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目前汽車在我國的產銷量逐年增長，伴隨市場競爭的加劇，車型投放得越來越多，與此同時車輛開發的速度也要求越來越快。在前期車輛研發過程中，計算機輔助分析(CAE)越來越重要，準確的材料基礎數據也成為各個研發單位的迫切需求。 

目前靜態測試從試驗設備到試驗規范都比較完善和成熟，試驗室間的比對試驗結果差異很小。但高速拉伸試驗無論從試驗設備還是試驗標準方面，都還有相當大的改善空間，試驗室間的比對試驗結果也不理想。

造成這種差異的原因主要有以下幾點：

• 其一為試驗設備沒有規范，目前的試驗設備從軟件到硬件，從夾具到傳感器等都沒有統一的標準；

• 其二沒有詳盡的試驗規范可以參考，試驗室間也還沒有依據現有規范進行充分的對比測試；

• 其三為試驗數據的處理，由于動態測試的特殊性，導致了得到的材料曲線具有別于靜態曲線的特征，例如最為明顯的震蕩特征。 

金屬材料在不同應變速率下，力學性能表現不同，因此統一的高速拉伸測試就顯得尤為重要。本文將就以上幾方面，結合日常試驗實際情況進行詳盡的介紹。

試驗設備

高速拉伸試驗機的廠家國內目前還沒有，僅有少數幾家研發單位自主開發了桿式或其他類型的高速拉伸試驗系統，其應用范圍也僅限于內部。國外大的試驗設備供應商有提供此類設備，例如:英斯特朗，茲韋克等。

1、試驗速度加載

金屬材料的高速拉伸試驗機與靜態試驗機的不同之處有兩點:其一此類高速拉伸不能采用應變或應力控制，只能采用位移控制;其二高速拉伸試驗機一般在1m·s－1以內是閉環控制，大于1m·s－1的時候只能是開環控制，所以在試樣夾緊的瞬間，速度會下降，導致其拉伸速度的控制精度遠沒有靜態試驗機的那么高。 

為了解決這一問題，設備供應商在控制軟件方面增加了迭代計算功能，在首次試驗之后，軟件會識別液壓系統的驅動信號與速度目標值之間的差距，然后進行驅動信號的分段修正，下次試驗過程中使用新的驅動信號，如此反復迭代計算直至達到滿意的精度為止，如圖1所示。 

具體的迭代算法為不同供應商的軟件機密，但原理基本都是一樣，依據速度的降低時間及幅度判斷驅動信號的補償時間及幅度。所以如果使用迭代的方法，加載在試樣上的速度控制精度就會隨著試驗次數的提高而增加，與此同時帶來了試驗次數的增加及試驗重復性的問題。 

除了迭代的方法外，還可以考慮預先輸入材料參數的方法，在初期就進行驅動信號的優化，這樣可以減少試驗次數，并且能夠快速地達到優化的效果。 

圖1 迭代計算示意圖

2、試驗夾具及所需試樣尺寸

由于試驗速度快，所以在試驗時需要加載裝置先空載達到預設的速度，因而高應變測試的試樣長度往往都是大于靜態測試的。對于不能取很長試樣的零件，可以采用延長桿的方式對試樣進行人為的加長。同時，不同的加載方式，導致了試樣的形狀也各有差異，如圖2所示。

圖2 不同類型的試樣夾具示意圖

3、位移傳感器

目前高速拉伸試驗機配備的傳感器均為線性可變差動變壓器(LVDT)傳感器，并據此進行速度的控制。在獲取位移曲線之后，可以根據曲線的時間范圍判斷拉伸時的平均速度，如圖3所示。 

圖3 橫梁速度曲線

依據位移數據可以得到整個夾具間距離的應變，但并不是試樣平行段的應變。所以位移傳感器的主要用途在于判斷試樣變形階段的試驗速度是否滿足設定要求。不同廠家的高速拉伸試驗機拉伸速度的精度也各不相同，且精度的范圍目前標準中并沒有明確規定。

4、力值傳感器

高速拉伸試驗機使用的均為壓電式傳感器，不便之處在于需要進行不同力值范圍的標定。然而，盡管采用了高響應的力值傳感器，在高應變的情況下，力值信號震蕩仍然會逐漸加劇。試驗者往往采用貼應變片的方法來消除這一現象，如圖4所示，這樣做可以大幅度地減小震蕩。 

圖4 平板試樣貼應變片的示意圖 

但這樣每進行一個試驗就要使用兩片應變片，而較為經濟的做法是貼在固定端的夾具上，越靠近試樣越好。對于不方便貼應變片的圓柱試樣也可以采用這樣的處理方法。

5、應變測量設備及附件

由于位移的精度及測量的區間問題，位移數據不能用作應變數據，同時由于高應變的要求導致了傳統的機械式引伸計已經不能滿足要求，因此有的設備供應商開發了多普勒激光引伸計等非接觸類設備。 

另外，隨著數字圖像相關(DIC)技術的發展，光學測量類設備逐漸應用到高速應變測試上。有的DIC軟件供應商已經開發出了一體化的軟件，直接在軟件系統里計算應力和應變，除此之外，該類軟件還可以具有無接觸、隨意定義標距、輸出云圖、隨時處理等傳統引伸計不能提供的功能，如圖5所示。 

圖5 DIC技術應用示例

但對環境溫度有要求的試驗，該類設備由于需要透過玻璃拍攝照片，會存在像素畸變等問題。

6、軟件

對于高速拉伸試驗機的軟件，一般分為三部分:其一為控制軟件，主要用來控制設備的運行；其二為校準軟件，用來對輸出試驗文件進行校準，例如壓電式傳感器的分段標定文件，速度的標定文件等；其三為處理軟件，主要用來處理試驗結果。 

對于控制軟件，主要是試驗速度的控制，由于各個廠家采用的迭代算法不同，導致了速度控制上的差異;對于處理軟件，目前僅停留在濾波處理，數據轉換，輸出等基本功能上，對于力學曲線最為重要的屈服強度、抗拉強度、延伸率等特征參數的計算機識別，該類軟件都沒有實現這些功能。這是由于高速拉伸應變曲線形狀有震蕩，需要額外的曲線優化導致的。對于這一部分，可以先優化曲線的形狀，再進一步得到曲線的特征參數。 

和DIC技術相關的軟件是圖像處理軟件，目前該類軟件已經具備了計算靜態和高速拉伸的能力。但無論哪種軟件都存在原始數據的丟失和不同處理方法得到的結果不相同的問題，甚至會有較大差異，如圖6所示。 

圖6 不同算法得到的擬合結果

選自：《理化檢驗—物理分冊》 Vol.54 2018.9