背景描述

在高速拉伸測(cè)試過程中，基于一個(gè)假設(shè)條件：試樣的延伸都發(fā)生在平行段內(nèi)，可由該公式求得試驗(yàn)速度v=應(yīng)變率*平行段長(zhǎng)度。但實(shí)際測(cè)試過程中，試樣的延伸往往不止發(fā)生在平行段內(nèi)，還會(huì)在試樣頸部或肩部區(qū)域，這就導(dǎo)致了實(shí)際應(yīng)變率與設(shè)定應(yīng)變率總有差異。

   本研究通過對(duì)比不同樣條的測(cè)試結(jié)果，優(yōu)選出應(yīng)變率最精確的試樣類型，從而提升測(cè)試精度，最終得到準(zhǔn)確的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。實(shí)驗(yàn)利用DIC技術(shù)測(cè)量試樣的應(yīng)變，散斑圖作為DIC技術(shù)的不可缺少的部分有著重要的意義。散斑圖是指具有一定灰度分布的數(shù)字圖像，試驗(yàn)中如何制作穩(wěn)定有效的散斑圖能提高樣條的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果。

案例解決過程

（1）試驗(yàn)材料與儀器與樣條類型

（2）DIC應(yīng)變測(cè)量方法原理

測(cè)試前在試樣表面制作散斑，使用高速攝像機(jī)拍攝拉伸的全過程，然后用計(jì)算機(jī)處理所拍到的數(shù)字圖像（散斑圖），通過對(duì)比試樣表面在變形前后的散斑圖，運(yùn)用相關(guān)算法求出試樣的全場(chǎng)位移與應(yīng)變。不同應(yīng)變率試驗(yàn)高速攝像機(jī)需使用不同的拍攝幀數(shù)，應(yīng)變率越高拍攝幀數(shù)也要相應(yīng)地提高。為保證處理數(shù)據(jù)能得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，高速攝像機(jī)的拍攝幀數(shù)需與高速拉伸試驗(yàn)機(jī)的力值采集頻率相同。原理簡(jiǎn)示圖如圖1，計(jì)算機(jī)通過分析虛擬引伸計(jì)的長(zhǎng)度變化得出試樣的應(yīng)變-時(shí)間曲線。

圖1試樣的應(yīng)變-時(shí)間曲線

案例結(jié)果與分析

（1）樣條的斷裂現(xiàn)象分析

1A、1B、1BA、Type 3試樣均為啞鈴型。啞鈴型設(shè)計(jì)是為了避免斷裂發(fā)生在標(biāo)距外的情況，標(biāo)距外的斷裂會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏離。試驗(yàn)結(jié)果表明啞鈴型試樣在標(biāo)距內(nèi)斷裂，結(jié)果有效，而直條型試樣斷裂在夾鉗位置，結(jié)果無效。

圖2試樣斷裂

（2）應(yīng)變-時(shí)間曲線分析

高速相機(jī)拍攝拉伸的整個(gè)過程，再通過計(jì)算機(jī)DIC技術(shù)得出試樣從拉伸開始到斷裂的應(yīng)變-時(shí)間曲線，如圖10~12。

圖13和圖14分別是兩種材料不同樣條的斷裂伸長(zhǎng)率對(duì)比圖，可看出直條型試樣的斷裂伸長(zhǎng)率結(jié)果明顯小于其余四種樣條，究其原因是鉗口斷裂導(dǎo)致的。

應(yīng)變率公式為a=dε/dt，因此對(duì)應(yīng)變-時(shí)間曲線進(jìn)行線性擬合求斜率可以得出試樣的實(shí)際應(yīng)變率，試樣的實(shí)際應(yīng)變率越接近設(shè)定應(yīng)變率，測(cè)試結(jié)果越準(zhǔn)確。

通過分析工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可得出試樣的屈服應(yīng)力數(shù)據(jù)如圖18和圖19。試驗(yàn)材料填充PP料和玻纖增強(qiáng)料屬于應(yīng)變率敏感材料，即材料的屈服應(yīng)力隨著應(yīng)變率的提高而增大。由圖18所示規(guī)律可以看出，填充PP料材料的5種試樣類型屈服應(yīng)力結(jié)果均符合應(yīng)變率敏感規(guī)律，但100s-1的應(yīng)力值低于其它4種試樣的結(jié)果。圖19則顯示出玻纖增強(qiáng)料材料的1A、1B、1BA、Type 3試樣屈服應(yīng)力符合規(guī)律，直條型試樣高應(yīng)變率的屈服應(yīng)力反而下降，不符合事實(shí)規(guī)律，同樣的100s-1的應(yīng)力值也低于其它4種試樣的結(jié)果。出現(xiàn)以上現(xiàn)象同樣是直條型試樣鉗口斷裂導(dǎo)致的，因此直條型試樣不具備應(yīng)用可能。

另一方面，通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對(duì)1A、1B、1BA、Type 3試樣的力值震蕩幅度進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如表3所示。

在高速拉伸試驗(yàn)中，力值震蕩是難以避免的。由表3可見，兩種材料1BA試樣的力值震蕩幅度最小，具體規(guī)律表現(xiàn)為填充PP料：1BA＜1A＜1B＜Type 3，玻纖增強(qiáng)料：1BA＜1A＜Type 3＜1B。優(yōu)先采用震蕩幅度小的試樣進(jìn)行高速拉伸試驗(yàn)。

（4）斷口形貌分析

填充PP料的形貌顯示出現(xiàn)不規(guī)整的凸起，截面粗糙，表現(xiàn)為韌性斷裂的特征。玻纖增強(qiáng)料形貌顯示出現(xiàn)大量的纖維和孔洞，有纖維與樹脂的拔出、纖維撕扯、斷裂等痕跡。

案例結(jié)論

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析對(duì)比，綜合考慮斷裂現(xiàn)象、力值震蕩、實(shí)際/設(shè)定應(yīng)變率差距等多方因素，可以得出使用1A和1BA型試樣獲得的測(cè)試結(jié)果優(yōu)異。測(cè)試填充PP材料時(shí)優(yōu)選1BA試樣，玻纖增強(qiáng)材料優(yōu)選1A或1BA試樣。