摘 要:在不同應(yīng)變速率下對(duì)鑄鐵和鑄鋁圓棒試樣進(jìn)行了單軸高速拉伸試驗(yàn),研究了它們的動(dòng) 態(tài)力學(xué)性能及斷裂情況,分析了相關(guān)因素對(duì)試驗(yàn)的影響.結(jié)果表明:測(cè)試應(yīng)變、應(yīng)力的方法,試樣標(biāo) 距長(zhǎng)度及夾持端長(zhǎng)度等對(duì)試驗(yàn)準(zhǔn)確性和曲線振蕩程度有較大影響;使用比剛度和比強(qiáng)度高的夾具、 短標(biāo)距試樣、應(yīng)變片測(cè)試應(yīng)力、兩臺(tái)相機(jī)測(cè)試應(yīng)變、適當(dāng)增加夾持端長(zhǎng)度可以提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

關(guān)鍵詞:金屬;圓棒試樣;高應(yīng)變速率;拉伸試驗(yàn) 

中圖分類號(hào):TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０６７６Ｇ０４ 

工程上對(duì)金屬材料的拉伸試驗(yàn)通常要求應(yīng)變速 率在 １０－２ ~１０３ s－１ 之 間[１].一 般 應(yīng) 變 速 率 小 于 ０．１s－１時(shí),可以在靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),規(guī)范參 考 GB/T２２８．１－２０１０«金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第１部 分:室溫試驗(yàn)方法»;當(dāng)應(yīng)變速率大于０．１s－１ 時(shí),需 要在高速拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),稱為高應(yīng)變速率 拉伸 測(cè) 試.ISO ２６２０３Ｇ２:２０１１ Metallic materialsＧ TensiletestingathighstrainratesＧPart２:ServoＧ hydraulicandothertestsystems及 GB/T３００６９．２－ ２０１６ [１]對(duì)金屬板材試樣的高應(yīng)變速率拉伸測(cè)試有詳 細(xì)的說(shuō)明,但對(duì)金屬圓棒試樣缺乏指導(dǎo)性規(guī)范. 

機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)件多為鑄件,其力學(xué)性能關(guān)系到 產(chǎn)品的碰撞安全性[２].鑄件的力學(xué)性能一般通過(guò)測(cè) 試標(biāo)準(zhǔn)圓棒試樣獲得,因此了解圓棒試樣高應(yīng)變速 率測(cè)試時(shí)的影響因素,獲得準(zhǔn)確的高應(yīng)變速率條件 下的拉伸應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線等相關(guān)信息對(duì)零件結(jié)構(gòu)的 碰撞安全性評(píng)價(jià)非常重要. 

筆者利用液壓伺服型高速拉伸試驗(yàn)機(jī),綜合考 察了圓棒試樣高速拉伸時(shí)的各影響因素,測(cè)得了不 同試驗(yàn)條件下鑄鐵和鑄鋁圓棒試樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力Ｇ應(yīng) 變曲線,通過(guò)分析各試驗(yàn)條件對(duì)曲線的影響,優(yōu)化了 試驗(yàn)方法.由于有多種應(yīng)變處理方法,結(jié)果存在差 異性,為了 CAE后期本構(gòu)處理的準(zhǔn)確性,該試驗(yàn)數(shù) 據(jù)未采用任何方式的光滑處理[３].

１ 試驗(yàn)材料及方法 

試驗(yàn)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１２mm 的試樣.平行段工作部分表面粗 糙度為０．３２μm,同軸度小于０．０１ mm,使用銑床和外圓磨床進(jìn)行加工.測(cè)試設(shè)備為液壓伺服型高 速拉伸 試 驗(yàn) 機(jī) 和 兩 臺(tái) 高 速 相 機(jī) 及 數(shù) 字 圖 像 處 理 系統(tǒng). 

基于國(guó)內(nèi)外行業(yè)研究現(xiàn)狀,該試驗(yàn)考察了８?jìng)€(gè) 影響因素:夾具材料、相機(jī)角度/距離、試驗(yàn)材料、應(yīng) 變測(cè)試、樣條形狀/標(biāo)距、試樣夾持端長(zhǎng)度、應(yīng)力測(cè) 試、應(yīng)變速率.按照 DFSS(６西格瑪設(shè)計(jì))進(jìn)行正交 試驗(yàn),各影響因素的水平設(shè)置如表１所示.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與分析 

２．１ 夾具材料選擇 

拉伸試驗(yàn)的夾持方式是螺紋旋緊,夾具的內(nèi)螺紋 長(zhǎng)度大于圓棒試樣螺紋端長(zhǎng)度,以保證試樣螺紋全部 擰入夾具內(nèi).按照高速拉伸設(shè)備的現(xiàn)有夾具,制作了 帶內(nèi)螺紋(M１２mm)的４５鋼和鈦合金夾具,熱處理 后的硬度分別為３１HRC和３０HRC.在５００s－１的 應(yīng)變速率下對(duì) AlSi１０Mg試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如 圖１所示.可見(jiàn)鈦合金夾具測(cè)得結(jié)果的振蕩幅值比 ４５鋼夾具的低,故后續(xù)的測(cè)試均使用鈦合金夾具.

２．２ 相機(jī)角度/距離的調(diào)節(jié) 

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)試樣的直徑確定時(shí),兩臺(tái)相機(jī)的距 離和角度基本固定,因此只要能夠標(biāo)定出相機(jī),調(diào)節(jié) 清楚圖像,距離和角度不需做出改變. 

２．３ 試驗(yàn)材料對(duì)高速拉抻試驗(yàn)的影響 

在應(yīng)變速率為１s－１條件下測(cè)得鑄鐵及鑄鋁的 應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線,如圖２所示.通過(guò)設(shè)備自帶的力傳感器測(cè)試應(yīng)力,使用一臺(tái)相機(jī)測(cè)試應(yīng)變.可見(jiàn)同組 試樣的試驗(yàn)曲線平滑且重合性好,與靜態(tài)拉伸試驗(yàn) 機(jī)測(cè)得的應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線相近.改變各項(xiàng)測(cè)試控制 因子并觀察曲線,同組試驗(yàn)結(jié)果仍然相似,因此接下 來(lái)重點(diǎn)考察應(yīng)變速率為１００s－１和５００s－１的情況.

２．４ 應(yīng)變測(cè)試方法對(duì)高速拉伸試驗(yàn)的影響 

分別使用一臺(tái)相機(jī)和兩臺(tái)相機(jī)對(duì)鑄鐵及鑄鋁的 拉伸試驗(yàn)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試,見(jiàn)圖３和圖４.可見(jiàn)每個(gè) 試樣的應(yīng)變和力曲線對(duì)應(yīng)的時(shí)間軸是完全同步的. 無(wú)論鑄鐵還是鑄鋁,在使用一臺(tái)相機(jī)測(cè)試時(shí)都會(huì)出 現(xiàn),對(duì)應(yīng)引伸計(jì)兩點(diǎn)之間的應(yīng)變,在力還未達(dá)到最大 值或最后斷裂時(shí)已捕捉不到散斑,而應(yīng)變提前終止 的情況,即力Ｇ時(shí)間曲線上力為０的時(shí)間大于應(yīng)變Ｇ 時(shí)間曲線上應(yīng)變率最大的時(shí)間,也就是T＞t.而兩臺(tái)相機(jī)的應(yīng)變測(cè)試能很好地跟蹤試樣,直到力下降 過(guò)零點(diǎn),即T＜t.

分析認(rèn)為,一臺(tái)相機(jī)捕捉的是二維平面上的散斑,而兩臺(tái)相機(jī)捕捉的是三維空間的散斑.圓棒試 樣在快速拉伸時(shí),散斑在三維空間變化,一臺(tái)相機(jī) 就會(huì)由于焦距變化,丟失散斑的像素,從而拍不到原 有點(diǎn)的變化,而兩臺(tái)相機(jī)可以在立體空間始終捕捉 散斑,直至試樣拉斷.

２．５ 試樣標(biāo)距對(duì)高速拉伸試驗(yàn)的影響 

高速拉伸試驗(yàn)對(duì)試樣的尺寸和加工質(zhì)量都很敏 感,所以此次試驗(yàn)借鑒了疲勞試驗(yàn)的短標(biāo)距試樣,即標(biāo) 距L０＝１０mm;另外根據(jù)金屬板材的高速拉伸標(biāo)準(zhǔn),選 擇L０＝２０mm的試樣考察了不同標(biāo)距長(zhǎng)度對(duì)鑄鐵力 學(xué)性能的影響.通常隨著標(biāo)距的增加,高速拉伸試驗(yàn) 機(jī)的設(shè)定位移速度也成比例增加,為了避免由于位移 速度增加導(dǎo)致應(yīng)力波在試樣夾具剛性連接處反射與透 射引起曲線振蕩,所測(cè)試樣的螺紋末端與螺紋夾具末 端均保留２mm的間隙,試驗(yàn)應(yīng)變速率為１００s－１. 

高速拉伸試驗(yàn)采用的應(yīng)力測(cè)試方法通常有兩 種[４],即設(shè)備自帶的壓電式力傳感器和在夾具或試樣 上貼的應(yīng)變片.通過(guò)應(yīng)變片測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果如圖５ 所示(此次測(cè)試的應(yīng)變片均貼在下夾具端),對(duì)比發(fā) 現(xiàn),標(biāo)距為２０ mm 試樣的應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線比標(biāo)距為 １０mm試樣的離散性大.通過(guò)力傳感器測(cè)得的試驗(yàn) 結(jié)果如圖６所示,可見(jiàn)同樣標(biāo)距為２０mm試樣的應(yīng) 力Ｇ應(yīng)變曲線振蕩幅度較大.對(duì)拉伸試樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā) 現(xiàn),斷裂位置在標(biāo)距內(nèi)的試樣中,標(biāo)距為１０mm 的試 樣遠(yuǎn)多于標(biāo)距為２０mm 的試樣,所測(cè)鑄鐵試樣中,前 者只有２個(gè)斷在標(biāo)距外,而后者有８?jìng)€(gè)斷在標(biāo)距外.

２．６ 應(yīng)力測(cè)試方法對(duì)高速拉伸試驗(yàn)的影響 

將圖５a)和圖６a)、圖５b)和圖６b)進(jìn)行對(duì)比,可 見(jiàn)應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線的振蕩幅度明顯比 力傳感器測(cè)得的要小,基本和靜態(tài)曲線一致,故高速 拉伸條件下適合貼應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試. 

２．７ 試樣夾持長(zhǎng)度對(duì)高速拉伸試驗(yàn)的影響 

采用應(yīng)變片測(cè)試應(yīng)力,應(yīng)變速率為５００s－１時(shí)鑄 鋁的應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線如圖７所示.可見(jiàn)夾持長(zhǎng)度明 顯影響曲線的振蕩幅度,夾持長(zhǎng)度較大試樣的曲線 振幅小,數(shù)據(jù)離散性小.建議棒狀試樣的夾持長(zhǎng)度 不小于平行段長(zhǎng)度的２倍.

２．８ 應(yīng)變速率對(duì)高速拉伸試驗(yàn)的影響

根據(jù)前期的試驗(yàn)和 DFSS設(shè)計(jì)得出的拉伸試驗(yàn) 信噪比如圖８所示.可見(jiàn)當(dāng)試樣標(biāo)距為１０mm,夾 持端長(zhǎng)度為３５mm,應(yīng)變速率為５００s－１,用應(yīng)變片 測(cè)應(yīng)力時(shí)的信噪比較高,且單臺(tái)相機(jī)會(huì)缺失應(yīng)變數(shù) 據(jù),因此后期將使用兩臺(tái)相機(jī)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試. 

經(jīng)過(guò)信噪比優(yōu)化后鑄鐵和鑄鋁在不同應(yīng)變速率 下 的應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線如圖９所示.由于選擇 的 材 料對(duì)應(yīng)變速率不敏感,因此當(dāng)應(yīng)變速率增加時(shí),抗拉強(qiáng) 度和斷后伸長(zhǎng)率等沒(méi)有明顯變化.

３ 結(jié)論 

在圓棒試樣高應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)中,測(cè)試應(yīng)變 和應(yīng)力的方法、試樣標(biāo)距長(zhǎng)度以及夾持端長(zhǎng)度對(duì)測(cè) 試結(jié)果準(zhǔn)確性和曲線振蕩程度有較大影響;制作夾 具時(shí)應(yīng)選擇密度小、比剛度和比強(qiáng)度高的材料;非接 觸式應(yīng)變測(cè)試采用兩臺(tái)相機(jī)可保證應(yīng)變和應(yīng)力測(cè)試 曲線時(shí)間軸的同步性;使用短標(biāo)距試樣、采用應(yīng)變片 測(cè)試應(yīng)力、保證試樣夾持端長(zhǎng)度是平行段長(zhǎng)度的兩 倍以上可有效減弱應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線的離散性.

參考文獻(xiàn): 

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[２] 何紹清,徐樹(shù)杰,賈彥敏,等．國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)高應(yīng)變速 率拉伸曲線現(xiàn)狀及應(yīng)對(duì)策略研究[J]．山東工業(yè)技術(shù), ２０１５(２４):２９３Ｇ２９４． 

[３] 王亞芬,杜洪志,趙廣東．基于汽車用鋼碰撞性能的高 應(yīng)變速率測(cè)試探討[J]．物理測(cè)試,２０１６,３４(６):２５Ｇ２８． 

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<文章來(lái)源  > 材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 55卷 > 10期 (pp:676-679)>