聚丙烯(PP)適于制作一般機械零件、耐腐蝕零件和絕緣零件。近年來，越來越多汽車制造商選擇PP作為汽車保險杠、防擦飾條、門內柱及車門護板等汽車部件。在汽車進行結構設計、選材過程中，需要對汽車碰撞過程進行模擬，而車用材料在不同應變速率下的應力－應變曲線是汽車碰撞模擬成功的關鍵。材料在高應變速率下的應力－應變曲線常由高速拉伸試驗機測得，而目前高速拉伸測試面臨很多問題，如載荷震蕩嚴重、慣性力影響、系統阻尼比(ζ)較小等。這些因素都嚴重影響高速拉伸測試的準確性。而解決這些問題的方法之一是選擇合適類型的樣條。目前國際上關于高速拉伸測試的樣條的類型并沒有統一，也沒有相關資料進行研究?，F選取3種不同類型的樣條，研究樣條的類型對汽車用PP在不同應變速率下測試結果的影響。

試驗部分

Experimental part

1.1 試驗設備參數與樣條類型

國高材分析測試中心高應變率測試系統

設備參數： 拉伸速度 0.01~12. 00m/s , 最大 載荷 25 kN , 可測試溫度-40~150℃ 。

應變測量方式：橫梁位移或非接觸式引伸計。

樣條類型： GB1040—20061A 樣條、 1BA 樣 條 、 S3A樣條 。

1.2 不同應變速率下的應力－應變測試

通常材料在0.01，0.10，1.00，10.00，100.00s^-1下的應力－應變曲線是計算機輔助工程(CAE)模擬分析所必需的。然而制備成不同類型樣條的材料在不同應變速率下反應的力學行為是不同的。針對這種情況，選取1BA，1A，S3A樣條進行在0.01，0.10，1.00，10.00，100.00s^-1的應變速率進行試驗，研究不同樣條類型PP樣條在不同應變速率下動態力學行為。測試曲線如圖1~3所示。

圖1 1A樣條應力－應變曲線

圖2 1BA樣條應力－應變曲線

圖3 S3A樣條應力－應變曲線

由圖1~3可以看出，雖然測試的是同一種PP,但由于采用了不同類型的樣條測試，使得應力－應變曲線相差很大。本試驗將詳細從ζ、載荷震蕩幅度、載荷加載速度以及斷裂伸長率分布來分析樣條類型對車用PP拉伸測試的影響。

分析與討論

Analysis and discussion

2.1 樣條類型對高速拉伸測試系統ζ的影響

本試驗采用3種樣條——1A,1BA,S3A樣條進行測試，計算出高速拉伸測試儀測試3種樣條時的ζ，結果1A,1BA,S3A樣條ζ(ζ1A,ζ1BA,ζS3A)分別為0.04,0.06,0.03。

可見，采用1A,1BA,S3A樣條進行測試時，發現ζS3A小于ζ1A,ζ1A小于ζ1BA,當采用1BA樣條進行測試時，系統ζ最大，在高速拉伸測試中載荷收斂較快，達到穩態時間越短，可以很大程度上避免力的震蕩，測試效果最佳。

2.2樣條類型對載荷的影響

2.2.1樣條類型對載荷震蕩的影響

在進行高速拉伸測試時，載荷的數據震蕩現象是中高應變率試驗普遍存在的問題，因為載荷震蕩，無法確定最大載荷，也無法準確描述在拉伸過程中載荷的變化情況，進而影響汽車結構的優化設計及選材。載荷震蕩的影響因素之一便是不合適的試件尺寸，當采用1A,1BA,S3A樣條進行高速拉伸測試時，對其載荷震蕩幅度進行評估，結果如表1所示。

表1試樣高速拉伸測試時載荷震蕩幅度

由表1可見，無論采用哪種樣條進行測試，載荷震蕩的現象都是存在的。采用1BA樣條進行測試時，載荷震蕩幅度最小，1A樣條次之，采用S3A樣條測試時載荷震蕩幅度最大。當采用S3A樣條進行應變速率為100.00s-1的測試時，載荷震蕩幅度可達552.31N，且整個測試過程中，載荷震蕩明顯。圖4為采用S3A樣條應變速率為100.00s-1時載荷隨時間的變化曲線。由圖4可見，因為其載荷震蕩過大，導致測試時很難判定樣條斷裂點，進而影響對樣品高速下拉伸性能的評估。

 

圖4 S3A樣條載荷與應變關系曲線

2.2.2樣條類型對最大載荷的影響

最大載荷可以反映出材料在特定情況下吸收能量的大小，從而間接反映材料在撞擊過程中吸收能量的能力，為選材提供重要的參數。將1A，1BA，S3A樣條進行高速拉伸測試，對其最大載荷進行評估，結果如表2所示。

表2 樣條進行測試時最大載荷(Fmax)N

由表2可以看出，采用不同樣條測試出的Fmax是不同的。設高速拉伸測試儀的精度等級為p,則其絕對誤差為p·Fnom(Fnom為高速拉伸試驗機的最大量程）。測量的絕對誤差與被測量值真實值之比稱為相對誤差(△X)[1]?！?/span>X越小，測量結果相對越準確。采用1A,1BA,S3A樣條進行應變速率為100.00,10.00,1.00,0.10,0.01s^-1測試時，相對誤差為p·Fnom/Fmax。當高速拉伸試驗機的量程以及精度等級都確定后，p·Fnom值也是確定的，影響系統相對誤差大小的因子為Fmax,Fmax越大，相對誤差越小。根據表2可知，HTM2512型高速拉伸試驗機測試1A樣條時，相對誤差最小，測試效果最佳。

2.3樣條類型對載荷加載速度的影響

載荷加載的速度可以影響測試的結果。如鋼材樣品的測試，載荷加載過快會導致彈性段數據的丟失。但在汽車用材料的高速拉伸測試中，因為要用CAE軟件模擬汽車的撞擊行為，汽車撞擊則是在瞬間受到很大的力，因此測試時載荷加載越快越好。載荷加載的快慢可以用拉伸測試所得曲線中屈服前的近直線段的斜率來表示，斜率越大，載荷加載越快。經過計算，1A,1BA,S3A樣條的高速拉伸測試所得應力－應變曲線中（圖1、圖2、圖3)屈服前近直線段的斜率相應為718.00,3910.00,1262.22。

采用1BA樣條測試時，載荷加載速度最快，S3A樣條次之。因此，當采用高速拉伸試驗機進行車用PP的高速拉伸測試時，優選1BA樣條。

2.4樣條類型對斷裂伸長率測試的影響

斷裂伸長率一直是拉伸測試關注的焦點，它可以評價材料的力學性能、反應材料的韌性。采用1A,1BA,S3A樣條進行應變速率為100.00,10.00,1.00,0.10,0.01s^-1的拉伸測試，得出斷裂伸長率如表3所示。

表3 樣條在不同應變速率下的斷裂伸長率

PP是應變敏感性材料，即斷裂伸長率隨著應變速率的增加而降低。采用1A樣條與1BA樣條測試時，得出的應變速率與斷裂伸長率的關系與此規律相符。而采用S3A樣條測試時得出的應變速率與斷裂伸長率的關系是無規律的。所以，從測試斷裂伸長率角度出發，當采用高速拉伸試驗機測試時，優選1A與1BA樣條。

結論

Conclusion

當采用高速拉伸試驗機進行車用PP測試時：a)1BA樣條測試效果相對較好，建議在條件允許的情況下，盡量不選擇S3A樣條進行高速拉伸測試；b)3種試樣載何震蕩效果上都存在缺點，高速拉伸的試樣規格需要進一步優化；c)雖然測試的是同一種材料，但是只是改變了樣條的形式，3種樣條測試得出的屈服應力有很大差異，其原因則有待進一步探索。

國高材分析測試中心高應變率測試系統

系統參數

拉伸速度：0.01~12 m/s

最大載荷：25 KN

采集頻率：~5MHz

作動器總行程：250 mm

驅動裝置：液壓伺服式驅動

測試溫度：-40～150℃

應變測量：非接觸式引伸計

（線掃相機、高速相機橫梁位移傳感器）

可輸出結果

0.01～100/s應變速率測試

-40 ℃ ～150℃范圍測試

工程應力-應變曲線

屈服應力

斷裂伸長率

斷裂強度……