒng)和水冷機等構成，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(xiàn)不同理論應變率的動態(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)應變率103s-1的動態(tài)測試。

2試驗測試方法

2.1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構的模態(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[2-5]。因此，如何精確測試材料動態(tài)拉伸過程的載荷數(shù)據(jù)是一項關鍵技術。

人們進行了多種嘗試以獲得精確的材料動態(tài)拉伸載荷數(shù)據(jù)，如學者們提出了對測試載荷數(shù)據(jù)進行光滑平均或數(shù)字濾波等處理方法以獲得載荷數(shù)據(jù)[6-7]，但此類方法對于振蕩幅度小的測試數(shù)據(jù)可獲得比較好的效果，但對于振蕩幅度大的測試數(shù)據(jù)則存在真實信號的誤處理風險。H. Huh[8]從減少試驗夾持工裝自身重量和提高其剛度出發(fā)，通過對試驗機夾持工裝和試驗件進行改進設計，使試驗系統(tǒng)頻響提高，有效緩解了載荷傳感器測試數(shù)據(jù)的振蕩問題。O.Ramzi[9]將高速液壓伺服試驗機的載荷傳感器替換成均勻桿，對該桿三個位置的應變測量信號進行離散傅里葉變換，應用波分離技術在頻域內對測試信號進行處理，提出了一種BCGO拉伸載荷測試方法，同樣解決了載荷的振蕩問題。Kussmal等[10]使用鋁阻尼器的塑性變形來減少載荷振蕩，但該方式降低了應變率，且對于選用何種規(guī)格的阻尼材料更為有效也很難得出統(tǒng)一結論。

需要說明的是，以上方法雖對于改善測試載荷的振蕩問題均具有一定作用，但存在改造工作量大、難以標準化等問題。為此，學者們[11-14]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(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[15]。

2.2材料的動態(tài)應變測試

材料力學性能試驗中應變測試的常規(guī)方法包括應變電測法和引伸計測量方法。但受限于常規(guī)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(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)的接觸式應變測試手段無法適用。

數(shù)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[16-24]。

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(shù)轉換得到兩個數(shù)字灰度場，對數(shù)字灰度場做相關運算，找到相關系數(shù)極值點，得到相應的位移或變形，再經過適當?shù)臄?shù)值差分計算獲得試樣表面的位移場和應變場[25]，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[26-28]，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(tài)拉伸應變測試。

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成元素的復雜性，在試驗環(huán)境、外部振動、光源條件、圖像質量、數(shù)據(jù)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(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)拉伸應變的高精度測試。

2.3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(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[29-31]，童心[32]指出受到紅外熱像儀響應時間相對較慢制約，在材料動態(tài)力學性能研究方面多適用于低、中應變率試驗，紅外攝像測溫更多應用于材料的疲勞試驗研究中，如Luong[33]指出紅外熱像作為一種無損的實時監(jiān)測技術，不僅能夠確定材料疲勞損傷的位置和演化過程，而且能夠觀察損傷和破壞的物理過程，能夠監(jiān)測內耗的發(fā)生。Chrysochoos通過數(shù)字圖像相關與紅外熱像法相結合對鋼材的疲勞過程進行研究，獲得了材料疲勞試驗中的應變能和熱耗散能量[34]。

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(tǒng)，進而被熱像儀的探測系統(tǒng)吸收，經過計算機數(shù)據(jù)處理后，可把光學信號轉變?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。可見，在材料動態(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。

3試驗數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)分析軟件編制

金屬材料的中低應變率動態(tài)拉伸試驗數(shù)據(jù)處理有以下幾個方面需給予關注。

（1）不同的測試設備采集數(shù)據(jù)時間尺度和起始狀態(tài)的統(tǒng)一

在金屬材料動態(tài)拉伸試驗中，通過應變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)間接獲得動態(tài)拉伸載荷，通過基于高速攝像機的非接觸變形測試系統(tǒng)獲得動態(tài)拉伸應變，通過基于紅外攝像儀的非接觸測溫系統(tǒng)獲得試樣熱耗散數(shù)據(jù)。為達到最優(yōu)的試驗測試狀態(tài)，往往需匹配不同的試驗采集參數(shù)（如采樣頻率、信號觸發(fā)方式等），因此，一般通過數(shù)據(jù)插值的方式將不同測試手段的數(shù)據(jù)進行時間采集尺度的統(tǒng)一，如可將測試數(shù)據(jù)按照采樣率最高的信號進行統(tǒng)一。其次，受限于測試硬件設備的限制，高速動態(tài)拉伸試驗有效的采集試驗數(shù)據(jù)點十分有限，如加載起始點的判斷偏離幀數(shù)會對結果產生較大的影響，則需基于金屬材料彈性段數(shù)據(jù)不受加載速率影響的前提條件進行統(tǒng)一截取，如一般以彈性極限強度及其對應的應變?yōu)闇式厝∑鹗键c。

（2）試驗干擾信號的數(shù)字濾波處理

在試驗過程中，受電磁干擾、環(huán)境振動、光源信號干擾、不同測試通道間的串擾等因素影響，測試信號中不可避免地會混雜干擾信號，需對測試數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理。總體而言，數(shù)字濾波的主要原則為濾波方法選擇低通截止濾波，推薦使用Butterworth濾波方法；在目前尚無動態(tài)拉伸數(shù)據(jù)處理規(guī)范情形下，濾波截止頻率等參數(shù)的選擇應遵循濾波后的數(shù)據(jù)總體未偏離原始數(shù)據(jù)，在原始數(shù)據(jù)的振蕩包線以內。

（3）材料的率相關動態(tài)本構模型表征

進行金屬材料動態(tài)力學性能測試的主要目的之一為構建其動態(tài)本構模型，為結構碰撞數(shù)值仿真分析提供基礎的材料參數(shù)。適用于金屬材料的動態(tài)本構模型主要包括Johnson-Cook模型、Cowper-Symonds模型、Bodner-Paton模型和Zerrilli-Armstrong模型等，國內外學者基于上述模型還提出了諸多修正模型，構建了金屬材料的多種動態(tài)本構方程[35-39]。

總體而言，這些模型一般是基于試驗數(shù)據(jù)的經驗擬合，通過對應變率相關項和溫度相關項的解耦構建經驗式的本構模型，在模型的適用性評估上要兼顧其模擬精準度和表征簡便性，Johnson-Cook模型就是經實踐證明具有一定通用性的金屬材料動態(tài)本構模型。

（4）解決試驗數(shù)據(jù)處理工作量大、規(guī)范性差問題

盡管金屬材料動態(tài)拉伸試驗數(shù)據(jù)的處理方法和流程并非技術難點，但其處理過程涉及試驗件初始尺寸信息確認、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)插值、本構參數(shù)表征等多個環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)處理工作量相對較為繁瑣，且數(shù)據(jù)處理過程中面臨多個數(shù)據(jù)接口，不利于規(guī)范性操作。

為此，中國飛機強度研究所研發(fā)了材料中低應變率數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)，該專用軟件涵蓋了試驗初始信息導入、應力—應變計算、應變率計算、真實應力—塑性應變的截取以及動態(tài)本構方程表征等功能。軟件采用了模塊化設計思想進行開發(fā)，此專用軟件既提高了試驗數(shù)據(jù)處理的效率，又使處理數(shù)據(jù)的流程達到了規(guī)范化。

4典型應用案例

應用本文介紹的方法開展了2024-T42鋁合金的動態(tài)拉伸試驗研究[40]，圖13為其Johnson -Cook本構模型的擬合結果，擬合的本構參數(shù)分別為：A = 293.7，B = 737.4，n = 0.582，C = 0.00376。

國內外學者在現(xiàn)有動態(tài)本構模型的基礎上提出了修正模型，可對金屬材料的動態(tài)力學行為進行更合適的表征，如Kang提出了采用指數(shù)表達式進行Johnson-Cook本構模型中應變率敏感項的修正形式[41]：

5結束語

金屬材料的中低應變率動態(tài)力學性能是進行結構抗沖擊設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變率力學性能的主要手段。經過國內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)應變測試及熱耗散測試、試驗數(shù)據(jù)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。

結合工程應用和學術研究的需求，以及新技術的發(fā)展，后續(xù)仍需進一步細化、完善本方向研究體系，在以下方面仍須加強技術研究：

（1）針對不同對象材料發(fā)展適用的試驗方法。本文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(tài)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(tài)變形和失效規(guī)律。在金屬材料的中低應變率動態(tài)力學性能研究方面，當前研究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(tài)失效物理機制，以及考慮復雜狀態(tài)（如高低溫、復雜應力）下的單一或耦合條件下的材料動態(tài)力學行為研究相對欠缺。

（3）針對工程應用需求持續(xù)形成標準、規(guī)范等成果。圍繞持續(xù)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(guī)范，結合大量試驗數(shù)據(jù)積累的基礎上，開發(fā)各類材料的動態(tài)力學性能數(shù)據(jù)庫，形成面向工程使用的手冊和軟件工具等成果。

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（責任編輯陳東曉）

作者簡介

白春玉（1984-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：結構沖擊動力學。

Tel：029-88268610E-mail：baichunyu2006@163.com

葛宇靜（1989-）女，碩士，工程師。主要研究方向：結構沖擊動力學。

Tel：029-88268285

E-mail：yujingge623@163.com

惠旭龍（1989-）男，碩士，工程師。主要研究方向：結構沖擊動力學。

Tel：029-88268285

E-mail：742839400@qq.com

劉小川（1983-）男，博士，研究員。主要研究方向：結構沖擊動力學。

Tel：029-88268805

E-mail：liuxiaochuan@cae.ae.cn

楊強（1987-）男，碩士，工程師。主要研究方向：結構沖擊動力學。

Tel：029-88268287

E-mail：yqiang1230@163.com

張宇（1994-）男，碩士，助理工程師。主要研究方向：結構沖擊動力學。

Tel：029-88268287

E-mail：305869212@qq.com

Research and Application of Dynamic Tensile Test Method for Metal Materials at Intermediate and Low Strain Rates

Bai Chunyu*，Ge Yujing，Xi Xulong，Liu Xiaochuan，Yang Qiang，Zhang Yu

Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structural Impact Dynamics，AVIC Aircraft Strength Research Institute，Xian 710065，China

Abstract： The mechanical properties of metallic materials were obtained at low and intermediate strain rates using a high-speed hydraulic servo testing machine. It is important to measure the dynamic loading and strain data as well as the heat dissipation during failure process. This study investigates the dynamic tensile test methods of metal materials at low and intermediate strain rates. A visual test data processing software was developed to improve the processing efficiency of test data. The constitutive parameters of 2024-T42 and 2A16-O aluminum alloy materials were obtained at dynamic loading rate. Finally， the development of dynamic testing and measurement technologies are prospected.

Key Words： low and intermediate strain rates； dynamic constitutive characterization； non-contact test； thermal dissipation； data processing