室溫下金屬圓棒試樣高應變速率拉伸試驗影響因素分析

國高材高分子材料產業創新中心

2025年12月10日 17:20

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在不同應變速率下對鑄鐵和鑄鋁圓棒試樣進行了單軸高速拉伸試驗，研究了它們的動態力學性能及斷裂情況，分析了相關因素對試驗的影響。結果表明：測試應變、應力的方法，試樣標距長度及夾持端長度等對試驗準確性和曲線振蕩程度有較大影響；使用比剛度和比強度高的夾具、短標距試樣、應變片測試應力、兩臺相機測試應變、適當增加夾持端長度可以提高試驗結果的準確性。

工程上對金屬材料的拉伸試驗通常要求應變速率在10?2～103 s?1之間。一般應變速率小于0.1 s?1時，可以在靜態試驗機上進行試驗，規范參考GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》；當應變速率大于0.1 s?1時，需要在高速拉伸試驗機上進行試驗，稱為高應變速率拉伸測試。ISO 26203-2:2011 Metallic materials — Tensile testing at high strain rates — Part 2: Servo-hydraulic and other test systems 及 GB/T 30069.2—2016對金屬板材試樣的高應變速率拉伸測試有詳細的說明，但對金屬圓棒試樣缺乏指導性規范。

機械設備結構件多為鑄件，其力學性能關系到產品的碰撞安全性。鑄件的力學性能一般通過測試標準圓棒試樣獲得，因此了解圓棒試樣高應變速率測試時的影響因素，獲得準確的高應變速率條件下的拉伸應力應變曲線等相關信息對零件結構的碰撞安全性評價非常重要。

試驗材料及方法

試驗材料為啞鈴型鑄鋁和鑄鐵件，根據常用零件的最小壁厚，選擇平行段直徑為 5 mm、夾持端直徑為 12 mm 的試樣。平行段工作部分表面粗糙度為 0.32 μm，同軸度小于 0.01 mm，使用銑床和外圓磨床進行加工。測試設備為液壓伺服型高速拉伸試驗機和高速相機及數字圖像處理系統。

基于國內外行業研究現狀，該試驗考察了8個影響因素：夾具材料、相機角度/距離、試驗材料、應變測試、樣條形狀/標距、試樣夾持端長度、應力測試、應變速率。按照DFSS（6西格瑪設計）進行正交試驗，各影響因素的水平設置如表1所示。

表1 圓棒試樣高應變速率拉伸的DISS設計方案

試驗結果與分析

2.1 夾具材料選擇

拉伸試驗采用螺紋旋緊夾持方式：夾具內螺紋長度大于圓棒試樣螺紋端長度，確保試樣螺紋全部擰入。利用現有高速拉伸設備，加工了 M12 mm 內螺紋的 45 鋼和鈦合金兩種夾具，熱處理后硬度分別為 31 HRC 和 30 HRC。在 500 s?1 應變速率下對 AlSi10Mg 試樣進行拉伸，結果如圖 1 所示：鈦合金夾具測得的曲線振蕩幅值明顯低于 45 鋼夾具，因此后續試驗均選用鈦合金夾具。

圖1 AlSi10Mg鋁合金在不同材料夾具下的力-位移曲線

2.2 相機角度/距離的調節

試驗發現，當試樣的直徑確定后，兩臺相機的距離和角度基本固定，因此只要能夠標定出相機清楚圖像，距離和角度不需做出改變。

2.3 試驗材料對高速拉伸試驗的影響

在應變速率 1 s?1 條件下測得鑄鐵及鑄鋁的應力-應變曲線，如圖 2 所示。通過設備自帶的力傳感器測試應力，使用一臺相機測試應變。可見同組試樣的試驗曲線平滑且重合性好，與靜態拉伸試驗機測得的應力-應變曲線相近。改變各項測試控制因子并觀察曲線，同組試驗結果仍然相似，因此接下來重點考察應變速率為100 s?1和500 s?1的情況。

圖2 1s?1應變速率下鑄鋁及鑄鐵的應力-應變曲線

2.4 應變測試方法對高速拉伸試驗的影響

分別使用一臺相機和兩臺相機對鑄鐵及鑄鋁的拉伸試驗進行應變測試，見圖3和圖4。可見每個試樣的應變和力曲線對應的時間軸完全同步。

圖3 一臺相機下鑄鋁和鑄鐵的應變-時間和力-時間曲線

無論鑄鐵還是鑄鋁，在使用一臺相機測試時均會出現，對應引伸計兩點之間的應變，在力還未達到最大值或最終斷裂時已捕捉不到散斑，而應變提前終止的情況，即力-時間曲線上力降為0的時間大于應變-時間曲線上應變率最大的時間，也就是 T > t。而兩臺相機的應變測試能很好地跟蹤試樣，指導力下降過零點，即T<t。

圖4 兩臺相機下鑄鋁和鑄鐵的應變-時間和力-時間曲線

分析認為，一臺相機捕捉的是二維平面上的散斑、而兩臺相機捕捉的是三維空間的散斑。圓棒試樣在快速拉伸時，散斑在三維空間變化，一臺相機就會因焦距變化，丟失散斑像素，從而拍不到原點變化，兩臺相機可在立體空間始終捕獲散斑，直至試樣拉斷。

2.5 試樣標距對高速拉伸試驗的影響

高速拉伸試驗對試樣尺寸和加工質量敏感，所以此次試驗借鑒疲勞試驗采用短標距試樣，即標距 L?＝10 mm；另外根據金屬板材高速拉伸標準，選取 L?＝20 mm 的試樣考察不同標距長度對鑄鐵力學性能的影響。通常隨著標距的增加，高速拉伸試驗機的設定位移速度也成比例增加，為了避免由于位移速度增加導致應力波在試樣-夾具剛性連接處反射/透射而引起曲線振蕩，所測試樣螺紋末端與夾具螺紋末端均保留 2 mm 間隙，試驗應變速率取 100 s?1。

高速拉伸試驗采用的應力測試方法通常有兩種，即設備自帶的壓電式力傳感器和在夾具或試樣上貼的應變片。通過應變片測得的試驗結果如圖5所示（此次測試的應變片均貼在下夾具端），對比發現，標距為20 mm試樣的應力-應變曲線比標距為10 mm試樣的離散性大。通過力傳感器測得的試驗結果如圖6所示，可見同樣標距為20 mm試樣的應力-應變曲線振蕩幅度較大。對拉伸試樣進行統計發現，斷裂位置在標距內的試樣中，標距為10 mm的試樣遠多于標距為20 mm的試樣，所測鑄鐵試樣中，前者只有2個斷在標距外，而后者有8個斷在標距外。

2.6 應力測試方法對高速拉伸試驗的影響

將圖5a）與圖6a）、圖5b）與圖6b）對比可見，應變片測得的應力-應變曲線振蕩幅度明顯小于力傳感器測得的結果，且基本與靜態曲線一致，因此高速拉伸條件下適宜采用貼應變片的方式進行應力測試。

圖5 應變片測得的不同標距鑄鐵試樣的應力-應變曲線

圖6 力傳感測得的不同標距鑄鐵試樣的應力-應變曲線

2.7 試樣夾持長度對高速拉伸試驗的影響

采用應變片測試應力，應變速率為500 s?1時鑄鋁的應力-應變曲線如圖7所示。可見夾持長度明顯影響曲線的振蕩幅度，夾持長度較大試樣的曲線振幅小，數據離散性小。建議棒狀試樣的夾持長度不小于平行段長度的2倍。

圖7 鑄鐵在不同夾持端長度下的應力-應變曲線

2.8應變速率對高速拉伸試驗的影響

根據前期的試驗和DFSS設計得出的拉伸試驗信噪比如圖8所示。可見當試樣標距為10mm，夾持端長度為35mm，應變速率為500s1，用應變片測應力時的信噪比較高，且單臺相機會缺失應變數據，因此后期將使用兩臺相機進行應變測試。

圖8 不同應變速率下拉伸試樣的信噪比

經過信噪比優化后鑄鐵和鑄鋁在不同應變速率下的應力-應變曲線如圖9所示。由于選擇的材料對應變速率不敏感，因此當應變速率增加時，抗拉強度和斷后伸長率等沒有明顯變化。

圖9 鑄鐵和鑄鋁在不同應變速率下的應力-應變曲線

結論

在圓棒試樣高應變速率拉伸試驗中，測試應變和應力的方法、試樣標距長度以及夾持端長度對測試結果準確性和曲線振蕩程度有較大影響;制作夾具時應選擇密度小、比剛度和比強度高的材料;非接觸式應變測試采用兩臺相機可保證應變和應力測試曲線時間軸的同步性;使用短標距試樣、采用應變片測試應力、保證試樣夾持端長度是平行段長度的兩倍以上可有效減弱應力-應變曲線的離散性。

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