专利名称：材料高速拉伸试验样条及试验方法
技术领域：
本发明涉及一种材料高速拉伸试验样条及试验方法，特别是一种应用线性冲击设 备测试硬塑材料机械性能参数的材料高速拉伸试验样条及试验方法。
背景技术：
目前比较常用的是通过高速拉伸试验机来获取硬塑材料在高应变率情况下的机 械性能参数，对于塑料材料而言，高速拉伸试验的最大拉伸速度至少大于1000毫米/分钟， 如图1所示，高速拉伸试验机一般采用直线型试验样条。但是高速拉伸试验机非常昂贵，且 每次试验的费用高、周期长，对试验人员要求也较高，在实际产品开发中其使用频率很低， 因此有能力进行高速拉伸试验的单位很少，为产品开发过程中获得准确的材料参数造成了 困难。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种材料高速拉伸试验样条及试验方法，可以应用线性 冲击设备对硬塑材料样条进行高速拉伸试验从而获得硬塑材料在高应变率情况下的机械 性能参数，且减少试验时间和费用。为了达到上述目的，本发明的技术方案如下一种材料高速拉伸试验样条，包括夹持段、冲击段、以及拉伸段，其特征在于，该样 条为U型，U型两端为夹持段，U型底部为冲击段，夹持段与冲击段之间为拉伸段，所述冲击 段和夹持段的横截面积大于或等于拉伸段横截面积的三倍。所述冲击段与拉伸段之间，以及夹持段与拉伸段之间均有过渡圆角。所述拉伸段与冲击段的对称中心线方向的夹角不超过30°，优选为不超过5°。一种材料高速拉伸试验方法，应用上述的U型样条进行高速拉伸，包括如下步骤(1)将所述U型样条的夹持段夹在线性冲击设备的夹头内；(2)使线性冲击设备冲头勻速冲击U型样条的冲击段；(3)通过计算得到被测样条的标距处工程应力oE和工程应变εΕ。步骤(2)中，冲头勻速冲击的行程至少是样条拉伸段长度的20%。冲击过程中冲头的速度减少不超过10%。步骤(3)包括①把冲头加速度a对时间进行两次积分获得冲头位移D ；②获得样条拉伸力F与冲头位移D的F-D关系曲线；③通过有限元分析定义样条拉伸段伸长量d与冲头位移D之间的比例系数k，把 F-D关系曲线转化为样条拉伸力F与拉伸段伸长量d的F-d关系曲线；④义样条拉伸段原长为Itl，计算出样条拉伸段的工程应变ε E = d/%。⑤样条拉伸段截面积为A，可以得到拉伸段工程应力σ E = F/A。采用本发明的U型材料高速拉伸试验样条以及试验方法，可应用线性冲击设备进行硬塑材料的高速拉伸试验，将大大减少每次试验的时间和费用，并可获得精确的硬塑材 料在高应变率情况下的机械性能参数。
图1是现有技术的高速拉伸试验机进行高速拉伸试验示意图；图2为本发明通过线性冲击设备进行高速拉伸试验示意图；图3a_3d为本发明的多种型号的U型样条展开图；图4为本发明的样条拉伸力与冲头位移曲线示意图；图5为本发明的线性冲击头的结构示意图。
具体实施例方式下面根据图2至图5，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理 解本发明的功能、特点。线性冲击设备在企业中使用比较普遍，其基本原理是通过压缩气体或者液压作用 对一定质量的冲头产生一个瞬时的推力，能够很容易产生一个高速且稳定的冲击，是一种 理想的动态物理试验设备。材料高速拉伸试验要求样条在拉伸过程中尽可能的处于一种单向拉伸的简单应 力状态，并且冲头的速度在拉伸过程中尽可能保持稳定。为此，本发明设计了一种U型硬塑 材料样条，如图2所示，包括夹持段1、冲击段4、以及拉伸段6。U型的两顶端部为夹持段1， U型中间底部部分为冲击段4，拉伸段6则位于冲击段4和夹持段1之间，并且所述冲击段 4、夹持段1与拉伸段6之间均具有过渡圆角3。为获得理想拉伸的最基本要求就是要求冲 击段4和夹持段1样条的横截面积大于或等于拉伸段6的横截面积的三倍，以使冲击段和 夹持段保持相对高的刚度，在拉伸段承受理想的拉伸变形。冲击段和夹持段的横截面积大于或等于拉伸段6的横截面积的三倍可通过如下 方式实现。例如，可使冲击段4、夹持段1与拉伸段6等厚，增加冲击段4和夹持段1的宽度 使其大于或等于拉伸段6的宽度的三倍；或者也可使冲击段4、夹持段1与拉伸段6等宽， 而增加冲击段4和夹持段1的厚度使其大于或等于拉伸段6厚度的三倍来实现，或其他适 当的方式，以实现样条不同部位刚度的差异。在本发明的实施例中采用了相同厚度的设计， 可以利用现有的均勻板材来实现样条的加工，样条的制造过程可得到一定的简化。为了得到最佳的测试结果，所述样条冲击段与拉伸段之间，以及夹持段与拉伸段 之间各设有适当的过渡圆角3，并对该过渡圆角3进行优化，优化目的在于提高材料在拉伸 段断裂的概率。过渡圆角的形式和大小可以参照IS0527和ASTM D638中样条拉伸段和夹 持段过渡。所述拉伸段与所述冲击段的对称中心线的夹角不超过30°，优选为不超过5°， 该样条冲击段的对称中心线方向即线性冲设备的冲头动作方向。因此，本发明参考了直线型拉伸样条的不同宽度之间过渡的特点设计了不同大小 的U型样条。图3a-3d给出了 10种不同型号的U型样条的展开图，图3a为1号、2号、3号 U型样条展开图，图3b为4号U型样条展开图；图3c为5号、6号、7号U型样条展开图，图 3d为8号、9号及10号U型样条展开图。其中各种型号的样条的冲击段4、夹持段1与拉伸段6的宽度、长度、厚度以及他们之间的过渡圆角的半径，根据不同的试验要求设定合适的 尺寸，在此仅为示例而非限制。例如，图3a和3b的样条尺寸参数范围如下单位:mm
尺寸淳度T: 2-7厚度T 2 41号2号3号4号W-窄段宽度8 153 8彡43 8L-窄段长度55 7055 708 1030 40WO-样条宽度15 2515 256 1215 25LO-样条K度380 450530 580170 200250 300G-标距45 6545 657. 5 9. 525 35D-夹头间距250 320280 35070 100150—200R-阓弧半径>75>75>12>12RO-外圆半径......>25 ‘LI-冲击段长度>40图3c中的样条尺寸参数范围可选择如下单位mm
尺寸厚度Τ: 2 45号6号7号W-窄段宽度5 73 52 3L-窄段长度30 4020 3010 15WO-样条宽度20 3010 206~9LO-样条K:度=5 (262+LI)(182 + LI)5 (102 + LI)G-标距25 3518 259 12D-夹头闾距180 220120 1(3050 70R-圆弧平枰>14>58RO-外圆T-径彡25>12. 5彡3LI-冲击段长度彡40 图3d中的样条尺寸参数的范围可选择如下
5
单位mm
尺寸厚度Τ: 2-48兮9号10号W-窄段宽度8 123 72 3L-窄段长度55 6525 — 358 15wo-样条宽度16 256 154 6LO-样条长度350200120G-标距50 6020 307 12D-夹头间距250 300150 18060 100R-圆弧、Ni会60彡30= 12LI-冲击段长度5=40拉伸段6与冲击方向V的夹角在设备许可的情况下，尽可能的小。本实施例中，如 图2所示设定该角度为5°。当θ >5°时，样条拉伸力F需要进行更加复杂的修正，同时 增加测试过程中测量的难度，误差也会增加，因此最理想的条件是控制样条拉伸段之间夹 角在5°范围之内。本发明的高速拉伸试验样条及试验方法中采用的线性冲击设备，其具有两个夹头 2以及用于线性运动冲击的冲头5，通过线性冲头5上的加速度传感器8可以获得冲头由于 样条拉伸作用而产生的加速度a。夹头2用于保证冲击拉伸过程中，样条的夹持段不会相对 夹头滑动。在不影响操作性的情况下，允许夹持段与冲击方向基本垂直，或者与冲击方向成 一个锐角。冲头5为T型，T型冲头的顶端是半圆柱形，在两夹头2上部分别设有缓冲橡胶 7，如图5a所示。具体实施过程中，需要根据冲头能量的大小选择合适的缓冲橡胶7或者其 它能起到缓冲作用的结构，其目的是为了保护线性冲击设备不受损害。参照图5a-5c，在T 型冲头5顶端接触样条(如图5b)之后，但T型冲头5两侧端接触缓冲橡胶7 (如图5c)之 前，需要保证冲头可以继续运动至少20% L的空间，即要求冲头凸出高度H > 1. 2L，确保样 条拉伸段有至少20%的理想拉伸过程，也就是说本实验中，样条被拉伸的长度是> 20%。冲头质量为m，样条拉伸段与冲击方向夹角θ时(如图3a所示)，样条拉伸 力F = mX (a+g)/(2Xcos θ )。对于沿着重力方向的线性冲击设备，如果拉伸段截面积为 Α，可以得到拉伸段(如图2所示)工程应力ο Ε σ E = F/A = mX (a+g) / (2Acos θ )(1)为了得到样条标距处的工程应变ε Ε，有多种方法。其中一种方法是在样条拉伸 段上设两个标距点，通过高速摄像的方式拍摄整个冲击过程(要求10000帧/秒的摄像速 度)，然后通过图像处理技术即可分析出标距点位移变化相对于标距点原长的比例，即需要 测量的工程应变ε Ε。当样条拉伸段与冲击方向夹角θ时，如果无法通过直接测量的方法获得拉
6伸过程中的应变，比如上述摄像测量应变的方法，那么还可以通过冲头减速度a来获得工 程应变ε Ε。这种获得工程应变的方法虽然测量精度不及直接测量应变的方法，但是对于塑 料产品的工程开发仍然能够提供足够准确的材料信息。具体步骤如下步骤1.把冲头加速度a对时间进行积分两次可以获得冲头位移D。步骤2.由此获得样条拉伸力F与冲头位移D的关系曲线，如图4所示。步骤3.由于拉伸段宽度约为样条夹持段和冲击段宽度的1/3，所以当样条拉伸力 F为最大拉伸力Fmax的1/3时，整个样条仍然处于较为理想的线弹性应力状态，定义此时样 条拉伸力为Ftl = Fmax/3，冲头位移为队。此时样条拉伸段伸长量d和冲头位移D成正比，定 义比例系数为k，则当 D < Dtl 时，d = kXDXcos θ(2)其中的比例系数k，即冲头位移与标距伸长量之间的比例系数，可以通过有限元的 办法获得。假设样条材料为弹性体，杨氏模量可以任意设定在500MPa 3000MPa之间，泊 松比设定为0. 35左右。由于此有限元模型的目的是为了求得冲头位移与标距伸长量之间 的比例关系，所以材料参数的设定不影响最终的比例系数。以图3d中8号样条为例，样条尺寸参数取值如下W-窄段宽度IOmm ；L-窄段长度60mm ；WO-样条宽度20mm ；LO-样条长度彡370mm ； G-标准长度50mm ；D-夹头间距270mm ；R-圆弧半径彡60mm ；冲击头直径12. 5mm ；冲击段长 度40mm，那么通过有限元分析可以得到，在理想的弹性拉伸条件下，拉伸段伸长量d和冲头 位移D之间存在简单的比例关系d = 0.42XDXCOS5°，即k = 0.42。需要注意的是，如果 改变样条形状，标距伸长量d与冲头位移D之间的比例系数k会发生变化，需要重新计算。当样条拉伸力F大于最大拉伸力Fmax的1/3时，样条拉伸段拉伸逐渐进入塑性段， 此时样条拉伸段伸长量为d = kXDiXcos θ + (D-D1) Xcos θ ,(3)其中D1如图4所示，D1 = F/FQXDQ，带入到上式可得d = D0Xcos θ -(1-k) XD0XF/F0Xcos θ(4)通过步骤3就可以把F vs D曲线获得F vs d的曲线。步骤4，定义样条标距原长为Itl，样条拉伸段伸长量d，根据工程应变的定义，就可 以计算出样条拉伸段的工程应变ε E为ε E = d/l0(5)至此，由式(1)和式(5)就可以获得最终需要的材料的工程应力σ Ε和工程应变
ε go另外，冲头的质量需要根据测试的材料进行设计。通常，硬塑材料会在20%的应变 之前达到屈服点。而理想的拉伸测试需要稳定的拉伸速度，所以在冲击过程中，也就是从冲 头接触样条到冲头继续运动至少20%拉伸段长度的过程中，冲头的速度的变化应该尽可能 的少。根据SAE J2749中的要求，理想的速度减少量应该不超过10%。定义冲头质量为m， 冲击速度为V，样条材料的屈服强度为ο，拉伸段截面积为A，长度为L，那么，对于冲头质量 的要求满足下面的条件a X (L/V) < 0. 3V(6)其中a为冲头加速度，根据式(1)，可以得到
a = 2 σ A cos θ /m-g (7)将(7)式带入到(6)即可得m > 2 σ A cos θ / (0. 3V2/L+g) (8)以图3d中的9号样条，冲击速度为3m/s时，PP类材料的屈服强度通常小于40MPa， 拉伸段截面积A为15mm2 (样条厚度3mm，宽度5mm)，样条U型两顶端到底部的深度约100mm， 此时的应变率约为30/s，根据式(8)要求冲头质量m> 33kg。如果希望获得更高的应变 率，比如100/s(速度为lOm/s)，根据式(8)，则实际上只需要m> 4kg即可。但是，如果希 望利用此方法进行应变率为10/s (拉伸速度为lm/s)或者更低速率的拉伸，则要求冲头质 量m> 120kg。这样的条件可能对冲击设备是一种挑战。因此，本发明的方法比较适合较高 应变率的拉伸测试。以上分析过程中，均认为在整个拉伸过程中两侧拉伸段的夹角变化比较小(不大 于5° )，由于该角度在拉伸过程中，实际上也在发生变化，所以从式(1)到式(5)中的表 达式实际上是近似成立的。如果由于设备限制需要增加这个角度，那么推荐该角度不超过 30°，否则样条在冲击过程中受到的弯曲应力以及样条几何形状的变化会引起较大的计算 误差。而且随着该角度不断增加，前面关于通过冲头位移换算样条标距伸长量的关系式的 误差也不断增加，从而使这种获得试验数据的方法受到很大影响。因此，当两侧拉伸段夹角 较大时，不推荐使用上面的方法。这时，或者采用直接测量应变的方法，或者对式(1)至式 (5)中的关系就拉伸段夹角进行更为复杂和细致的修正。以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上 述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的 简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。
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权利要求
一种材料高速拉伸试验样条，包括夹持段、冲击段、以及拉伸段，其特征在于，该样条为U型，U型两端为夹持段，U型底部为冲击段，夹持段与冲击段之间为拉伸段，所述冲击段和夹持段的横截面积大于或等于拉伸段横截面积的三倍。
2.根据权利要求1所述的材料高速拉伸试验样条，其特征在于，所述冲击段与拉伸段 之间，以及夹持段与拉伸段之间具有过渡圆角。
3.根据权利要求1或2所述的材料高速拉伸试验样条，其特征在于，所述拉伸段与所述 冲击段的对称中心线方向的夹角不超过30°。
4.根据权利要求3所述的材料高速拉伸试验样条，其特征在于，所述拉伸段与所述冲 击段的对称中心线方向的夹角小于或等于5°。
5.一种材料高速拉伸试验方法，其特征在于，应用如权利要求1所述的U型样条进行高 速拉伸，包括如下步骤(1)将所述U型样条的夹持段夹在线性冲击设备的夹头内；(2)使线性冲击设备冲头勻速冲击U型样条的冲击段；(3)通过计算得到被测样条的标距处工程应力σΕ和工程应变εΕ。
6.根据权利要求5所述的材料高速拉伸试验方法，其特征在于，所述样条的拉伸段与 冲击方向的夹角不超过30°。
7.根据权利要求6所述的材料高速拉伸试验方法，其特征在于，所述样条的拉伸段与 冲击方向的夹角小于或等于5°。
8.根据权利要求5或6或7所述的材料高速拉伸试验方法，其特征在于，步骤(2)中， 冲头勻速冲击的行程至少是样条拉伸长度的20%。
9.根据权利要求8所述的材料高速拉伸试验方法，其特征在于，冲击过程中冲头的速 度减少不超过10%。
10.根据权利要求9任一项所述的材料高速拉伸试验方法，其特征在于，步骤(3)包括①把冲头加速度a对时间进行两次积分获得冲头位移D；②获得样条拉伸力F与冲头位移D的F-D关系曲线；③通过有限元分析定义样条拉伸段伸长量d与冲头位移D之间的比例系数k，把F-D关 系曲线转化为样条拉伸力F与拉伸段伸长量d的F-d关系曲线；④定义样条拉伸段原长为Itl，计算出样条拉伸段的工程应变εE为ε E = d/%。⑤样条拉伸段截面积为A，得到拉伸段工程应力σE = F/A。
全文摘要
本发明提供一种材料高速拉伸试验样条及试验方法，所述样条为U型，U型两端为夹持段，U型底部为冲击段，夹持段与冲击段之间为拉伸段，所述冲击段和夹持段的横截面积大于或等于拉伸段横截面积的三倍。采用本发明的材料高速拉伸试验样条及试验方法，可应用线性冲击设备对硬塑材料样条进行高速拉伸试验从而获得硬塑材料在高应变率情况下机械性能参数。
文档编号G01N3/307GK101963560SQ20091005530
公开日2011年2月2日 申请日期2009年7月24日 优先权日2009年7月24日
发明者郭庆 申请人:延锋伟世通汽车饰件系统有限公司