王艳华1 朱福生2
1.天津达祥精密工业有限公司 天津 301700
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摘要：飞机在服役过程中结构可能会遭受鸟撞、应急坠撞等冲击载荷的作用，如飞机机头和机翼结构是飞鸟、冰雹等外来物冲击的密切关注部位，飞机机体下部结构则需进行抗坠撞设计以提高其适坠性。飞机结构在冲击载荷作用下，材料的力学行为相较准静态加载需考虑应变率效应的影响，即随着加载应变率的提高，材料往往呈现出一定的应变率敏感性。以往研究表明，钛合金、合金钢等金属材料的强度极限和失效应变等参数随着应变率的提高会发生显著变化，而铝合金的率敏感性则偏弱甚至不敏感。因此，为准确进行飞机结构的抗冲击设计和分析，需通过试验手段获得材料的动态力学性能参数。
关键词：中低应变率；动态本构表征；非接触测试；热耗散；数据处理
引言
目前国内的金属材料拉伸试验一般依据GB/T228.1－2010进行，由于标准GB/T228.1－2010现行版本对金属拉伸试样的尺寸(如平行长度、宽厚比、圆弧过渡半径等)的规定较宽泛，在中低应变率不同情况下,有可能会影响检测结果。通过研究发现中低应变率对低碳钢拉伸试样的屈服强度、伸长率存在影响。目前关于中低应变率动态拉伸试验研究非常较少，因此，有必要对中低应变率动态拉伸方法进行研究。
1试验部分
1.1一般要求
应在外观和尺寸合格的金属材料上进行取样，试料的大小应能确保机械加工出符合要求的试样；注意要在试样上做好标识标记，避免混淆，如果混淆则无法分辨出试样取样的位置与方向；取样的方向和数量应由产品标准或供需双方协议规定。
1.2材料的动态应变测试
材料力学性能试验中应变测试的常规方法包括应变电测法和引伸计测量方法。但受限于常规应变片使用量程的限制，无法测量金属材料的塑性变形全过程。而材料动态拉伸试验为瞬态破坏过程，传统机械引伸计易发生损坏也不适用。因此，在金属材料动态拉伸试验中，常规的接触式应变测试手段无法适用。数字图像相关方法(digitalimagecorrelation,DIC)是应用计算机视觉技术的一种光学测量方法，因操作简单、精度高，可在非接触条件下进行全场变形测量等特点，在试验力学领域已获得越来越广泛的应用。考虑不同的应用场景，非接触应变测试可分为基于灰度匹配和基于特征匹配等方法。其中，基于灰度匹配的测量原理是由图像采集装置记录被测物体位移或变形前后的两幅散斑图，经模数转换得到两个数字灰度场，对数字灰度场做相关运算，找到相关系数极值点，得到相应的位移或变形，再经过适当的数值差分计算获得试样表面的位移场和应变场。
1.3试验设备
拉伸试验所用的设备为深圳新三思检测有限公司的微机控制电子万能试验机，量程:400N～200kN，由计算机控制试验过程，所有的拉伸试验数据全部由软件获取。采用引伸计的控制方式进行试验，分别选取三种条件，屈服前拉伸速度:0.00050Lcmm/s，0.00075Lcmm/s、0.0010Lcmm/s，对应的屈服后拉伸速度:0.0040Lcmm/s、0.0067Lcmm/s、0.0080Lcmm/s。
1.4材料的动态失效过程热耗散测试
金属材料动态拉伸破坏过程持续时间一般在毫秒甚至微秒量级，试样失效过程中会导致材料内部急剧升温，并以热耗散形式对外释放。金属材料的动态加载过程往往伴随着应变强化、应变率效应和热耗散效应的同时作用，这些因素相互竞争，对材料的动态力学行为有着耦合影响，热耗散测试是金属材料动态拉伸试验的一项重要内容。
红外摄像技术由于快速直观、非接触等特点被应用于多个领域[，指出受到红外热像仪响应时间相对较慢制约，在材料动态力学性能研究方面多适用于低、中应变率试验，红外摄像测温更多应用于材料的疲劳试验研究中，如Luong[33]指出红外热像作为一种无损的实时监测技术，不仅能够确定材料疲劳损伤的位置和演化过程，而且能够观察损伤和破坏的物理过程，能够监测内耗的发生。Chrysochoos通过数字图像相关与红外热像法相结合对钢材的疲劳过程进行研究，获得了材料疲劳试验中的应变能和热耗散能量。
2结果分析
2.1加工式样对金属材料拉伸性能的影响
在金属材料加工的过程中，我们一般对试样进行切取制备等多个步骤，样胚的形状、大小、尺寸、制备方法不同，均会对材料的拉伸性能产生一些影响。首先，如果在和压制方向相同的部位取样，能够增加金属的拉伸强度和屈服强度。另外，材料的拉伸性能还会受到组织结构、化学成分等不稳定因素的影响。现在很多钢材为了增加韧性，调整材料的拉伸性能，一般会混入一些粒子形成合金材料，就会使材料的拉伸性能产生很大差别。另外，材料的一些加工方式，如冷剪、砂片切割、火焰刀割等方式则对材料的力学性能产生多种影响。当前我们在对金属材料加工时，一般金属材料切割的理想状态是其横截面尺寸均匀一致，在发生形变之前切取目标样本。但是在实际加工过程中，由于刀具或机床的原因，或者是加工方式出现偏差，常常使试样在加工过程中产生一定的形状公差，如一端大，另一端小；两端大，中间小；或中间大，两端小等情况都有发生。当金属材料产生这一些形变误差时，就会对其拉伸性能产生多种影响，在相同条件小发现随着应变率的提高，这些因素影响会逐渐增大，导致性能变化较大。
2.2针对工程应用需求持续形成标准、规范等成果
围绕持续构建普适性试验方法和流程的需求，进一步形成标准化的测试规范，结合大量试验数据积累的基础上，开发各类材料的动态力学性能数据库，形成面向工程使用的手册和软件工具等成果。
2.3加工时间对金属材料拉伸性能的影响
金属材料横向拉伸的强度，也会随着加工时间的改变而产生一些变化，总体趋势也是先增长而后趋于平缓的状态。所以说如果加工时间过短，就容易导致金属材料内部金属粒子流通不良，进而使金属材料横向拉伸值有所降低，而材料的脆性会随之增加。当金属材料的横向拉伸性能达到最佳程度之后，即使我们用再多的时间进行拉伸来完成加工，也不会对它的拉伸性能产生太大影响。所以在金属材料加工过程中要合理选择加工时间，避免人力物力的浪费。
2.4针对不同对象材料发展适用的试验方法
本文介绍的试验方法对于具有弹塑性特征的金属材料具有较好适用性，然而对于复合材料、含能材料、超软/超脆材料等其他材料的适用性则有待实践和验证，可预见的是在非接触变形测试、热耗散测试等方面均可有所借鉴，但在试验件设计及其加载形式、动态载荷测试、本构方程表征等方面须结合实际进行新方法探索。变化更加敏感。
结束语
金属材料的中低应变率动态力学性能是进行结构抗冲击设计和分析的重要输入数据，在飞机抗外物冲击及适坠性、汽车碰撞安全等军民领域具有共性的研究需求。基于高速液压伺服试验机的金属材料动态拉伸试验是获得中低应变率力学性能的主要手段。经过国内外学者大量卓有成效的研究工作，解决了动态载荷测试、动态应变测试及热耗散测试、试验数据处理及本构表征等多项关键试验技术，并在工程实际中获得了较好的应用。
参考文献
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