高应变速率和准静态力学拉伸性能有什么不同？如何准确选择测试设备？

国高材高分子材料产业创新中心 2024年3月28日浏览：1455

基于高速液压伺服试验机的材料动态拉伸试验是获得中低应变率力学性能的主要手段，但如何获得材料的动态拉伸载荷、动态应变，以及失效过程的热耗散数据是试验测试的关键。就像飞机在服役过程中结构可能会遭受鸟撞、应急坠撞等冲击载荷的作用，如飞机机头和机翼结构是飞鸟、冰雹等外来物冲击的密切关注部位，飞机机体下部结构则需进行抗坠撞设计以提高其适坠性。飞机结构在冲击载荷作用下，材料的力学行为相较准静态加载需考虑应变率效应的影响，即随着加载应变率的提高，材料往往呈现出一定的应变率敏感性。以往研究表明，高强度材料的强度极限和失效应变等参数随着应变率的提高会发生显著变化，因此，为准确进行飞机结构的抗冲击设计和分析，需通过试验手段获得材料的动态力学性能参数。

一般而言，应变率范围10-1s-1～103s-1为中低应变率状态，处于该范围左右两端之外的则分别为准静态和高应变率状态。需要说明的是在不同的应变率范围，需匹配不同的试验设备进行力学性能测试，如图1所示，如准静态范围一般通过常规的静态试验机，中低应变率范围则一般通过高速液压伺服试验机，而高应变率范围则一般采用霍普金森杆试验装置。相较而言，中低应变率范围内的材料动态力学性能测试方法尚没有准静态和高应变率下的测试方法成熟，主要体现为基于高速液压伺服试验机的材料中低应变率动态拉伸试验相对较少，在关键试验参数测试、试验数据处理等方面有待进一步形成共识。

图1 典型材料在不同应变率范围的试验装置

高速拉伸试验机

霍普金森杆

材料的动态应变测试

材料力学性能试验中应变测试的常规方法包括应变电测法和引伸计测量方法。但受限于常规应变片使用量程的限制，无法测量材料的塑性变形全过程。而材料动态拉伸试验为瞬态破坏过程，传统机械引伸计易发生损坏也不适用。因此，在材料动态拉伸试验中，常规的接触式应变测试手段无法适用。

数字图像相关方法（digital image correlation， DIC）是应用计算机视觉技术的一种光学测量方法，因操作简单、精度高，可在非接触条件下进行全场变形测量等特点，在试验力学领域已获得越来越广泛的应用。考虑不同的应用场景，非接触应变测试可分为基于灰度匹配和基于特征匹配等方法。其中，基于灰度匹配的测量原理是由图像采集装置记录被测物体位移或变形前后的两幅散斑图，经模数转换得到两个数字灰度场，对数字灰度场做相关运算，找到相关系数极值点，得到相应的位移或变形，再经过适当的数值差分计算获得试样表面的位移场和应变场，其简易原理如图2所示。散斑图像可布置为白色衬底上形成黑色斑点，为了较好地匹配试验件表面变形点，斑点尺寸一般至少包括3～4个像素，图3为典型的材料动态拉伸应变测试应用。