基于高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)的材料動態(tài)拉伸試驗(yàn)是獲得中低應(yīng)變率力學(xué)性能的主要手段，但如何獲得材料的動態(tài)拉伸載荷、動態(tài)應(yīng)變，以及失效過程的熱耗散數(shù)據(jù)是試驗(yàn)測試的關(guān)鍵。就像飛機(jī)在服役過程中結(jié)構(gòu)可能會遭受鳥撞、應(yīng)急墜撞等沖擊載荷的作用，如飛機(jī)機(jī)頭和機(jī)翼結(jié)構(gòu)是飛鳥、冰雹等外來物沖擊的密切關(guān)注部位，飛機(jī)機(jī)體下部結(jié)構(gòu)則需進(jìn)行抗墜撞設(shè)計(jì)以提高其適墜性。飛機(jī)結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下，材料的力學(xué)行為相較準(zhǔn)靜態(tài)加載需考慮應(yīng)變率效應(yīng)的影響，即隨著加載應(yīng)變率的提高，材料往往呈現(xiàn)出一定的應(yīng)變率敏感性。以往研究表明，高強(qiáng)度材料的強(qiáng)度極限和失效應(yīng)變等參數(shù)隨著應(yīng)變率的提高會發(fā)生顯著變化，因此，為準(zhǔn)確進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗沖擊設(shè)計(jì)和分析，需通過試驗(yàn)手段獲得材料的動態(tài)力學(xué)性能參數(shù)。
一般而言，應(yīng)變率范圍10-1s-1～103s-1為中低應(yīng)變率狀態(tài)，處于該范圍左右兩端之外的則分別為準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率狀態(tài)。需要說明的是在不同的應(yīng)變率范圍，需匹配不同的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行力學(xué)性能測試，如圖1所示，如準(zhǔn)靜態(tài)范圍一般通過常規(guī)的靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)，中低應(yīng)變率范圍則一般通過高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)，而高應(yīng)變率范圍則一般采用霍普金森桿試驗(yàn)裝置。相較而言，中低應(yīng)變率范圍內(nèi)的材料動態(tài)力學(xué)性能測試方法尚沒有準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率下的測試方法成熟，主要體現(xiàn)為基于高速液壓伺服試驗(yàn)機(jī)的材料中低應(yīng)變率動態(tài)拉伸試驗(yàn)相對較少，在關(guān)鍵試驗(yàn)參數(shù)測試、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等方面有待進(jìn)一步形成共識。
圖1 典型材料在不同應(yīng)變率范圍的試驗(yàn)裝置
高速拉伸試驗(yàn)機(jī)
霍普金森桿
材料的動態(tài)應(yīng)變測試
材料力學(xué)性能試驗(yàn)中應(yīng)變測試的常規(guī)方法包括應(yīng)變電測法和引伸計(jì)測量方法。但受限于常規(guī)應(yīng)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(tài)拉伸試驗(yàn)為瞬態(tài)破壞過程，傳統(tǒng)機(jī)械引伸計(jì)易發(fā)生損壞也不適用。因此，在材料動態(tài)拉伸試驗(yàn)中，常規(guī)的接觸式應(yīng)變測試手段無法適用。
圖2 DIC方法的測量原理圖
圖3 DIC應(yīng)變測試
利用光學(xué)技術(shù)的應(yīng)變測量方法還包括視頻伸長計(jì)方法，通過在試樣關(guān)注部位標(biāo)識兩個跟蹤點(diǎn)，利用圖像分析軟件跟蹤兩個標(biāo)識點(diǎn)的移動來測試試驗(yàn)件的變形，進(jìn)而計(jì)算出標(biāo)距段的應(yīng)變，如圖4所示。此方法雖不能獲得試樣的全場變形信息，但可在關(guān)注幅面中任意設(shè)置測量的標(biāo)距位置，且計(jì)算效率更高，也常用于材料的動態(tài)拉伸應(yīng)變測試。
圖4 視頻伸長計(jì)原理圖
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