摘要：对铸铁、铸铝圆棒试样在不同应变速率下进行单轴高速拉伸试验，研究其动态力学性能及断裂情况，分析相关因素对试验的影响。结果表明：应变、应力的测试方式、试样标距长度及夹持端长度对测试精度及曲线振荡程度影响较大；采用比刚度和比强度高的夹具、短标距长度试样、采用应变计测试应力、采用两个摄像机测试应变、适当增加夹持端长度等均能提高试验结果的准确性。
关键词：金属；圆棒试样；高应变速率；拉伸试验
中图分类号：TG115.2 文献代码：A 文章编号：１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０６７６Ｇ０４
工程上，金属材料的拉伸试验通常要求应变速率在10-2～103 s-1之间[1]。一般当应变速率小于0.1 s-1时，试验可在静态试验机上进行，规范参考GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》；当应变速率大于0.1 s-1时，试验需要在高速拉伸试验机上进行，称为高应变速率拉伸试验。ISO 26203-2:2011金属材料高应变速率拉伸试验第2部分：伺服液压和其他试验系统和GB/T 30069.2-2016[1]对金属板材试样的高应变速率拉伸试验有详细描述，但缺少对金属圆棒试样的指导规范。
机械设备结构件多为铸件，其力学性能关系到产品的碰撞安全性[2]。铸件的力学性能一般通过测试标准圆棒试样获得。因此，了解圆棒试样在高应变率试验过程中的影响因素，获得准确的高应变率条件下拉伸应力-应变曲线等相关信息，对于零件结构的碰撞安全性评估非常重要。
笔者采用液压伺服高速拉伸试验机，全面调研圆棒试样高速拉伸试验的各种影响因素，测量了不同试验条件下铸铁、铸铝圆棒试样的动态应力-应变曲线。通过分析各种试验条件对曲线的影响，优化了试验方法。由于应变处理方法多种多样，结果也各有不同。为保证CAE后本构处理的准确性，对试验数据未做任何形式的平滑处理[3]。
1 实验材料与方法
试验材料为哑铃状铸铝、铸铁件，根据常用零件最小壁厚选取平行段直径5 mm、夹紧端直径12 mm的试件，平行段工作部分表面粗糙度为0.32 μm，同轴度小于0.01 mm。加工设备为铣床、外圆磨床。试验设备为液压伺服高速拉力试验机1台、2台高速摄像机及数字图像处理系统。
本次试验结合国内外行业研究现状，考察了夹具材料、摄像角度/距离、试验材料、应变试验、花键形状/标距、试件夹持端长度、应力试验、应变速率8个影响因素，并按照DFSS（六西格玛设计）进行正交试验，各影响因素水平设置如表1所示。
2 实验结果与分析
2.1 夹具材料的选择
拉伸试验的夹持方式为螺纹紧固，夹具内螺纹长度大于圆棒试样螺纹端长度，保证试样螺纹完全旋入夹具。根据高速拉伸设备现有夹具，制作内螺纹（M12mm）的45钢、钛合金夹具，热处理后硬度分别为31HRC、30HRC。对AlSi10Mg试样进行拉伸试验，应变速率为500s-1，结果如图1所示。可以看出，钛合金夹具测得的结果振荡幅度小于45钢夹具，因此后续试验均采用钛合金夹具。
2.2 调整摄像机角度/距离
实验发现，当样品直径确定后，两个相机之间的距离和角度基本固定，因此只要能校准相机，调整到图像清晰即可，不需要改变距离和角度。
2.3 试验材料对高速拉伸试验的影响
在应变速率为1 s-1时测量铸铁、铸铝的应力-应变曲线，如图2所示。利用设备配备的力传感器测试应力，利用摄像头测试应变。可以看出，同组样品的试验曲线平滑，重叠性好，与静态拉伸试验机测得的应力-应变曲线相似。通过改变试验控制因素，观察曲线，同组试验结果仍然相似，因此重点关注应变速率100 s-1和500 s-1。
2.4 应变测试方法对高速拉伸试验的影响
采用单相机和双相机分别进行铸铁和铸铝的应变测试，如图3和图4所示。可以看出，每个试样的应变与力曲线对应的时间轴完全同步。无论是铸铁还是铸铝，采用单相机进行测试时，对应引伸计两点之间的应变都会出现，在力达到最大值或者最终断裂之前已经无法捕捉到散斑，应变过早终止，即力-时间曲线上力为0的时间大于应变-时间曲线上应变速率最大的时间，即T>t。而双相机的应变测试可以很好地跟踪试样，直到力跌过零点，即T<t。
分析表明，一台相机拍摄的是二维平面上的散斑，两台相机拍摄的是三维空间中的散斑，当圆棒样品被快速拉伸时，散斑在三维空间中发生变化，一台相机会因为焦距变化而丢失散斑的像素，无法捕捉到原点的变化，而两台相机始终可以捕捉到三维空间中的散斑，直到样品断裂。
2.5 试样标距长度对高速拉伸试验的影响
高速拉伸试验对试样尺寸及加工质量十分敏感，因此本试验借鉴疲劳试验的短标距试样，即标距L0=10mm；另外，根据金属板材高速拉伸标准，选取L0=20mm的试样，考察不同标距对铸铁力学性能的影响。通常随着标距的增加，高速拉伸试验机的设定位移速度也成比例增加。为避免因位移速度增加而引起应力波在试样夹具刚性连接处反射、透射，引起曲线振荡，试验试样螺纹端与螺纹夹具端之间保留2mm的间隙，试验应变速率为100s-1。
高速拉伸试验通常采用两种应力测试方法[4]，即设备自带的压电力传感器和附着在夹具或试样上的应变计。应变计测得的试验结果如图5所示（本次试验测试的应变计均附着在夹具下端）。通过比较发现，标距为20 mm的试样的应力-应变曲线比标距为10 mm的试样的应力-应变曲线具有较大的离散性。力传感器测得的试验结果如图6所示钢结构应力应变检测，可以看出，同样是标距为20 mm的试样，其应力-应变曲线的振荡幅度较大。对拉伸试样进行统计，在断裂位置位于标距内的试样中，标距为10 mm的试样的数量远远多于标距为20 mm的试样。 所检测的铸铁试件中，前者仅有2处断口位于标距长度之外，而后者有8处断口位于标距长度之外。
2.6 应力试验方法对高速拉伸试验的影响
对比图5a)与图6a)、图5b)与图6b)可以看出，应变计测得的应力-应变曲线振荡幅度明显小于力传感器测得的应力-应变曲线振荡幅度，与静态曲线基本一致。因此，在高速拉伸条件下，贴附应变计进行应力测试是适宜的。
2.7 试样夹持长度对高速拉伸试验的影响
图7为采用应变片测试应力时铸铝在应变速率为500 s-1下的应力-应变曲线。可以看出夹持长度明显影响曲线的振荡幅度。夹持长度较大的试样曲线幅度较小，数据离散性较小。建议棒状试样的夹持长度不小于平行段长度的两倍。
2.8 应变速率对高速拉伸试验的影响
根据前期试验和DFSS设计得到的拉伸试验信噪比如图8所示。可以看出，当试样标距长度为10 mm、夹紧端长度为35 mm、应变速率为500 s-1时，用应变计测量应力的信噪比相对较高，单个相机会漏测应变数据，因此后期将采用两台相机进行应变测试。
经过信噪比优化后钢结构应力应变检测，不同应变速率下铸铁、铸铝的应力-应变曲线如图9所示。由于所选材料对应变速率不敏感，因此当应变速率增加时，抗拉强度和断裂后伸长率没有发生明显的变化。
3 结论
圆棒试样高应变速率拉伸试验中，应变、应力测试方法、试样标距长度及夹持端长度对试验结果准确性及曲线振荡程度影响很大；制作夹具时，应选用密度小、比刚度高、比强度高的材料；非接触应变试验采用双相机，保证应变、应力测试曲线时间轴的同步；采用短标距试样，采用应变计测试应力，并保证试样夹持端长度为平行段长度的两倍以上，可有效降低应力-应变曲线的离散性。
参考：
[1] 全国钢标准化技术委员会.金属材料高应变速率拉伸试验第2部分:液压伺服式及其他类型试验系统:GB/T 30069.2-2016 [S].北京:中国标准出版社,2016.
[２]何少清,许树杰,贾彦民,等.国内汽车行业高应变速率拉伸曲线现状及对策研究[J].山东工业技术,2015(24):293-294.
[３]王亚芬,杜宏志,赵广东.基于汽车用钢碰撞性能的高应变率试验探讨[J].物理测试,2016,34(6):25-28.
[４]刘鹏鹏,叶优,魏一帆,等.金属材料高应变速率拉伸试验应用及现状[J].理化测试(物理试验),2018,54(9):641-646。
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