室温下金属圆棒试样高应变速率拉伸试验影响因素分析

工程上对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。一般应变速率小于0.1 s⁻¹时，可以在静态试验机上进行试验，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，需要在高速拉伸试验机上进行试验，称为高应变速率拉伸测试。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对金属板材试样的高应变速率拉伸测试有详细的说明，但对金属圆棒试样缺乏指导性规范。

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。铸件的力学性能一般通过测试标准圆棒试样获得，因此了解圆棒试样高应变速率测试时的影响因素，获得准确的高应变速率条件下的拉伸应力应变曲线等相关信息对零件结构的碰撞安全性评价非常重要。

 试验材料为哑铃型铸铝和铸铁件，根据常用零件的最小壁厚，选择平行段直径为 5 mm、夹持端直径为 12 mm 的试样。平行段工作部分表面粗糙度为 0.32 μm，同轴度小于 0.01 mm，使用铣床和外圆磨床进行加工。测试设备为液压伺服型高速拉伸试验机和高速相机及数字图像处理系统。

基于国内外行业研究现状，该试验考察了8个影响因素：夹具材料、相机角度/距离、试验材料、应变测试、样条形状/标距、试样夹持端长度、应力测试、应变速率。按照DFSS（6西格玛设计）进行正交试验，各影响因素的水平设置如表1所示。

表1 圆棒试样高应变速率拉伸的DISS设计方案

2.1 夹具材料选择
 拉伸试验采用螺纹旋紧夹持方式：夹具内螺纹长度大于圆棒试样螺纹端长度，确保试样螺纹全部拧入。利用现有高速拉伸设备，加工了 M12 mm 内螺纹的 45 钢和钛合金两种夹具，热处理后硬度分别为 31 HRC 和 30 HRC。在 500 s⁻¹ 应变速率下对 AlSi10Mg 试样进行拉伸，结果如图 1 所示：钛合金夹具测得的曲线振荡幅值明显低于 45 钢夹具，因此后续试验均选用钛合金夹具。

图1 AlSi10Mg铝合金在不同材料夹具下的力-位移曲线

2.2 相机角度/距离的调节
 试验发现，当试样的直径确定后，两台相机的距离和角度基本固定，因此只要能够标定出相机清楚图像，距离和角度不需做出改变。

2.3 试验材料对高速拉伸试验的影响
 在应变速率 1 s⁻¹ 条件下测得铸铁及铸铝的应力-应变曲线，如图 2 所示。通过设备自带的力传感器测试应力，使用一台相机测试应变。可见同组试样的试验曲线平滑且重合性好，与静态拉伸试验机测得的应力-应变曲线相近。改变各项测试控制因子并观察曲线，同组试验结果仍然相似，因此接下来重点考察应变速率为100 s⁻¹和500 s⁻¹的情况。

图2 1s⁻¹应变速率下铸铝及铸铁的应力-应变曲线

2.4 应变测试方法对高速拉伸试验的影响
 分别使用一台相机和两台相机对铸铁及铸铝的拉伸试验进行应变测试，见图3和图4。可见每个试样的应变和力曲线对应的时间轴完全同步。

图3 一台相机下铸铝和铸铁的应变-时间和力-时间曲线

无论铸铁还是铸铝，在使用一台相机测试时均会出现，对应引伸计两点之间的应变，在力还未达到最大值或最终断裂时已捕捉不到散斑，而应变提前终止的情况，即力-时间曲线上力降为0的时间大于应变-时间曲线上应变率最大的时间，也就是 T > t。而两台相机的应变测试能很好地跟踪试样，指导力下降过零点，即T<t。

图4 两台相机下铸铝和铸铁的应变-时间和力-时间曲线

分析认为，一台相机捕捉的是二维平面上的散斑、而两台相机捕捉的是三维空间的散斑。圆棒试样在快速拉伸时，散斑在三维空间变化，一台相机就会因焦距变化，丢失散斑像素，从而拍不到原点变化，两台相机可在立体空间始终捕获散斑，直至试样拉断。

2.5 试样标距对高速拉伸试验的影响
 高速拉伸试验对试样尺寸和加工质量敏感，所以此次试验借鉴疲劳试验采用短标距试样，即标距 L₀＝10 mm；另外根据金属板材高速拉伸标准，选取 L₀＝20 mm 的试样考察不同标距长度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，为了避免由于位移速度增加导致应力波在试样-夹具刚性连接处反射/透射而引起曲线振荡，所测试样螺纹末端与夹具螺纹末端均保留 2 mm 间隙，试验应变速率取 100 s⁻¹。

高速拉伸试验采用的应力测试方法通常有两种，即设备自带的压电式力传感器和在夹具或试样上贴的应变片。通过应变片测得的试验结果如图5所示（此次测试的应变片均贴在下夹具端），对比发现，标距为20 mm试样的应力-应变曲线比标距为10 mm试样的离散性大。通过力传感器测得的试验结果如图6所示，可见同样标距为20 mm试样的应力-应变曲线振荡幅度较大。对拉伸试样进行统计发现，断裂位置在标距内的试样中，标距为10 mm的试样远多于标距为20 mm的试样，所测铸铁试样中，前者只有2个断在标距外，而后者有8个断在标距外。

2.6 应力测试方法对高速拉伸试验的影响
 将图5a）与图6a）、图5b）与图6b）对比可见，应变片测得的应力-应变曲线振荡幅度明显小于力传感器测得的结果，且基本与静态曲线一致，因此高速拉伸条件下适宜采用贴应变片的方式进行应力测试。

图5 应变片测得的不同标距铸铁试样的应力-应变曲线

图6 力传感测得的不同标距铸铁试样的应力-应变曲线

2.7 试样夹持长度对高速拉伸试验的影响
 采用应变片测试应力，应变速率为500 s⁻¹时铸铝的应力-应变曲线如图7所示。可见夹持长度明显影响曲线的振荡幅度，夹持长度较大试样的曲线振幅小，数据离散性小。建议棒状试样的夹持长度不小于平行段长度的2倍。

图7 铸铁在不同夹持端长度下的应力-应变曲线

2.8应变速率对高速拉伸试验的影响

根据前期的试验和DFSS设计得出的拉伸试验信噪比如图8所示。可见当试样标距为10mm，夹持端长度为35mm，应变速率为500s1，用应变片测应力时的信噪比较高，且单台相机会缺失应变数据，因此后期将使用两台相机进行应变测试。

图8 不同应变速率下拉伸试样的信噪比

经过信噪比优化后铸铁和铸铝在不同应变速率下的应力-应变曲线如图9所示。由于选择的材料对应变速率不敏感，因此当应变速率增加时，抗拉强度和断后伸长率等没有明显变化。

图9 铸铁和铸铝在不同应变速率下的应力-应变曲线

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国高材分析测试中心

高应变速率数字图像测试系统