4.1 中高速拉伸试验的设计

4.1.1 中高速拉伸试验的设备

为了研究材料的动态力学性能，通常是开展不同应变率下的单向拉伸试验。应变率在0.1/s～10 ² /s范围内的中高速拉伸试验多采用液压试验机（图4-2a,b）和落锤试验台（图4-2c）。液压试验机试验装置如图4-3a所示，试验时，液压系统蓄存的能量瞬间释放，作动器连着套筒达到预定速度后撞击活动连杆，带动试件变形和断裂。套筒与活动连杆撞击前，需自由移动一段距离以达到预定速度。套筒与活动连杆的撞击面一般采用楔形结构，以降低撞击时所产生的振荡。

落锤试验台进行材料中高速拉伸装置示意图如图4-3b所示，落锤试验台依靠质量块的自由下落的速度与能量对试件进行加载，使试件变形直至断裂。落锤试验台往往需要更多的空间资源，以提高试验中质量块可以达到所需要的速度。

4.1.2 中高速拉伸试验的测量方法设计

1．材料动态测试中的载荷振荡（ringing effect）现象和载荷测量方法

中高速测试过程中动态力响应的测量是材料动态力学行为测试中一个突出的技术难点。在高速拉伸试验中，液压试验机的力传感器测得的信号往往伴随着显著的振荡（如图4-4a所示），称为振铃效应（ringing effect）。信号的振荡会掩盖材料真实的力学响应，导致试验中无法准确地获得中高应变率范围内材料的真实力学特性，进而无法对材料进行准确的力学表征。

清华大学夏勇等通过分析试验过程中的系统动态响应过程，将动态试验中的载荷传递路径简化为二阶质量-弹簧-阻尼系统，在时域内分析系统固有频率和载荷信号振荡大小的关系，揭示了产生载荷振荡效应的主要原因，并借助有限元建模对载荷振荡现象的相关影响因素进行分析，并通过试验验证，提出了材料中应变率试验中抑制动态振铃效应的解决方案：载荷测量位置尽可能靠近有效测试区域，减小测量环节质量并提高测量环节刚度。具体的实现形式包括：

1）在试件的夹持段粘贴应变片测量该位置的弹性变形（如图4-4b所示），根据预先标定的转换系数计算材料承受的真实动态载荷，此做法需要在每个试样测试之前粘贴应变片并进行标定，试验成本较高。

2）采用集成了试件夹持和载荷测量功能的高刚度轻质动态拉伸力传感器（图4-4c，见彩插），可以在材料中应变率试验中重复使用，有效降低了试验成本并提高了试验效率。

2．材料动态测试中应变测量方法

材料拉伸测试中常采用激光引伸计、应变片和数字图像相关法（DIC）来测量试件的应变。由于激光引伸计和应变片不适用于高速拉伸试验中大变形和材料断裂特性的测量，在高速测试中应变测量采用最多的是DIC方法，如图4-5所示。

通过高速摄像机连续拍摄试验过程中喷涂散斑的试件，如图4-6（见彩插）所示，DIC方法利用变形前后同一质点周围斑纹形貌的相似性，匹配计算得到变形后图像中对应于变形前图像中的点，进而获取单个点的位移信息。对整幅图像中的多个点进行匹配计算，即可获取分布于整个图像的位移场，从而计算试件的变形信息。

3．材料动态测试中试件设计

基于液压伺服高速拉伸试验机开展高速测试通常参考ISO 26203-2-2011测试标准。高速拉伸测试典型试件形状和尺寸如图4-7所示，试件的平行段的长度 L _c 、标距 L _e 、宽度 b _o 、厚度 a _o 、夹持段宽度 b _k 以及过渡圆弧 r 应满足以下要求：

L _o /b _o ≥2

L _c ≥ L _o + b _o / 2

b _o /a _o ≥2

b _o /b _k ≤0.5

r ≥10mm

如采用在试件上粘贴应变片的方法来进行作用力的测量时，试样尺寸的设计应注意预留应变片粘贴区域。测力区域应位于试样固定端，且必须保证在试样变形过程中仅发生弹性变形。建议不同应变速率试验，包括低应变速率，均使用同一几何形状与尺寸的试样，减小试样尺寸效应对测试结果的影响。