分享：金属圆棒试样室温下高应变速率拉伸试验浅析
摘 要:在不同应变速率下对铸铁和铸铝圆棒试样进行了单轴高速拉伸试验,研究了它们的动 态力学性能及断裂情况,分析了相关因素对试验的影响.结果表明:测试应变、应力的方法,试样标 距长度及夹持端长度等对试验准确性和曲线振荡程度有较大影响;使用比刚度和比强度高的夹具、 短标距试样、应变片测试应力、两台相机测试应变、适当增加夹持端长度可以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 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０６７６Ｇ０４
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[１].一 般 应 变 速 率 小 于 ０．１s－１时,可以在静态试验机上进行试验,规范参 考 GB/T２２８．１－２０１０«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０．１s－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 ２６２０３Ｇ２:２０１１ Metallic materialsＧ TensiletestingathighstrainratesＧPart２:ServoＧ hydraulicandothertestsystems及 GB/T３００６９．２－ ２０１６ [１]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[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Ｇ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.
笔者利用液压伺服型高速拉伸试验机,综合考 察了圆棒试样高速拉伸时的各影响因素,测得了不 同试验条件下铸铁和铸铝圆棒试样的动态应力Ｇ应 变曲线,通过分析各试验条件对曲线的影响,优化了 试验方法.由于有多种应变处理方法,结果存在差 异性,为了 CAE后期本构处理的准确性,该试验数 据未采用任何方式的光滑处理[３].
１ 试验材料及方法
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１２mm 的试样.平行段工作部分表面粗 糙度为０．３２μm,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 两 台 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.
２ 试验结果与分析
２．１ 夹具材料选择
拉伸试验的夹持方式是螺纹旋紧,夹具的内螺纹 长度大于圆棒试样螺纹端长度,以保证试样螺纹全部 拧入夹具内.按照高速拉伸设备的现有夹具,制作了 带内螺纹(M１２mm)的４５钢和钛合金夹具,热处理 后的硬度分别为３１HRC和３０HRC.在５００s－１的 应变速率下对 AlSi１０Mg试样进行拉伸试验,结果如 图１所示.可见钛合金夹具测得结果的振荡幅值比 ４５钢夹具的低,故后续的测试均使用钛合金夹具.
２．２ 相机角度/距离的调节
试验发现,当试样的直径确定时,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,调节 清楚图像,距离和角度不需做出改变.
２．３ 试验材料对高速拉抻试验的影响
在应变速率为１s－１条件下测得铸铁及铸铝的 应力Ｇ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Ｇ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１００s－１和５００s－１的情况.
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是完全同步的. 无论铸铁还是铸铝,在使用一台相机测试时都会出 现,对应引伸计两点之间的应变,在力还未达到最大 值或最后断裂时已捕捉不到散斑,而应变提前终止 的情况,即力Ｇ时间曲线上力为０的时间大于应变Ｇ 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,直到力下降 过零点,即T＜t.
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 就会由于焦距变化,丢失散斑的像素,从而拍不到原 有点的变化,而两台相机可以在立体空间始终捕捉 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的尺寸和加工质量都很敏 感,所以此次试验借鉴了疲劳试验的短标距试样,即标 距L０＝１０mm;另外根据金属板材的高速拉伸标准,选 择L０＝２０mm的试样考察了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与透 射引起曲线振荡,所测试样的螺纹末端与螺纹夹具末 端均保留２mm的间隙,试验应变速率为１００s－１.
高速拉伸试验采用的应力测试方法通常有两 种[４],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Ｇ应变曲线比标距为 １０mm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２０mm试样的应 力Ｇ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１０mm 的试 样远多于标距为２０mm 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)和图６a)、图５b)和图６b)进行对比,可 见应变片测得的应力Ｇ应变曲线的振荡幅度明显比 力传感器测得的要小,基本和静态曲线一致,故高速 拉伸条件下适合贴应变片进行应力测试.
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５００s－１时铸 铝的应力Ｇ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.
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５００s－１,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.
经过信噪比优化后铸铁和铸铝在不同应变速率 下 的应力Ｇ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.
３ 结论
在圆棒试样高应变速率拉伸试验中,测试应变 和应力的方法、试样标距长度以及夹持端长度对测 试结果准确性和曲线振荡程度有较大影响;制作夹 具时应选择密度小、比刚度和比强度高的材料;非接 触式应变测试采用两台相机可保证应变和应力测试 曲线时间轴的同步性;使用短标距试样、采用应变片 测试应力、保证试样夹持端长度是平行段长度的两 倍以上可有效减弱应力Ｇ应变曲线的离散性.
参考文献:
[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 型 与 其 他 类 型 试 验 系 统: GB/T３００６９．２－２０１６[S]．北 京:中 国 标 准 出 版 社, ２０１６．
[２] 何绍清,徐树杰,贾彦敏,等．国内汽车行业高应变速 率拉伸曲线现状及应对策略研究[J]．山东工业技术, ２０１５(２４):２９３Ｇ２９４．
[３] 王亚芬,杜洪志,赵广东．基于汽车用钢碰撞性能的高 应变速率测试探讨[J]．物理测试,２０１６,３４(６):２５Ｇ２８．
[４] 刘鹏鹏,叶又,魏一凡,等．金属材料高应变速率拉伸 试验的应用及现状[J]．理化检验(物理分册),２０１８,５４ (９):６４１Ｇ６４６．
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