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(tái)，其具有恒速率作動(dòng)（作動(dòng)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(dòng)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(tái)架、液壓動(dòng)力源、控制系統(tǒng)和水冷機(jī)等構(gòu)成，其中試驗(yàn)機(jī)臺(tái)架由作動(dòng)缸、動(dòng)態(tài)夾持夾具、靜態(tài)夾持夾具、測(cè)力傳感器等構(gòu)成，如圖2所示。

材料動(dòng)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(duì)安裝于作動(dòng)缸末端的動(dòng)態(tài)夾持夾具進(jìn)行預(yù)緊，使試驗(yàn)件和動(dòng)態(tài)夾持夾具保持接近貼合，且作動(dòng)缸上下運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)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(dòng)缸運(yùn)動(dòng)至最低位置，隨后向上運(yùn)動(dòng)加速到目標(biāo)速率后動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)度的比值，可匹配試驗(yàn)段的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)不同理論應(yīng)變率的動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)，如試驗(yàn)件試驗(yàn)段長(zhǎng)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(dòng)態(tài)測(cè)試。

材料的動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試

試驗(yàn)機(jī)自帶的載荷傳感器可測(cè)試試樣動(dòng)態(tài)拉伸過程的載荷，但當(dāng)加載應(yīng)變率大于10s-1時(shí)，載荷傳感器測(cè)試的信號(hào)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?dòng)態(tài)加載的瞬態(tài)激勵(lì)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(dòng)特性耦合到測(cè)試信號(hào)中，導(dǎo)致試驗(yàn)件動(dòng)態(tài)拉伸載荷信號(hào)失真。因此，如何精確測(cè)試材料動(dòng)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(dòng)態(tài)拉伸載荷的間接測(cè)試方法，其主要思路為在動(dòng)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(hào)（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(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)中，以此標(biāo)定試驗(yàn)件動(dòng)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(cè)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(dòng)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(cè)試具有操作簡(jiǎn)便、測(cè)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(jià)值。目前已形成了金屬材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（ISO26203-2），推薦采用該方法進(jìn)行金屬材料的動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試。

材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試

材料力學(xué)性能試驗(yàn)中應(yīng)變測(cè)試的常規(guī)方法包括應(yīng)變電測(cè)法和引伸計(jì)測(cè)量方法。但受限于常規(guī)應(yīng)變片使用量程的限制，無法測(cè)量金屬材料的塑性變形全過程。而材料動(dòng)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(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)中，常規(guī)的接觸式應(yīng)變測(cè)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(cè)量方法，因操作簡(jiǎn)單、精度高，可在非接觸條件下進(jìn)行全場(chǎng)變形測(cè)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(chǎng)景，非接觸應(yīng)變測(cè)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(cè)量原理是由圖像采集裝置記錄被測(cè)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(gè)數(shù)字灰度場(chǎng)，對(duì)數(shù)字灰度場(chǎng)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(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)，其簡(jiǎn)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(gè)像素，圖7為典型的金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變測(cè)試應(yīng)用。

利用光學(xué)技術(shù)的應(yīng)變測(cè)量方法還包括視頻伸長(zhǎng)計(jì)方法，通過在試樣關(guān)注部位標(biāo)識(shí)兩個(gè)跟蹤點(diǎn)，利用圖像分析軟件跟蹤兩個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的移動(dòng)來測(cè)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(chǎng)變形信息，但可在關(guān)注幅面中任意設(shè)置測(cè)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(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變測(cè)試。

DIC測(cè)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(cè)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(dòng)、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(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)變的高精度測(cè)試。

材料的動(dòng)態(tài)失效過程熱耗散測(cè)試

金屬材料動(dòng)態(tài)拉伸破壞過程持續(xù)時(shí)間一般在毫秒甚至微秒量級(jí)，試樣失效過程中會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部急劇升溫，并以熱耗散形式對(duì)外釋放。金屬材料的動(dòng)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(shí)作用，這些因素相互競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為有著耦合影響，熱耗散測(cè)試是金屬材料動(dòng)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(gè)領(lǐng)域。紅外攝像進(jìn)行非接觸測(cè)溫的核心工具為紅外攝像儀，目標(biāo)物體對(duì)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(cè)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(hào)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(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)中，搭建了基于紅外熱像儀的非接觸測(cè)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(dòng)態(tài)拉伸處于斷裂狀態(tài)時(shí)，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(shí)的表面溫度，可看出隨著加載速度的提高，試驗(yàn)件斷裂時(shí)的表面溫度也逐漸增加。

     金屬材料的中低應(yīng)變率動(dòng)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(dòng)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(guó)內(nèi)外學(xué)者大量卓有成效的研究工作，解決了動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試、動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試及熱耗散測(cè)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(duì)不同對(duì)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(duì)于具有彈塑性特征的金屬材料具有較好適用性，然而對(duì)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(cè)試、熱耗散測(cè)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(dòng)態(tài)載荷測(cè)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(duì)不同研究和應(yīng)用場(chǎng)景揭示材料的動(dòng)態(tài)變形和失效規(guī)律。在金屬材料的中低應(yīng)變率動(dòng)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(duì)于材料的細(xì)觀動(dòng)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(dòng)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(duì)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(cè)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(dòng)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(cè)和軟件工具等成果。