高應變率測試
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
高應變率測試的實例教程
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……
展開 基于高速液壓伺服試驗機的材料動態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拉伸載荷、動態應變，以及失效過程的熱耗散數據是試驗測試的關鍵。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隨著應變率的提高會發生顯著變化，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力學性能參數。
一般而言，應變率范圍10-1s-1～103s-1為中低應變率狀態，處于該范圍左右兩端之外的則分別為準靜態和高應變率狀態。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，如準靜態范圍一般通過常規的靜態試驗機，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力學性能測試方法尚沒有準靜態和高應變率下的測試方法成熟，主要體現為基于高速液壓伺服試驗機的材料中低應變率動態拉伸試驗相對較少，在關鍵試驗參數測試、試驗數據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
材料的動態應變測試
材料力學性能試驗中應變測試的常規方法包括應變電測法和引伸計測量方法。但受限于常規應變片使用量程的限制，無法測量材料的塑性變形全過程。而材料動態拉伸試驗為瞬態破壞過程，傳統機械引伸計易發生損壞也不適用。
展開 利用布拉格衍射法同時確定了彈性應變狀態。實驗的時間尺度直接可與MD模擬中實現的時間尺度進行比較。飛秒分辨率原位超細-SAXS定量表征了高應變速率的散裂破壞，彌補了WAXS的缺陷，具有重要的應用價值。這項工作展示了，可以在XFEL源上進行的科學范圍的擴展，并提供了對動態高應變率破壞過程中第一個定量測定。（文：水生）
文章題目：《Strain rate effect of high purity aluminum single
crystals: Experiments and simulations》
文章doi：10.1016/j.ijplas.2014.10.002
推薦理由：作者研究了高純鋁不同應變率下單晶塑性變形的取向依賴性，不同應變率下的流動應力情況通過Laue Back-Reflection 技術測量，并提出了兩類單晶本構模型用于預測單晶不同應變率的應力響應的能力，研究表明，相較于傳統的單晶冪律流動模型，所提出的另外的唯象和位錯密度模型很好捕捉了應變率效應，提出的唯象模型參數少，便于擬合，物理模型參數更多，但物理意義更明確，這在捕捉單晶多滑移系開動時提供了更準確的預測（更接近實驗結果）。
展開 然而，傳統導電油墨往往存在與基底結合力弱、導電粒子分散需要使用大量有機溶劑、電導率不夠高等問題，限制了其在很多領域的進一步應用。
近日，東華大學朱美芳院士團隊葉長懷、廖耀祖研究員基于生物可再生原料殼聚糖（chitosan）與二元酸在水中形成生物基有機鹽溶液，與銀納米線復合制備了一系列超高電導率的水性導電墨水（圖1），為綠色制備高電導率、高耐久性導電復合涂層提供了一種通用方法。
圖 1 SA-chitosan生物基有機鹽、導電墨水、導電涂層的制備流程圖
水性的生物基SA-chitosan有機鹽涂層在簡單的加熱后形成高度交聯的網絡結構，賦予導電復合涂層良好的耐熱和耐溶劑性，使其有望在惡劣環境中使用。導電粒子AgNW 嵌入高度交聯的SA-chitosan聚合物基體中，該聚合物基體一方面隔絕導電粒子與外界環境的接觸減緩AgNW的氧化（圖2），另一方面可增強與基底材料的粘附力，如在反復剝離試驗后仍保持優異的電導率（圖3）。
圖 2. 導電復合涂層的電導率及耐高溫、耐有機溶劑特性
圖 3. 導電涂層抗反復彎曲、折疊、剝離特性
由于導電復合涂層超高的電導率，厚度僅為 10 μm 的 SA-chitosan/AgNWs 涂層具有 高達73.3 dB 電磁屏蔽 (EMI) 效能（圖4）。他們將這種導電油墨用來制備功能性導電織物，這種織物表現出優異的電磁屏蔽（圖5）、焦耳加熱（圖6）和應變傳感性能（圖7）。
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</p><p><br></p><p>在高應變率測試中進行準確的應變評估并非易事。目前先進的技術是使用數字圖像相關方法。這是一種非接觸式的基于圖像的技術，需要用高分辨率、高幀率的相機記錄試樣表面變形。圖像分析軟件用于從這些圖像中評估應變場。為了獲得準確的結果，需要一個具有明顯特征的圖案的試樣表面。這是通過使用噴散斑的方式創建的（見下圖2）。
在高應變率測試中進行精確的應變評估并非易事。目前最先進的技術是使用數字圖像相關方法。這是一種非接觸式的基于圖像的技術，需要用高分辨率、高幀率的相機記錄試樣表面變形。圖像分析軟件用于從這些圖像中評估應變場。為了獲得準確的結果，需要一個具有獨特特征的圖案的試樣表面。這是通過使用黑色和白色油漆層噴漆創建的（見下圖A）。
文章題目：《Strain rate effect of high purity aluminum single
crystals: Experiments and simulations》
文章doi：10.1016/j.ijplas.2014.10.002
推薦理由：作者研究了高純鋁不同應變率下單晶塑性變形的取向依賴性，不同應變率下的流動應力情況通過Laue Back-Reflection
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。
相較而言，中低應變率范圍內的材料動態力學性能測試方法尚沒有準靜態和高應變率下的測試方法成熟，主要體現為基于高速液壓伺服試驗機的材料中低應變率動態拉伸試驗相對較少，在關鍵試驗參數測試、試驗數據處理等方面有待進一步形成共識。
目前，在高應變率沖擊測試中，人們普遍使用的是Hopkinson(霍普金森)桿，霍普金森裝置，英文簡稱 SHP(T)B，應變率范圍 102～104。
SHPB實驗裝置圖
SHPB 實驗的基本原理建立在二個基本假定的基礎上，即一維假定(又稱平面假定)和應力均勻假定。
導電油墨主要由導電粒子（如金屬或碳基顆粒）和溶劑介質組成，作為柔性電子和可穿戴電子器件的一種重要基礎原料，已被報道廣泛用于能量存儲、電磁 屏蔽、焦耳加熱等領域。然而，傳統導電油墨往往存在與基底結合力弱、導電粒子分散需要使用大量有機溶劑、電導率不夠高等問題，限制了其在很多領域的進一步應用。
針對主流沖擊測試系統的核心組件載荷傳遞路徑，通過分析中高應變率沖擊力學性能測試中載荷信號振蕩失真的根源（圖11），我們發現，載荷信號與測試過程中的載荷輸入、試樣形式、夾持方式和測量裝置密切相關，進而揭示了夾具和測量組件的質量、剛度和阻尼對系統振蕩的影響規律，提出了通過調整載荷測量環節固有頻率消除系統振蕩的關鍵思路，將被測對象（材料試件）納入到沖擊測試力學系統中，提出了集成載荷傳感器的輕型夾具工裝設計方法
編輯推薦：理解材料的高應變率變形及失效具有重要意義，是理解材料破壞的必要條件，更是建立和驗證材料破壞本構模型的必要條件。但是由于速度太快難以用實驗來量化材料的演變。本文將銅箔通過皮秒激光燒蝕快速應變（0.5×10^9 /s），并利用飛秒X射線自由電子(XFEL)脈沖進行了原位探測，首次定量描述了材料在高應變率條件下的失效過程。結果表明，最終破壞是通過空洞成核、長大和合并發生的，與分子動力學模擬的結
