高速拉伸
關注創建者：國高材高分子材料產業創新中心 創建時間：2021-04-06
高速拉伸的視頻教程
如何準確獲取高應變速率拉伸性能的應力應變曲線
而高速拉伸測試作為一項重要的實驗手段，不僅可以為工程師提供可靠的數據支持，而且在分析材料行為和應用的過程中具有獨特作用。 高速拉伸測試是一種通過施加高速應變率來研究材料在瞬態負載下的力學行為的方法。通過高速拉伸測試，可以獲取材料的應力-應變曲線、動態彈性模量、屈服強度、斷裂韌性等重要參數，進而評估材料的性能和可靠性。
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高速拉伸的實例教程
背景描述
在高速拉伸測試過程中，基于一個假設條件：試樣的延伸都發生在平行段內，可由該公式求得試驗速度v=應變率*平行段長度。但實際測試過程中，試樣的延伸往往不止發生在平行段內，還會在試樣頸部或肩部區域，這就導致了實際應變率與設定應變率總有差異。
本研究通過對比不同樣條的測試結果，優選出應變率最精確的試樣類型，從而提升測試精度，最終得到準確的應力-應變曲線。實驗利用DIC技術測量試樣的應變，散斑圖作為DIC技術的不可缺少的部分有著重要的意義。散斑圖是指具有一定灰度分布的數字圖像，試驗中如何制作穩定有效的散斑圖能提高樣條的應變測試結果。
案例解決過程
（1）試驗材料與儀器與樣條類型
實驗儀器圖：帶高速相機的高速拉伸試驗機
（2）DIC應變測量方法原理
測試前在試樣表面制作散斑，使用高速攝像機拍攝拉伸的全過程，然后用計算機處理所拍到的數字圖像（散斑圖），通過對比試樣表面在變形前后的散斑圖，運用相關算法求出試樣的全場位移與應變。不同應變率試驗高速攝像機需使用不同的拍攝幀數，應變率越高拍攝幀數也要相應地提高。為保證處理數據能得到應力-應變曲線，高速攝像機的拍攝幀數需與高速拉伸試驗機的力值采集頻率相同。原理簡示圖如圖1，計算機通過分析虛擬引伸計的長度變化得出試樣的應變-時間曲線。
圖1試樣的應變-時間曲線
案例結果與分析
（1）樣條的斷裂現象分析
1A、1B、1BA、Type 3試樣均為啞鈴型。啞鈴型設計是為了避免斷裂發生在標距外的情況，標距外的斷裂會導致測試結果出現偏離。試驗結果表明啞鈴型試樣在標距內斷裂，結果有效，而直條型試樣斷裂在夾鉗位置，結果無效。
圖2試樣斷裂
（2）應變-時間曲線分析
高速相機拍攝拉伸的整個過程，再通過計算機DIC技術得出試樣從拉伸開始到斷裂的應變-時間曲線，如圖10~12。
展開 在應變速率0.001/s至1000/s區間內，要獲得不同數量級下的應力-應變曲線，需要不同的測試設備，即準靜態萬能材料試驗機和高速拉伸試驗機。準靜態萬能材料試驗機可滿足應變速率0.001/s至10/s（準靜態拉伸應變速率）下的測試，高速拉伸試驗機可滿足應變速率10/s至1000/s（高速拉伸應變速率）下的測試。
所以，“如何獲得應變速率0.001/s 至1000/s區間的應力-應變曲線”這一問題，可轉化成“如何將兩套工作原理不同的測試設備測得的結果完美且可靠地整合在一起”。回答此問題，需要從以下四個方面進行設計。
（一）試樣設計
試樣幾何尺寸不一樣，尤其是試樣的平行部長寬不一樣，即使是同一臺測試設備，獲得的測試結果也會不一樣。因此在不同的測試設備上進行測試，試樣的平行部長寬必須一致。
我們知道高速拉伸試驗機具有其倔強性（局限性），所以試樣的設計只能以高速拉伸試樣為基準，設計準靜態拉伸試樣，讓準靜態試驗機的試樣遷就高速拉伸試驗機的試樣，沒有其他選擇。準靜態拉伸試樣的平行部長寬與高速拉伸試樣的平行部長寬一致，只是試樣個子（總長）高些。
（二）應變測量
在常規拉伸試驗中，應變測量設備一般有機械接觸式引伸計、激光引伸計、光學應變測量系統等。既能用于準靜態拉伸測試又能用于高速拉伸測試，當屬激光引伸計和光學應變測量系統。論測量信息的豐富度，似乎光學應變測量系統又要勝一籌。為了獲得應變速率0.001/s 至1000/s區間可靠的應力-應變曲線的一方-應變,暫且選用光學應變測量系統作為應變的測量設備。
展開 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。
展開 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。
展開 圖2 膠粘接頭典型失效模式
測試目的
本實驗主要對比相同膠粘對接接頭在不同溫度和不同拉伸速率下的抗拉強度以及失效模式，實驗設計如表1所示，同時結合客戶的關注點（曲線的異常分析，抗拉強度的重復性，失效模式的分析等）對測試結果進行對比分析。
表1 對接高速拉伸測試方案
測試方案
4.1 測試設備
高速拉伸試驗機（上拉式），該設備最高可實現20m/s的拉伸速度。高速相機，拍攝視頻，分析樣品的失效過程。
圖3 國高材分析測試中心高速拉伸試驗機配備高速相機
4.2 測試流程
1）樣品調節：測試前，樣品在相應測試溫度的環境箱中放置至少2個小時，使樣品溫度達到測試溫度并均勻分布。
2）夾持樣品：樣品夾持有2種方式可供選擇，圖4（a）為楔形夾具直接夾持，圖4（b）通過基材與夾具上的穿孔用插銷固定，后者可以避免樣品在測試過程中打滑。在夾持時，應保證樣品與夾具的對中，使受力沿軸線位置，夾持間距為80mm。
圖4 對接拉伸樣品夾持方式
3）調整相機：調整相機位置，調整光圈大小與焦距，使其聚焦到對接樣品的膠粘區域，如圖5所示。根據測試速度選擇合適的圖像采集頻率，本試驗中使用10kHz的采集頻率。
圖5 高速相機拍攝畫面
結果分析
5.1 拉伸載荷-位移曲線及粘接強度
對接樣品在不同溫度以及拉伸速率下的載荷-位移曲線如圖7~9所示，曲線的斜率代表了對接樣品的整體剛度，由膠粘劑的拉伸模量、被粘基板的拉伸剛度、粘接面積等因素決定，可以看到，曲線初始階段力值隨位移緩慢增加，隨后曲線斜率增大，圖7（a）（b）（c），圖8（a）（c）更為明顯，這與如圖10所示高速相機拍攝的拉伸過程對應。
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首先是參數物理意義明確且極易獲取，相比其他復雜的力學模型，JC 模型的參數可以通過標準的高速拉伸或霍普金森壓桿（SHPB）試驗輕松測得，工程實用性極高。其次是計算效率與數值穩定性極佳，它的數學形式簡潔高效，非常適合顯式動力學子程序（如 VUMAT）進行大規模并行計算，不易發生數值發散。
表1 對接高速拉伸測試方案
測試方案
4.1 測試設備
高速拉伸試驗機（上拉式），該設備最高可實現20m/s的拉伸速度。高速相機，拍攝視頻，分析樣品的失效過程。
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。
圖7 低溫點爆對比
圖8 高溫點爆對比
04
結論
與材料單軸拉伸實驗對比，可以發現以下兩個現象是影響材料卡片建立精度的關鍵因素：
1)聚合物材料在不同拉伸速度下，其力學特性存在明顯的差異，尤其在低溫高速拉伸過程中，局部熱軟化效應的影響不可忽略；
2)由于聚合物延伸率較高，聚合物材料單軸拉伸過程中，在大應變階段，應變率下降較為明顯，因此很難通過實驗方法獲得特定應變率下應力應變曲線
圖3 25t電子萬能試驗機
中應變率拉伸實驗設備為高速拉伸實驗機（圖4），設置拉伸速率為 7 mm/s。
圖4 高速拉伸實驗機
動態拉伸實驗在分離式霍普金森桿裝置（見圖 5）上開展。動態拉伸實驗中，采用高強度粘膠將試件粘貼于入射桿和透射桿之間，氣室中的壓縮氣體推動炮管內圓環管，圓環管撞擊入射桿端部的法蘭盤，在入射桿內部產生拉伸應力波。
服務介紹
國高材分析測試中心依據GB/T 33227-2016標準，配備高速拉伸試驗機和DIC技術系統，可精準測定鋁及鋁合金板帶材在高應變速率下的動態力學性能，包括抗拉強度、延伸率、彈性模量等關鍵參數。試驗涵蓋車身覆蓋件、結構件及軌道交通用鋁材，支持電池殼、高鐵型材等特種材料的應變速率敏感性分析。
許多實際工況（如碰撞、爆炸）中材料可能承受高速拉伸載荷（如撕裂、韌性斷裂），直接施加動態拉伸載荷能更真實地模擬材料在高速拉伸狀態下的失效行為，彌補壓桿試驗的局限性。
本案例將介紹韌性材料的直接式霍普金森拉桿原理及其Abaqus仿真方法。
崗位職責：??
負責材料卡片相關方法開發及測試驗證，包括高速拉伸、疲勞、蠕變、霍普金森桿等實驗設計與執行；
基于力學/仿真背景，參與材料本構模型開發與參數標定；
協同團隊提升材料卡片交付能力，支持客戶工程化需求。
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比如，評估航空航天工業復合材料沖擊后壓縮（CAI）試驗、風能行業疲勞載荷以及汽車碰撞防護的高速拉伸試驗都很重要。
CAI的含義
CAI（沖擊后壓縮強度）實際上有兩種含義：
1） 評定含損傷時的材料性能指標；
2） 復合材料層壓板受沖擊產生損傷后的壓縮強度。
我們知道高速拉伸試驗機具有其倔強性（局限性），所以試樣的設計只能以高速拉伸試樣為基準，設計準靜態拉伸試樣，讓準靜態試驗機的試樣遷就高速拉伸試驗機的試樣，沒有其他選擇。準靜態拉伸試樣的平行部長寬與高速拉伸試樣的平行部長寬一致，只是試樣個子（總長）高些。
