一种材料高速拉伸动态力量测的试片夹持装置、试片结构及优化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种试片夹持装置、试片结构及材料量测方法，尤其是一种材料高速拉伸动态力量测的试片夹持装置、试片结构及优化方法。
【背景技术】
[0002]在现有材料力学性质试验中，拉伸试验是用来获得材料强度与弹、塑性性能的方法。现有材料拉伸试验主要依据ASTM E8-04《金属材料拉伸试验方法》或与其等效的CNS、ISO、DIN等标准进行试验，而该等标准试验方法是属于加载应变率低于10-3S-1的拟静态试验方法，透过该等试验所得到的材料参数，并不足以代表材料在高应变率(如冲击、碰撞或爆炸等瞬时效应)下的材料特性。
[0003]大多数的金属材料都属于应变率敏感性材料，亦即材料变形的速度越快，变形的抗力也越大。目前，在材料动态力学性能评估及其相关的加载试验技术方面，国内、外并无统一的试验标准，而油压式高速拉伸试验机与霍普金森拉杆冲击试验法是两种较为普遍应用的试验方法。其中油压式拉伸试验机因受机械配合及油源补偿的限制，一般用于拟静态的材料试验，只有在通过高压氮气辅助及伺服阀增益的情况下，方可用于进行应变率2xl02s-l水平以下的材料力学性能测试。
[0004]对于较高应变率的试验，则采用基于一维弹性波传理论的霍普金森拉杆(Hopkinson tensile bar)冲击法来探讨材料中的应变率效应，以获取高应变率下材料的应力-应变关系，此方法能够获取的应变率为500-4000S-1。
[0005]然而，在高速加载条件下，油压试验机对力量、位移等讯号的同步记录是此等试验方法的困难点之一，因为当拉伸速度超过某临界值时，传统用于记录材料受力历程的测力规会因反应频率较低而无法测量，再者，以油压夹具啮合的夹持方式易于打滑且会造成动态讯号高频振荡，而且速度越高振荡效应将越明显。此外，采用霍普金森拉杆冲击试验法以弹性波在杆间传递所产生的入射波、反射波和透射波进行频谱分析，虽可得到材料在高应变率下的动态反应，但是此方法的计算程序过于繁琐，故限制了其应用的普及性。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种材料高速拉伸动态力量测的试片夹持装置、试片结构及优化方法，可改善传统油压或机械式夹具啮合式夹持方式易于打滑的缺点，克服现有试验法对于动态力量测的限制，降低对实验结果造成不确定性。
[0007]本发明解决所述技术问题所采用的技术方案为:一种材料高速拉伸动态力量测的试片夹持装置，其特征在于，包括:前端试片固定器，具有第一夹持部及第一连接部，该第一夹持部具有第一夹槽及第一贯通孔，该第一贯通孔连通该第一夹槽，该第一连接部的一端连接该第一夹持部，而另一端用以连接高速拉伸试验机或者霍普金森拉杆冲击试验机；第一固定件，可插设于该第一夹持部的第一贯通孔；后端试片固定器，与该前端试片固定器呈相对设置，该后端试片固定器具有第二夹持部及第二连接部，该第二夹持部具有第二夹槽及第二贯通孔，该第二贯通孔连通该第二夹槽，该第二连接部的一端连接该第二夹持部，而另一端用以连接力量传感器；以及第二固定件，可插设于该第二夹持部的第二贯通孔。
[0008]所述第二夹持部的第二夹槽对应该第一夹持部的第一夹槽。
[0009]所述第二固定件与该第二贯通孔紧配合。
[0010]另外，本发明设计了一种材料高速拉伸动态力量测的试片结构，其特征在于:所述试片结构具有第一端部、第二端部、拉伸区及弹性变形区，该第二端部相对于该第一端部，该拉伸区位于该第一端部与该第二端部之间，该弹性变形区位于该拉伸区与该第二端部之间，该第二端部的长度与该弹性变形区的长度的和大于该第一端部的长度，且该第一端部的宽度、该第二端部的宽度及该弹性变形区的宽度相等。
[0011]所述试片结构还包括中心线，该第一端部具有一第一固定孔，该第二端部具有一第二固定孔，该第一固定孔及该第二固定孔位于该中心在线。
[0012]所述试片本体的拉伸区两侧分别具有一导角过渡区，各该导角过渡区的导角半径小于该拉伸区的宽度。
[0013]此外，本发明还提供了一种材料高速拉伸动态力量测的优化方法，其特征在于:包括以下步骤:(a)、提供权利要求1所述的试片夹持装置及试片，该试片具有第一端部、第二端部、拉伸区及弹性变形区，该第二端部相对于该第一端部，该第一端部及该第二端部分别具有第一固定孔及第二固定孔，该拉伸区位于该第一端部与该第二端部之间，该弹性变形区位于该拉伸区与该第二端部之间，该第二端部的长度与该弹性变形区的长度的和大于该第一端部的长度，且该第一端部的宽度、该第二端部的宽度及该弹性变形区的宽度相等；(b)、将该前端试片固定器的第一连接部连接于该试验机及将该后端试片固定器的第二连接部连接于该力量传感器；(C)、分别将该试片的第一端部及第二端部插入该第一夹持部的第一夹槽及该第二夹持部的第二夹槽，并使该第一固定孔及该第二固定孔分别对应该第一贯通孔及该第二贯通孔；(d)、将该第一固定件插设于该第一贯通孔与该第一固定孔及将该第二固定件插设于该第二贯通孔与该第二固定孔，以将该试片的第一端部及第二端部分别固定于该前端试片固定器及该后端试片固定器；及(e)、利用该试验机对该试片进行高速拉伸试验，并透过该力量传感器记录该试片的动态力变化结果。
[0014]所述步骤(b)的该力量传感器固定于固定基座上。
[0015]所述步骤(d)之后，还包括设置第一应变规于该试片的拉伸区。
[0016]所述步骤(d)之后，还包括设置第二应变规于该试片的弹性变形区。
[0017]与现有技术相比，由于本发明的优点在于:本发明材料高速拉伸动态力量测的试片夹持装置可改善传统油压或机械式夹具啮合式夹持方式易于打滑的缺点，且其与本发明的试片结构结合后，不仅可获得高速拉伸的试片应变率相关材料参数，亦可有效抑制噪声对动态力量测结果的影响。
【附图说明】
[0018]图1是本发明材料高速拉伸动态力量测的试片夹持装置的结构侧视图；
[0019]图2是本发明材料高速拉伸动态力量测的试片夹持装置的结构俯视图；
[0020]图3是本发明材料高速拉伸动态力量测的试片夹持装置、试片、试验机及力量传感器的组合立体图；
[0021]图4是本发明试片结构的示意图；
[0022]图5是本发明材料高速拉伸动态力量测的优化方法流程图；
[0023]图6是本发明试片弹性变形区量测与力量传感器量测的结果图。
【具体实施方式】
[0024]以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0025]如图1至3所示，本发明的材料高速拉伸动态力量测的试片夹持装置10包括前端试片固定器11、第一固定件12、后端试片固定器13以及第二固定件14。
[0026]该前端试片固定器11具有第一夹持部111及第一连接部112。该第一夹持部111具有第一夹槽113及第一贯通孔114，该第一贯通孔114连通该第一夹槽113。该第一连接部112的一端112a连接该第一夹持部111，而另一端112b用以连接高速拉伸试验机或者霍普金森拉杆冲击试验机。在本实施例中，该第一连接部112为螺牙连接部。
[0027]该第一固定件12可插设于该第一夹持部111的第一贯通孔114，且较佳地，该第一固定件12与该第一贯通孔114紧配合。
[0028]该后端试片固定器13与该前端试片固定器11呈相对设置，且该后端试片固定器13具有第二夹持部131及第二连接部132。该第二夹持部131具有第二夹槽133及第二贯通孔134，该第二夹槽133对应该第一夹持部111的第一夹槽113，且该第二夹槽133的深度D2与该第一夹槽113的深度Dl相等，此外，该第二贯通孔134连通该第二夹槽133。该第二连接部132的一端132a连接该第二夹持部131，而另一端132b用以连接力量传感器30，较佳地，该力量传感器30为压电式力量传感器，且该力量传感器30固定于一固定基座40上。另外，在本实施例中，该第二连接部132为螺牙连接部。
[0029]该第二固定件14可插设于该第二夹持部131的第二贯通孔134，且较佳地，该第二固定件14与该第二贯通孔134紧配合。
[0030]如图1、3和4所示，本发明的材料高速拉伸动态力量测的试片结构50具有第一端部51、第二端部52、拉伸区53、弹性变形区54及中心线C。该第一端部51具有第一固定孔511，该第一固定孔511位于该中心线C上。该第二端部52相