高應變速率拉伸試驗
關注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2025-12-10
高應變速率拉伸試驗的視頻教程
如何準確獲取高應變速率拉伸性能的應力應變曲線
高速拉伸測試與準靜態(tài)拉伸的區(qū)別呢？ 準靜態(tài)拉伸測試一般以較低的應變率進行（一般實驗室使用萬能試驗機進行），常用于測量材料的靜態(tài)力學性能，如拉伸強度、屈服強度等。而高速拉伸測試則以較高的應變率進行，更符合實際工程情況下的瞬態(tài)負載。 應力應變曲線（圖片來源：網絡） 高速拉伸測試中的應變率往往更高，可以通過較短的時間內施加更大的應變。
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高應變速率拉伸試驗的實例教程
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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(tài)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(tài)試驗機上進行試驗，規(guī)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(guī)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。
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試驗材料及方法
試驗材料為啞鈴型鑄鋁和鑄鐵件，根據(jù)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。
展開 3、動態(tài)拉伸斷裂試樣的側面金相組織和顯微硬度分析表明：斷口側面晶粒形狀相較于未變形金屬的更加細長，硬度隨應變速率的增大而提高。
服務介紹
國高材分析測試中心依據(jù)GB/T 33227-2016標準，配備高速拉伸試驗機和DIC技術系統(tǒng)，可精準測定鋁及鋁合金板帶材在高應變速率下的動態(tài)力學性能，包括抗拉強度、延伸率、彈性模量等關鍵參數(shù)。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。通過數(shù)字化分析，中心可提供高精度應力-應變曲線，為汽車安全仿真、輕量化設計等提供可靠數(shù)據(jù)支撐。
展開 基于高速液壓伺服試驗機的材料動態(tài)拉伸試驗是獲得中低應變率力學性能的主要手段，但如何獲得材料的動態(tài)拉伸載荷、動態(tài)應變，以及失效過程的熱耗散數(shù)據(jù)是試驗測試的關鍵。就像飛機在服役過程中結構可能會遭受鳥撞、應急墜撞等沖擊載荷的作用，如飛機機頭和機翼結構是飛鳥、冰雹等外來物沖擊的密切關注部位，飛機機體下部結構則需進行抗墜撞設計以提高其適墜性。飛機結構在沖擊載荷作用下，材料的力學行為相較準靜態(tài)加載需考慮應變率效應的影響，即隨著加載應變率的提高，材料往往呈現(xiàn)出一定的應變率敏感性。以往研究表明，高強度材料的強度極限和失效應變等參數(shù)隨著應變率的提高會發(fā)生顯著變化，因此，為準確進行飛機結構的抗沖擊設計和分析，需通過試驗手段獲得材料的動態(tài)力學性能參數(shù)。
一般而言，應變率范圍10-1s-1～103s-1為中低應變率狀態(tài)，處于該范圍左右兩端之外的則分別為準靜態(tài)和高應變率狀態(tài)。需要說明的是在不同的應變率范圍，需匹配不同的試驗設備進行力學性能測試，如圖1所示，如準靜態(tài)范圍一般通過常規(guī)的靜態(tài)試驗機，中低應變率范圍則一般通過高速液壓伺服試驗機，而高應變率范圍則一般采用霍普金森桿試驗裝置。相較而言，中低應變率范圍內的材料動態(tài)力學性能測試方法尚沒有準靜態(tài)和高應變率下的測試方法成熟，主要體現(xiàn)為基于高速液壓伺服試驗機的材料中低應變率動態(tài)拉伸試驗相對較少，在關鍵試驗參數(shù)測試、試驗數(shù)據(jù)處理等方面有待進一步形成共識。
圖1 典型材料在不同應變率范圍的試驗裝置
高速拉伸試驗機
霍普金森桿
材料的動態(tài)應變測試
材料力學性能試驗中應變測試的常規(guī)方法包括應變電測法和引伸計測量方法。但受限于常規(guī)應變片使用量程的限制，無法測量材料的塑性變形全過程。而材料動態(tài)拉伸試驗為瞬態(tài)破壞過程，傳統(tǒng)機械引伸計易發(fā)生損壞也不適用。
展開 摘要：在通常的汽車碰撞CAE仿真分析中,需要用到應變速率從0.01～100 s-1全應變速率下甚至更高應變速率下的應力-應變曲線。當測試速率達到1 s-1甚至更高時,數(shù)據(jù)的獲得就變得困難起來。通常有兩種方法:采用方程擬合法;采用液壓原理的高速拉伸試驗機測試。結果表明，采用方程擬合的方法可以得到比測試得出的最高應變速率高出兩個數(shù)量級的曲線及特征值；對于達到峰值應力后應力變化較小的曲線,方程擬合法準確性較好，對于達到峰值應力后應力降低或增加的材料，方程擬合法的準確度稍弱。
關鍵詞：高速拉伸 方程擬合法 直接測試法 非接觸式引伸計 CAE分析
汽車在進行碰撞過程中,整個過程只有0.1～0.2 s,會產生大量的能量吸收與轉移,而這個能量吸收與轉移的能力與材料有關。然而困擾汽車設計的一大難題就是選材。現(xiàn)階段,車用材料制備結構件需要前期進行更多的模擬試驗,CAE動態(tài)分析是不可或缺的。而車用材料CAE分析面臨著動態(tài)拉伸數(shù)據(jù)獲得難的問題,也就是說高應變速率下(如應變速率大于1 s-1)的應力-應變曲線獲得相當困難。需要材料在高應變速率下的拉伸數(shù)據(jù)。
目前國際上針對非金屬材料的高速拉伸測試方法主要有兩個:采用ISO 18872:2007《塑料高應變速率下的拉伸性能測試》(由金發(fā)科技股份有限公司聯(lián)合其他單位已經將其等效轉化為國家標準發(fā)布,以下簡稱方程擬合法)和采用高速拉伸試驗機直接進行測試——直接測試法。方程擬合法是針對塑料高速拉伸測試的標準,計算出塑料在高速下的力學性能。而直接測試法主要是指使用高速拉伸設備直接測試。
01測試原理
方程擬合法:依據(jù)ISO 527-2:2012,拉伸應力-應變曲線在0.1～100 mm/s選定速度下測試獲得。同時,測量泊松比隨應變的變化。由測試結果,可計算出各應變速率下的真實應力和真實塑性應變值。
展開 在應變速率0.001/s至1000/s區(qū)間內，要獲得不同數(shù)量級下的應力-應變曲線，需要不同的測試設備，即準靜態(tài)萬能材料試驗機和高速拉伸試驗機。準靜態(tài)萬能材料試驗機可滿足應變速率0.001/s至10/s（準靜態(tài)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(qū)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(tài)拉伸試樣，讓準靜態(tài)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(tài)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(guī)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(tǒng)等。既能用于準靜態(tài)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(tǒng)。論測量信息的豐富度，似乎光學應變測量系統(tǒng)又要勝一籌。為了獲得應變速率0.001/s 至1000/s區(qū)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(tǒng)作為應變的測量設備。
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高應變速率拉伸試驗的最新內容
概述：
單軸拉伸試驗是了解大多數(shù)材料并獲取應力與應變關系的主要方法。可靠的拉伸數(shù)據(jù)對于組件設計至關重要。本案例展示了如何進行拉伸試驗并獲取應變圖。
目標：
觀察在施加漸進式位移載荷的單軸拉伸試樣中的應變。
步驟：
1、打開Ansys Workbench，創(chuàng)建一個“靜態(tài)結構”系統(tǒng)。
2、定義拉伸試驗樣品的材料屬性。本例中使用的是結構鋼。
3、導入模型，其外觀類似于圖
背景
在汽車、飛機、航空航天及高鐵等現(xiàn)代高速運載裝備的制造中，膠粘劑因其卓越的輕量化與高效連接特性，已成為實現(xiàn)關鍵結構性能不可或缺的技術。在實際嚴苛的服役環(huán)境下，這類膠粘結構不僅承受靜態(tài)載荷，更持續(xù)面臨碰撞、沖擊、劇烈振動等高應變率的動態(tài)載荷，以及從極寒到高溫的廣闊溫域考驗。這些復雜工況會顯著改變膠粘劑的微觀力學響應與宏觀失效機制，而接頭一旦失效則直接關乎整體結構的完整性與生命安全
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一般應變速率小于0.1 s?1時，可以在靜態(tài)試驗機上進行試驗，規(guī)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。
導讀
從汽車安全性角度，必須要考慮鋁合金等輕量化材料車身在碰撞中的抗沖擊性以及承受沖擊載荷的能力。由此，研究鋁合金在應變速率為1s-1～103s-1范圍的動態(tài)力學性能，成為新能源汽車安全可靠性仿真與評估的重要參量。
3003鋁合金作為低強度汽車動力電池封裝材料，其動態(tài)力學特性成為汽車受撞擊苛刻條件下殼體損傷程度評估，乃至動力電池防泄漏安全設計及管理的關鍵指標，但相關研究鮮有公開報道
在應變速率0.001/s至1000/s區(qū)間內，要獲得不同數(shù)量級下的應力-應變曲線，需要不同的測試設備，即準靜態(tài)萬能材料試驗機和高速拉伸試驗機。準靜態(tài)萬能材料試驗機可滿足應變速率0.001/s至10/s（準靜態(tài)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(qū)間的應力-應變曲線”
基于高速液壓伺服試驗機的材料動態(tài)拉伸試驗是獲得中低應變率力學性能的主要手段，但如何獲得材料的動態(tài)拉伸載荷、動態(tài)應變，以及失效過程的熱耗散數(shù)據(jù)是試驗測試的關鍵。就像飛機在服役過程中結構可能會遭受鳥撞、應急墜撞等沖擊載荷的作用，如飛機機頭和機翼結構是飛鳥、冰雹等外來物沖擊的密切關注部位，飛機機體下部結構則需進行抗墜撞設計以提高其適墜性。飛機結構在沖擊載荷作用下，材料的力學行為相較準靜態(tài)加載需考慮應變率效應的影響
