摘 要:在不同應變速率下對鑄鐵和鑄鋁圓棒試樣進行了單軸高速拉伸試驗,研究了它們的動 態(tài)力學性能及斷裂情況,分析了相關因素對試驗的影響.結果表明:測試應變、應力的方法,試樣標 距長度及夾持端長度等對試驗準確性和曲線振蕩程度有較大影響;使用比剛度和比強度高的夾具、 短標距試樣、應變片測試應力、兩臺相機測試應變、適當增加夾持端長度可以提高試驗結果的準確性.
關鍵詞:金屬;圓棒試樣;高應變速率;拉伸試驗
中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０６７６Ｇ０４
工程上對金屬材料的拉伸試驗通常要求應變速 率在 １０－２ ~１０３ s－１ 之 間[１].一 般 應 變 速 率 小 于 ０．１s－１時,可以在靜態(tài)試驗機上進行試驗,規(guī)范參 考 GB/T２２８．１－２０１０«金屬材料 拉伸試驗 第１部 分:室溫試驗方法»;當應變速率大于０．１s－１ 時,需 要在高速拉伸試驗機上進行試驗,稱為高應變速率 拉伸 測 試.ISO ２６２０３Ｇ２:２０１１ Metallic materialsＧ TensiletestingathighstrainratesＧPart２:ServoＧ hydraulicandothertestsystems及 GB/T３００６９．２－ ２０１６ [１]對金屬板材試樣的高應變速率拉伸測試有詳 細的說明,但對金屬圓棒試樣缺乏指導性規(guī)范.
機械設備結構件多為鑄件,其力學性能關系到 產(chǎn)品的碰撞安全性[２].鑄件的力學性能一般通過測 試標準圓棒試樣獲得,因此了解圓棒試樣高應變速 率測試時的影響因素,獲得準確的高應變速率條件 下的拉伸應力Ｇ應變曲線等相關信息對零件結構的 碰撞安全性評價非常重要.
筆者利用液壓伺服型高速拉伸試驗機,綜合考 察了圓棒試樣高速拉伸時的各影響因素,測得了不 同試驗條件下鑄鐵和鑄鋁圓棒試樣的動態(tài)應力Ｇ應 變曲線,通過分析各試驗條件對曲線的影響,優(yōu)化了 試驗方法.由于有多種應變處理方法,結果存在差 異性,為了 CAE后期本構處理的準確性,該試驗數(shù) 據(jù)未采用任何方式的光滑處理[３].
１ 試驗材料及方法
試驗材料 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行加工.測試設備為液壓伺服型高 速拉伸 試 驗 機 和 兩 臺 高 速 相 機 及 數(shù) 字 圖 像 處 理 系統(tǒng).
基于國內(nèi)外行業(yè)研究現(xiàn)狀,該試驗考察了８個 影響因素:夾具材料、相機角度/距離、試驗材料、應 變測試、樣條形狀/標距、試樣夾持端長度、應力測 試、應變速率.按照 DFSS(６西格瑪設計)進行正交 試驗,各影響因素的水平設置如表１所示.
２ 試驗結果與分析
２．１ 夾具材料選擇
拉伸試驗的夾持方式是螺紋旋緊,夾具的內(nèi)螺紋 長度大于圓棒試樣螺紋端長度,以保證試樣螺紋全部 擰入夾具內(nèi).按照高速拉伸設備的現(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 應變速率下對 AlSi１０Mg試樣進行拉伸試驗,結果如 圖１所示.可見鈦合金夾具測得結果的振蕩幅值比 ４５鋼夾具的低,故后續(xù)的測試均使用鈦合金夾具.
２．２ 相機角度/距離的調(diào)節(jié)
試驗發(fā)現(xiàn),當試樣的直徑確定時,兩臺相機的距 離和角度基本固定,因此只要能夠標定出相機,調(diào)節(jié) 清楚圖像,距離和角度不需做出改變.
２．３ 試驗材料對高速拉抻試驗的影響
在應變速率為１s－１條件下測得鑄鐵及鑄鋁的 應力Ｇ應變曲線,如圖２所示.通過設備自帶的力傳感器測試應力,使用一臺相機測試應變.可見同組 試樣的試驗曲線平滑且重合性好,與靜態(tài)拉伸試驗 機測得的應力Ｇ應變曲線相近.改變各項測試控制 因子并觀察曲線,同組試驗結果仍然相似,因此接下 來重點考察應變速率為１００s－１和５００s－１的情況.
２．４ 應變測試方法對高速拉伸試驗的影響
分別使用一臺相機和兩臺相機對鑄鐵及鑄鋁的 拉伸試驗進行應變測試,見圖３和圖４.可見每個 試樣的應變和力曲線對應的時間軸是完全同步的. 無論鑄鐵還是鑄鋁,在使用一臺相機測試時都會出 現(xiàn),對應引伸計兩點之間的應變,在力還未達到最大 值或最后斷裂時已捕捉不到散斑,而應變提前終止 的情況,即力Ｇ時間曲線上力為０的時間大于應變Ｇ 時間曲線上應變率最大的時間,也就是T＞t.而兩臺相機的應變測試能很好地跟蹤試樣,直到力下降 過零點,即T＜t.
分析認為,一臺相機捕捉的是二維平面上的散斑,而兩臺相機捕捉的是三維空間的散斑.圓棒試 樣在快速拉伸時,散斑在三維空間變化,一臺相機 就會由于焦距變化,丟失散斑的像素,從而拍不到原 有點的變化,而兩臺相機可以在立體空間始終捕捉 散斑,直至試樣拉斷.
２．５ 試樣標距對高速拉伸試驗的影響
高速拉伸試驗對試樣的尺寸和加工質(zhì)量都很敏 感,所以此次試驗借鑒了疲勞試驗的短標距試樣,即標 距L０＝１０mm;另外根據(jù)金屬板材的高速拉伸標準,選 擇L０＝２０mm的試樣考察了不同標距長度對鑄鐵力 學性能的影響.通常隨著標距的增加,高速拉伸試驗 機的設定位移速度也成比例增加,為了避免由于位移 速度增加導致應力波在試樣夾具剛性連接處反射與透 射引起曲線振蕩,所測試樣的螺紋末端與螺紋夾具末 端均保留２mm的間隙,試驗應變速率為１００s－１.
高速拉伸試驗采用的應力測試方法通常有兩 種[４],即設備自帶的壓電式力傳感器和在夾具或試樣 上貼的應變片.通過應變片測得的試驗結果如圖５ 所示(此次測試的應變片均貼在下夾具端),對比發(fā) 現(xiàn),標距為２０ mm 試樣的應力Ｇ應變曲線比標距為 １０mm試樣的離散性大.通過力傳感器測得的試驗 結果如圖６所示,可見同樣標距為２０mm試樣的應 力Ｇ應變曲線振蕩幅度較大.對拉伸試樣進行統(tǒng)計發(fā) 現(xiàn),斷裂位置在標距內(nèi)的試樣中,標距為１０mm 的試 樣遠多于標距為２０mm 的試樣,所測鑄鐵試樣中,前 者只有２個斷在標距外,而后者有８個斷在標距外.
２．６ 應力測試方法對高速拉伸試驗的影響
將圖５a)和圖６a)、圖５b)和圖６b)進行對比,可 見應變片測得的應力Ｇ應變曲線的振蕩幅度明顯比 力傳感器測得的要小,基本和靜態(tài)曲線一致,故高速 拉伸條件下適合貼應變片進行應力測試.
２．７ 試樣夾持長度對高速拉伸試驗的影響
采用應變片測試應力,應變速率為５００s－１時鑄 鋁的應力Ｇ應變曲線如圖７所示.可見夾持長度明顯影響曲線的振蕩幅度,夾持長度較大試樣的曲線 振幅小,數(shù)據(jù)離散性小.建議棒狀試樣的夾持長度 不小于平行段長度的２倍.
２．８ 應變速率對高速拉伸試驗的影響
根據(jù)前期的試驗和 DFSS設計得出的拉伸試驗 信噪比如圖８所示.可見當試樣標距為１０mm,夾 持端長度為３５mm,應變速率為５００s－１,用應變片 測應力時的信噪比較高,且單臺相機會缺失應變數(shù) 據(jù),因此后期將使用兩臺相機進行應變測試.
經(jīng)過信噪比優(yōu)化后鑄鐵和鑄鋁在不同應變速率 下 的應力Ｇ應變曲線如圖９所示.由于選擇 的 材 料對應變速率不敏感,因此當應變速率增加時,抗拉強 度和斷后伸長率等沒有明顯變化.
３ 結論
在圓棒試樣高應變速率拉伸試驗中,測試應變 和應力的方法、試樣標距長度以及夾持端長度對測 試結果準確性和曲線振蕩程度有較大影響;制作夾 具時應選擇密度小、比剛度和比強度高的材料;非接 觸式應變測試采用兩臺相機可保證應變和應力測試 曲線時間軸的同步性;使用短標距試樣、采用應變片 測試應力、保證試樣夾持端長度是平行段長度的兩 倍以上可有效減弱應力Ｇ應變曲線的離散性.
參考文獻:
[１] 全國鋼標準化技術委員會．金屬材料 高應變速率拉伸 試驗 第２ 部 分:液 壓 伺 服 型 與 其 他 類 型 試 驗 系 統(tǒng): GB/T３００６９．２－２０１６[S]．北 京:中 國 標 準 出 版 社, ２０１６．
[２] 何紹清,徐樹杰,賈彥敏,等．國內(nèi)汽車行業(yè)高應變速 率拉伸曲線現(xiàn)狀及應對策略研究[J]．山東工業(yè)技術, 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 應變速率測試探討[J]．物理測試,２０１６,３４(６):２５Ｇ２８．
[４] 劉鵬鵬,葉又,魏一凡,等．金屬材料高應變速率拉伸 試驗的應用及現(xiàn)狀[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１８,５４ (９):６４１Ｇ６４６．