白春玉 葛宇静 惠旭龙 刘小川 杨强 张宇

摘要：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，但如何获得材料的动态拉伸载荷、动态应变，以及失效过程的热耗散数据是试验测试的关键。本文总结了金属材料的中低应变率动态拉伸试验方法，编制了可视化试验数据处理软件，提高了试验数据处理效率。应用本文方法获得了2024-T42、2A16-O两类典型金属材料的动态本构参数，并对下一步技术发展进行了展望。

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

中图分类号：O347文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.12.004

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[1]。

一般而言，应变率范围10-1s-1～103s-1为中低应变率状态，处于该范围左右两端之外的则分别为准静态和高应变率状态。需要说明的是在不同的应变率范围，需匹配不同的试验设备进行力学性能测试，如图1所示，如准静态范围一般通过常规的静态试验机，中低应变率范围则一般通过高速液压伺服试验机，而高应变率范围则一般采用霍普金森杆试验装置。相较而言，中低应变率范围内的材料动态力学性能测试方法尚没有准静态和高应变率下的测试方法成熟，主要体现为基于高速液压伺服试验机的材料中低应变率动态拉伸试验相对较少，在关键试验参数测试、试验数据处理等方面有待进一步形成共识。

本文以高速液压伺服试验机为试验平台，重点针对金属材料的动态拉伸载荷高精度测试、动态变形和热耗散的非接触测试等方面进行了总结，编制了可视化试验数据处理软件，提高了试验数据处理效率，应用本文方法获得了2024-T42、2A16-O两类典型金属材料的动态本构参数。最后，对金属材料中低应变率动态拉伸试验下一步技术发展进行了展望。

1试验设备及试验过程

本文研究采用的试验平台为高速液压伺服试验机，其具有恒速率作动（作动缸最大加载速率可达到20m/s）、开环/闭环协调高精度控制、加载重复性高等特点，是获取材料的中低应变率动态力学性能的常用试验设备，一般由试验机台架、液压动力源、控制系统和水冷机等构成，其中试验机台架由作动缸、动态夹持夹具、静态夹持夹具、测力传感器等构成，如图2所示。

材料动态拉伸试验过程为：（1）试验前将试验件一端安装固定于静态夹持夹具，对安装于作动缸末端的动态夹持夹具进行预紧，使试验件和动态夹持夹具保持接近贴合，且作动缸上下运动时试验件不与其发生干涉和卡滞；（2）设置试验控制和采集系统参数，如控制方式、作动缸目标加载速率、数据采集频率、数据采集触发方式和参数等；（3）作动缸运动至最低位置，随后向上运动加速到目标速率后动态夹持夹具瞬间释放侧向抱紧试验件，实现试验件随动恒速率拉伸，并在试验件受到拉伸前触发试验数据采集系统。

金属材料动态拉伸试验件一般采用“狗骨”式平板试样，如图3所示，其由静态夹持段、试验段和动态夹持段构成，其中，理论应变率为加载速率与试验段长度的比值，可匹配试验段的长度实现不同理论应变率的动态拉伸试验，如试验件试验段长度为20mm，在试验机最大加载速率20m/s下，理论上可实现应变率103s-1的动态测试。

2试验测试方法

2.1材料的动态载荷测试

试验机自带的载荷传感器可测试试样动态拉伸过程的载荷，但当加载应变率大于10s-1时，载荷传感器测试的信号在试验件的塑性变形阶段出现振荡，这主要是因为在动态加载的瞬态激励作用下，激起由试验件、静态夹持夹具和传感器三部分组合结构的模态频率，造成其振动特性耦合到测试信号中，导致试验件动态拉伸载荷信号失真[2-5]。因此，如何精确测试材料动态拉伸过程的载荷数据是一项关键技术。

人们进行了多种尝试以获得精确的材料动态拉伸载荷数据，如学者们提出了对测试载荷数据进行光滑平均或數字滤波等处理方法以获得载荷数据[6-7]，但此类方法对于振荡幅度小的测试数据可获得比较好的效果，但对于振荡幅度大的测试数据则存在真实信号的误处理风险。H. Huh[8]从减少试验夹持工装自身重量和提高其刚度出发，通过对试验机夹持工装和试验件进行改进设计，使试验系统频响提高，有效缓解了载荷传感器测试数据的振荡问题。O.Ramzi[9]将高速液压伺服试验机的载荷传感器替换成均匀杆，对该杆三个位置的应变测量信号进行离散傅里叶变换，应用波分离技术在频域内对测试信号进行处理，提出了一种BCGO拉伸载荷测试方法，同样解决了载荷的振荡问题。Kussmal等[10]使用铝阻尼器的塑性变形来减少载荷振荡，但该方式降低了应变率，且对于选用何种规格的阻尼材料更为有效也很难得出统一结论。

需要说明的是，以上方法虽对于改善测试载荷的振荡问题均具有一定作用，但存在改造工作量大、难以标准化等问题。为此，学者们[11-14]提出了金属材料动态拉伸载荷的间接测试方法，其主要思路为在动态拉伸试验前，先通过静态加载试验获得试验件静态夹持段的应变片输出信号（一般为惠斯顿全桥电路电压）与拉伸载荷的标定系数，如图4所示，在动态拉伸试验中，以此标定试验件动态拉伸过程的载荷数据。试验中需关注以下方面：（1）进行合理的试验件尺寸设计，以保证试验件在拉伸失效过程中非试验段处于弹性变形状态；（2）标定试验前需进行准静态拉伸破坏测试，确定标定试验载荷加载范围，保证标定试验中试验件不发生塑性变形。图5为通过此方法获得的某铝合金的动态拉伸载荷数据。

总体而言，通过该方法进行高速拉伸试验载荷测试具有操作简便、测试精度高、易于标准化等优点，具有较强的实际工程应用价值。目前已形成了金属材料动态力学性能测试标准（ISO26203-2），推荐采用该方法进行金属材料的动态载荷测试[15]。

2.2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（digital image correlation， 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[16-24]。

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[25]，其简易原理如图6所示。散斑图像可布置为白色衬底上形成黑色斑点，为了较好地匹配试验件表面变形点，斑点尺寸一般至少包括3～4个像素，图7为典型的金属材料动态拉伸应变测试应用。

利用光学技术的应变测量方法还包括视频伸长计方法[26-28]，通过在试样关注部位标识两个跟踪点，利用图像分析软件跟踪两个标识点的移动来测试试验件的变形，进而计算出标距段的应变，如图8所示。此方法虽不能获得试样的全场变形信息，但可在关注幅面中任意设置测量的标距位置，且计算效率更高，也常用于金属材料的动态拉伸应变测试。

DIC测量系统一般由CCD高速相机、照明光源、图像采集系统等组成，并配套非接触图像分析软件进行变形数据的分析。由于非接触测量原理与构成元素的复杂性，在试验环境、外部振动、光源条件、图像质量、数据算法等方面都有可能引入测量误差，工程应用中可通过提高硬件设备的性能提升测试精度，如使用变焦放大镜头、准确度更高的CCD高速相机，也可通过运用精度更高的匹配、检测算法，或实现硬件和软件算法最优化匹配等措施实现试样动态拉伸应变的高精度测试。

2.3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[29-31]，童心[32]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[34]。

红外摄像进行非接触测温的核心工具为红外摄像仪，目标物体对外辐射的红外线被摄像仪镜头捕捉，经过光栅等光学系统，进而被热像仪的探测系统吸收，经过计算机数据处理后，可把光学信号转变为红外热像图，其工作原理如图9所示。

在某金属材料动态拉伸试验中，搭建了基于红外热像仪的非接触测温试验系统，如图10所示。图11为在0.01m/s拉伸速度下试验件断裂位置表面温度变化情况。可见，在材料动态拉伸处于断裂状态时，试验件温度耗散达到最大值。图12为试验件在不同加载速度下断裂时的表面温度，可看出随着加载速度的提高，试验件断裂时的表面温度也逐渐增加。

3试验数据处理及数据分析软件编制

金属材料的中低应变率动态拉伸试验数据处理有以下几个方面需给予关注。

（1）不同的测试设备采集数据时间尺度和起始状态的统一

在金属材料动态拉伸试验中，通过应变数据采集系统间接获得动态拉伸载荷，通过基于高速摄像机的非接触变形测试系统获得动态拉伸应变，通过基于红外摄像仪的非接触测温系统获得试样热耗散数据。为达到最优的试验测试状态，往往需匹配不同的试验采集参數（如采样频率、信号触发方式等），因此，一般通过数据插值的方式将不同测试手段的数据进行时间采集尺度的统一，如可将测试数据按照采样率最高的信号进行统一。其次，受限于测试硬件设备的限制，高速动态拉伸试验有效的采集试验数据点十分有限，如加载起始点的判断偏离帧数会对结果产生较大的影响，则需基于金属材料弹性段数据不受加载速率影响的前提条件进行统一截取，如一般以弹性极限强度及其对应的应变为准截取起始点。

（2）试验干扰信号的数字滤波处理

在试验过程中，受电磁干扰、环境振动、光源信号干扰、不同测试通道间的串扰等因素影响，测试信号中不可避免地会混杂干扰信号，需对测试数据进行数字滤波处理。总体而言，数字滤波的主要原则为滤波方法选择低通截止滤波，推荐使用Butterworth滤波方法；在目前尚无动态拉伸数据处理规范情形下，滤波截止频率等参数的选择应遵循滤波后的数据总体未偏离原始数据，在原始数据的振荡包线以内。

（3）材料的率相关动态本构模型表征

进行金属材料动态力学性能测试的主要目的之一为构建其动态本构模型，为结构碰撞数值仿真分析提供基础的材料参数。适用于金属材料的动态本构模型主要包括Johnson-Cook模型、Cowper-Symonds模型、Bodner-Paton模型和Zerrilli-Armstrong模型等，国内外学者基于上述模型还提出了诸多修正模型，构建了金属材料的多种动态本构方程[35-39]。

总体而言，这些模型一般是基于试验数据的经验拟合，通过对应变率相关项和温度相关项的解耦构建经验式的本构模型，在模型的适用性评估上要兼顾其模拟精准度和表征简便性，Johnson-Cook模型就是经实践证明具有一定通用性的金属材料动态本构模型。

（4）解决试验数据处理工作量大、规范性差问题

尽管金属材料动态拉伸试验数据的处理方法和流程并非技术难点，但其处理过程涉及试验件初始尺寸信息确认、数字滤波、数据插值、本构参数表征等多个环节，数据处理工作量相对较为繁琐，且数据处理过程中面临多个数据接口，不利于规范性操作。

为此，中国飞机强度研究所研发了材料中低应变率数据处理和分析系统，该专用软件涵盖了试验初始信息导入、应力—应变计算、应变率计算、真实应力—塑性应变的截取以及动态本构方程表征等功能。软件采用了模块化设计思想进行开发，此专用软件既提高了试验数据处理的效率，又使处理数据的流程达到了规范化。

4典型应用案例

应用本文介绍的方法开展了2024-T42铝合金的动态拉伸试验研究[40]，图13为其Johnson -Cook本构模型的拟合结果，拟合的本构参数分别为：A = 293.7，B = 737.4，n = 0.582，C = 0.00376。

国内外学者在现有动态本构模型的基础上提出了修正模型，可对金属材料的动态力学行为进行更合适的表征，如Kang提出了采用指数表达式进行Johnson-Cook本构模型中应变率敏感项的修正形式[41]：

5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，在飞机抗外物沖击及适坠性、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。

结合工程应用和学术研究的需求，以及新技术的发展，后续仍需进一步细化、完善本方向研究体系，在以下方面仍须加强技术研究：

（1）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。

（2）针对不同研究和应用场景揭示材料的动态变形和失效规律。在金属材料的中低应变率动态力学性能研究方面，当前研究主要集中于其试验方法和宏观本构表征，对于材料的细观动态失效物理机制，以及考虑复杂状态（如高低温、复杂应力）下的单一或耦合条件下的材料动态力学行为研究相对欠缺。

（3）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。

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（責任编辑陈东晓）

作者简介

白春玉（1984-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：结构冲击动力学。

Tel：029-88268610E-mail：baichunyu2006@163.com

葛宇静（1989-）女，硕士，工程师。主要研究方向：结构冲击动力学。

Tel：029-88268285

E-mail：yujingge623@163.com

惠旭龙（1989-）男，硕士，工程师。主要研究方向：结构冲击动力学。

Tel：029-88268285

E-mail：742839400@qq.com

刘小川（1983-）男，博士，研究员。主要研究方向：结构冲击动力学。

Tel：029-88268805

E-mail：liuxiaochuan@cae.ae.cn

杨强（1987-）男，硕士，工程师。主要研究方向：结构冲击动力学。

Tel：029-88268287

E-mail：yqiang1230@163.com

张宇（1994-）男，硕士，助理工程师。主要研究方向：结构冲击动力学。

Tel：029-88268287

E-mail：305869212@qq.com

Research and Application of Dynamic Tensile Test Method for Metal Materials at Intermediate and Low Strain Rates

Bai Chunyu*，Ge Yujing，Xi Xulong，Liu Xiaochuan，Yang Qiang，Zhang Yu

Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structural Impact Dynamics，AVIC Aircraft Strength Research Institute，Xian 710065，China

Abstract： The mechanical properties of metallic materials were obtained at low and intermediate strain rates using a high-speed hydraulic servo testing machine. It is important to measure the dynamic loading and strain data as well as the heat dissipation during failure process. This study investigates the dynamic tensile test methods of metal materials at low and intermediate strain rates. A visual test data processing software was developed to improve the processing efficiency of test data. The constitutive parameters of 2024-T42 and 2A16-O aluminum alloy materials were obtained at dynamic loading rate. Finally， the development of dynamic testing and measurement technologies are prospected.

Key Words： low and intermediate strain rates； dynamic constitutive characterization； non-contact test； thermal dissipation； data processing