專利名稱：材料高速拉伸試驗(yàn)樣條及試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料高速拉伸試驗(yàn)樣條及試驗(yàn)方法，特別是一種應(yīng)用線性沖擊設(shè) 備測試硬塑材料機(jī)械性能參數(shù)的材料高速拉伸試驗(yàn)樣條及試驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
目前比較常用的是通過高速拉伸試驗(yàn)機(jī)來獲取硬塑材料在高應(yīng)變率情況下的機(jī) 械性能參數(shù)，對(duì)于塑料材料而言，高速拉伸試驗(yàn)的最大拉伸速度至少大于1000毫米/分鐘， 如圖1所示，高速拉伸試驗(yàn)機(jī)一般采用直線型試驗(yàn)樣條。但是高速拉伸試驗(yàn)機(jī)非常昂貴，且 每次試驗(yàn)的費(fèi)用高、周期長，對(duì)試驗(yàn)人員要求也較高，在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)中其使用頻率很低， 因此有能力進(jìn)行高速拉伸試驗(yàn)的單位很少，為產(chǎn)品開發(fā)過程中獲得準(zhǔn)確的材料參數(shù)造成了 困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種材料高速拉伸試驗(yàn)樣條及試驗(yàn)方法，可以應(yīng)用線性 沖擊設(shè)備對(duì)硬塑材料樣條進(jìn)行高速拉伸試驗(yàn)從而獲得硬塑材料在高應(yīng)變率情況下的機(jī)械 性能參數(shù)，且減少試驗(yàn)時(shí)間和費(fèi)用。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種材料高速拉伸試驗(yàn)樣條，包括夾持段、沖擊段、以及拉伸段，其特征在于，該樣 條為U型，U型兩端為夾持段，U型底部為沖擊段，夾持段與沖擊段之間為拉伸段，所述沖擊 段和夾持段的橫截面積大于或等于拉伸段橫截面積的三倍。所述沖擊段與拉伸段之間，以及夾持段與拉伸段之間均有過渡圓角。所述拉伸段與沖擊段的對(duì)稱中心線方向的夾角不超過30°，優(yōu)選為不超過5°。一種材料高速拉伸試驗(yàn)方法，應(yīng)用上述的U型樣條進(jìn)行高速拉伸，包括如下步驟(1)將所述U型樣條的夾持段夾在線性沖擊設(shè)備的夾頭內(nèi)；(2)使線性沖擊設(shè)備沖頭勻速?zèng)_擊U型樣條的沖擊段；(3)通過計(jì)算得到被測樣條的標(biāo)距處工程應(yīng)力oE和工程應(yīng)變?chǔ)纽?。步驟(2)中，沖頭勻速?zèng)_擊的行程至少是樣條拉伸段長度的20%。沖擊過程中沖頭的速度減少不超過10%。步驟(3)包括①把沖頭加速度a對(duì)時(shí)間進(jìn)行兩次積分獲得沖頭位移D ；②獲得樣條拉伸力F與沖頭位移D的F-D關(guān)系曲線；③通過有限元分析定義樣條拉伸段伸長量d與沖頭位移D之間的比例系數(shù)k，把 F-D關(guān)系曲線轉(zhuǎn)化為樣條拉伸力F與拉伸段伸長量d的F-d關(guān)系曲線；④義樣條拉伸段原長為Itl，計(jì)算出樣條拉伸段的工程應(yīng)變?chǔ)?E = d/%。⑤樣條拉伸段截面積為A，可以得到拉伸段工程應(yīng)力σ E = F/A。采用本發(fā)明的U型材料高速拉伸試驗(yàn)樣條以及試驗(yàn)方法，可應(yīng)用線性沖擊設(shè)備進(jìn)行硬塑材料的高速拉伸試驗(yàn)，將大大減少每次試驗(yàn)的時(shí)間和費(fèi)用，并可獲得精確的硬塑材 料在高應(yīng)變率情況下的機(jī)械性能參數(shù)。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的高速拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高速拉伸試驗(yàn)示意圖；圖2為本發(fā)明通過線性沖擊設(shè)備進(jìn)行高速拉伸試驗(yàn)示意圖；圖3a_3d為本發(fā)明的多種型號(hào)的U型樣條展開圖；圖4為本發(fā)明的樣條拉伸力與沖頭位移曲線示意圖；圖5為本發(fā)明的線性沖擊頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)圖2至圖5，給出本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并予以詳細(xì)描述，使能更好地理 解本發(fā)明的功能、特點(diǎn)。線性沖擊設(shè)備在企業(yè)中使用比較普遍，其基本原理是通過壓縮氣體或者液壓作用 對(duì)一定質(zhì)量的沖頭產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的推力，能夠很容易產(chǎn)生一個(gè)高速且穩(wěn)定的沖擊，是一種 理想的動(dòng)態(tài)物理試驗(yàn)設(shè)備。材料高速拉伸試驗(yàn)要求樣條在拉伸過程中盡可能的處于一種單向拉伸的簡單應(yīng) 力狀態(tài)，并且沖頭的速度在拉伸過程中盡可能保持穩(wěn)定。為此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種U型硬塑 材料樣條，如圖2所示，包括夾持段1、沖擊段4、以及拉伸段6。U型的兩頂端部為夾持段1， U型中間底部部分為沖擊段4，拉伸段6則位于沖擊段4和夾持段1之間，并且所述沖擊段 4、夾持段1與拉伸段6之間均具有過渡圓角3。為獲得理想拉伸的最基本要求就是要求沖 擊段4和夾持段1樣條的橫截面積大于或等于拉伸段6的橫截面積的三倍，以使沖擊段和 夾持段保持相對(duì)高的剛度，在拉伸段承受理想的拉伸變形。沖擊段和夾持段的橫截面積大于或等于拉伸段6的橫截面積的三倍可通過如下 方式實(shí)現(xiàn)。例如，可使沖擊段4、夾持段1與拉伸段6等厚，增加沖擊段4和夾持段1的寬度 使其大于或等于拉伸段6的寬度的三倍；或者也可使沖擊段4、夾持段1與拉伸段6等寬， 而增加沖擊段4和夾持段1的厚度使其大于或等于拉伸段6厚度的三倍來實(shí)現(xiàn)，或其他適 當(dāng)?shù)姆绞剑詫?shí)現(xiàn)樣條不同部位剛度的差異。在本發(fā)明的實(shí)施例中采用了相同厚度的設(shè)計(jì)， 可以利用現(xiàn)有的均勻板材來實(shí)現(xiàn)樣條的加工，樣條的制造過程可得到一定的簡化。為了得到最佳的測試結(jié)果，所述樣條沖擊段與拉伸段之間，以及夾持段與拉伸段 之間各設(shè)有適當(dāng)?shù)倪^渡圓角3，并對(duì)該過渡圓角3進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目的在于提高材料在拉伸 段斷裂的概率。過渡圓角的形式和大小可以參照IS0527和ASTM D638中樣條拉伸段和夾 持段過渡。所述拉伸段與所述沖擊段的對(duì)稱中心線的夾角不超過30°，優(yōu)選為不超過5°， 該樣條沖擊段的對(duì)稱中心線方向即線性沖設(shè)備的沖頭動(dòng)作方向。因此，本發(fā)明參考了直線型拉伸樣條的不同寬度之間過渡的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了不同大小 的U型樣條。圖3a-3d給出了 10種不同型號(hào)的U型樣條的展開圖，圖3a為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào) U型樣條展開圖，圖3b為4號(hào)U型樣條展開圖；圖3c為5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)U型樣條展開圖，圖 3d為8號(hào)、9號(hào)及10號(hào)U型樣條展開圖。其中各種型號(hào)的樣條的沖擊段4、夾持段1與拉伸段6的寬度、長度、厚度以及他們之間的過渡圓角的半徑，根據(jù)不同的試驗(yàn)要求設(shè)定合適的 尺寸，在此僅為示例而非限制。例如，圖3a和3b的樣條尺寸參數(shù)范圍如下單位:mm
尺寸淳度T: 2-7厚度T 2 41號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)W-窄段寬度8 153 8彡43 8L-窄段長度55 7055 708 1030 40WO-樣條寬度15 2515 256 1215 25LO-樣條K度380 450530 580170 200250 300G-標(biāo)距45 6545 657. 5 9. 525 35D-夾頭間距250 320280 35070 100150—200R-阓弧半徑>75>75>12>12RO-外圓半徑......>25 ‘LI-沖擊段長度>40圖3c中的樣條尺寸參數(shù)范圍可選擇如下單位mm
尺寸厚度Τ: 2 45號(hào)6號(hào)7號(hào)W-窄段寬度5 73 52 3L-窄段長度30 4020 3010 15WO-樣條寬度20 3010 206~9LO-樣條K:度=5 (262+LI)(182 + LI)5 (102 + LI)G-標(biāo)距25 3518 259 12D-夾頭閭距180 220120 1(3050 70R-圓弧平枰>14>58RO-外圓T-徑彡25>12. 5彡3LI-沖擊段長度彡40 圖3d中的樣條尺寸參數(shù)的范圍可選擇如下
5
單位mm
尺寸厚度Τ: 2-48兮9號(hào)10號(hào)W-窄段寬度8 123 72 3L-窄段長度55 6525 — 358 15wo-樣條寬度16 256 154 6LO-樣條長度350200120G-標(biāo)距50 6020 307 12D-夾頭間距250 300150 18060 100R-圓弧、Ni會(huì)60彡30= 12LI-沖擊段長度5=40拉伸段6與沖擊方向V的夾角在設(shè)備許可的情況下，盡可能的小。本實(shí)施例中，如 圖2所示設(shè)定該角度為5°。當(dāng)θ >5°時(shí)，樣條拉伸力F需要進(jìn)行更加復(fù)雜的修正，同時(shí) 增加測試過程中測量的難度，誤差也會(huì)增加，因此最理想的條件是控制樣條拉伸段之間夾 角在5°范圍之內(nèi)。本發(fā)明的高速拉伸試驗(yàn)樣條及試驗(yàn)方法中采用的線性沖擊設(shè)備，其具有兩個(gè)夾頭 2以及用于線性運(yùn)動(dòng)沖擊的沖頭5，通過線性沖頭5上的加速度傳感器8可以獲得沖頭由于 樣條拉伸作用而產(chǎn)生的加速度a。夾頭2用于保證沖擊拉伸過程中，樣條的夾持段不會(huì)相對(duì) 夾頭滑動(dòng)。在不影響操作性的情況下，允許夾持段與沖擊方向基本垂直，或者與沖擊方向成 一個(gè)銳角。沖頭5為T型，T型沖頭的頂端是半圓柱形，在兩夾頭2上部分別設(shè)有緩沖橡膠 7，如圖5a所示。具體實(shí)施過程中，需要根據(jù)沖頭能量的大小選擇合適的緩沖橡膠7或者其 它能起到緩沖作用的結(jié)構(gòu)，其目的是為了保護(hù)線性沖擊設(shè)備不受損害。參照?qǐng)D5a-5c，在T 型沖頭5頂端接觸樣條(如圖5b)之后，但T型沖頭5兩側(cè)端接觸緩沖橡膠7 (如圖5c)之 前，需要保證沖頭可以繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至少20% L的空間，即要求沖頭凸出高度H > 1. 2L，確保樣 條拉伸段有至少20%的理想拉伸過程，也就是說本實(shí)驗(yàn)中，樣條被拉伸的長度是> 20%。沖頭質(zhì)量為m，樣條拉伸段與沖擊方向夾角θ時(shí)(如圖3a所示)，樣條拉伸 力F = mX (a+g)/(2Xcos θ )。對(duì)于沿著重力方向的線性沖擊設(shè)備，如果拉伸段截面積為 Α，可以得到拉伸段(如圖2所示)工程應(yīng)力ο Ε σ E = F/A = mX (a+g) / (2Acos θ )(1)為了得到樣條標(biāo)距處的工程應(yīng)變?chǔ)?Ε，有多種方法。其中一種方法是在樣條拉伸 段上設(shè)兩個(gè)標(biāo)距點(diǎn)，通過高速攝像的方式拍攝整個(gè)沖擊過程(要求10000幀/秒的攝像速 度)，然后通過圖像處理技術(shù)即可分析出標(biāo)距點(diǎn)位移變化相對(duì)于標(biāo)距點(diǎn)原長的比例，即需要 測量的工程應(yīng)變?chǔ)?Ε。當(dāng)樣條拉伸段與沖擊方向夾角θ時(shí)，如果無法通過直接測量的方法獲得拉
6伸過程中的應(yīng)變，比如上述攝像測量應(yīng)變的方法，那么還可以通過沖頭減速度a來獲得工 程應(yīng)變?chǔ)?Ε。這種獲得工程應(yīng)變的方法雖然測量精度不及直接測量應(yīng)變的方法，但是對(duì)于塑 料產(chǎn)品的工程開發(fā)仍然能夠提供足夠準(zhǔn)確的材料信息。具體步驟如下步驟1.把沖頭加速度a對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分兩次可以獲得沖頭位移D。步驟2.由此獲得樣條拉伸力F與沖頭位移D的關(guān)系曲線，如圖4所示。步驟3.由于拉伸段寬度約為樣條夾持段和沖擊段寬度的1/3，所以當(dāng)樣條拉伸力 F為最大拉伸力Fmax的1/3時(shí)，整個(gè)樣條仍然處于較為理想的線彈性應(yīng)力狀態(tài)，定義此時(shí)樣 條拉伸力為Ftl = Fmax/3，沖頭位移為隊(duì)。此時(shí)樣條拉伸段伸長量d和沖頭位移D成正比，定 義比例系數(shù)為k，則當(dāng) D < Dtl 時(shí)，d = kXDXcos θ(2)其中的比例系數(shù)k，即沖頭位移與標(biāo)距伸長量之間的比例系數(shù)，可以通過有限元的 辦法獲得。假設(shè)樣條材料為彈性體，楊氏模量可以任意設(shè)定在500MPa 3000MPa之間，泊 松比設(shè)定為0. 35左右。由于此有限元模型的目的是為了求得沖頭位移與標(biāo)距伸長量之間 的比例關(guān)系，所以材料參數(shù)的設(shè)定不影響最終的比例系數(shù)。以圖3d中8號(hào)樣條為例，樣條尺寸參數(shù)取值如下W-窄段寬度IOmm ；L-窄段長度60mm ；WO-樣條寬度20mm ；LO-樣條長度彡370mm ； G-標(biāo)準(zhǔn)長度50mm ；D-夾頭間距270mm ；R-圓弧半徑彡60mm ；沖擊頭直徑12. 5mm ；沖擊段長 度40mm，那么通過有限元分析可以得到，在理想的彈性拉伸條件下，拉伸段伸長量d和沖頭 位移D之間存在簡單的比例關(guān)系d = 0.42XDXCOS5°，即k = 0.42。需要注意的是，如果 改變樣條形狀，標(biāo)距伸長量d與沖頭位移D之間的比例系數(shù)k會(huì)發(fā)生變化，需要重新計(jì)算。當(dāng)樣條拉伸力F大于最大拉伸力Fmax的1/3時(shí)，樣條拉伸段拉伸逐漸進(jìn)入塑性段， 此時(shí)樣條拉伸段伸長量為d = kXDiXcos θ + (D-D1) Xcos θ ,(3)其中D1如圖4所示，D1 = F/FQXDQ，帶入到上式可得d = D0Xcos θ -(1-k) XD0XF/F0Xcos θ(4)通過步驟3就可以把F vs D曲線獲得F vs d的曲線。步驟4，定義樣條標(biāo)距原長為Itl，樣條拉伸段伸長量d，根據(jù)工程應(yīng)變的定義，就可 以計(jì)算出樣條拉伸段的工程應(yīng)變?chǔ)?E為ε E = d/l0(5)至此，由式(1)和式(5)就可以獲得最終需要的材料的工程應(yīng)力σ Ε和工程應(yīng)變
ε go另外，沖頭的質(zhì)量需要根據(jù)測試的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常，硬塑材料會(huì)在20%的應(yīng)變 之前達(dá)到屈服點(diǎn)。而理想的拉伸測試需要穩(wěn)定的拉伸速度，所以在沖擊過程中，也就是從沖 頭接觸樣條到?jīng)_頭繼續(xù)運(yùn)動(dòng)至少20%拉伸段長度的過程中，沖頭的速度的變化應(yīng)該盡可能 的少。根據(jù)SAE J2749中的要求，理想的速度減少量應(yīng)該不超過10%。定義沖頭質(zhì)量為m， 沖擊速度為V，樣條材料的屈服強(qiáng)度為ο，拉伸段截面積為A，長度為L，那么，對(duì)于沖頭質(zhì)量 的要求滿足下面的條件a X (L/V) < 0. 3V(6)其中a為沖頭加速度，根據(jù)式(1)，可以得到
a = 2 σ A cos θ /m-g (7)將(7)式帶入到(6)即可得m > 2 σ A cos θ / (0. 3V2/L+g) (8)以圖3d中的9號(hào)樣條，沖擊速度為3m/s時(shí)，PP類材料的屈服強(qiáng)度通常小于40MPa， 拉伸段截面積A為15mm2 (樣條厚度3mm，寬度5mm)，樣條U型兩頂端到底部的深度約100mm， 此時(shí)的應(yīng)變率約為30/s，根據(jù)式(8)要求沖頭質(zhì)量m> 33kg。如果希望獲得更高的應(yīng)變 率，比如100/s(速度為lOm/s)，根據(jù)式(8)，則實(shí)際上只需要m> 4kg即可。但是，如果希 望利用此方法進(jìn)行應(yīng)變率為10/s (拉伸速度為lm/s)或者更低速率的拉伸，則要求沖頭質(zhì) 量m> 120kg。這樣的條件可能對(duì)沖擊設(shè)備是一種挑戰(zhàn)。因此，本發(fā)明的方法比較適合較高 應(yīng)變率的拉伸測試。以上分析過程中，均認(rèn)為在整個(gè)拉伸過程中兩側(cè)拉伸段的夾角變化比較小(不大 于5° )，由于該角度在拉伸過程中，實(shí)際上也在發(fā)生變化，所以從式(1)到式(5)中的表 達(dá)式實(shí)際上是近似成立的。如果由于設(shè)備限制需要增加這個(gè)角度，那么推薦該角度不超過 30°，否則樣條在沖擊過程中受到的彎曲應(yīng)力以及樣條幾何形狀的變化會(huì)引起較大的計(jì)算 誤差。而且隨著該角度不斷增加，前面關(guān)于通過沖頭位移換算樣條標(biāo)距伸長量的關(guān)系式的 誤差也不斷增加，從而使這種獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法受到很大影響。因此，當(dāng)兩側(cè)拉伸段夾角 較大時(shí)，不推薦使用上面的方法。這時(shí)，或者采用直接測量應(yīng)變的方法，或者對(duì)式(1)至式 (5)中的關(guān)系就拉伸段夾角進(jìn)行更為復(fù)雜和細(xì)致的修正。以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用以限定本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的上 述實(shí)施例還可以做出各種變化。即凡是依據(jù)本發(fā)明申請(qǐng)的權(quán)利要求書及說明書內(nèi)容所作的 簡單、等效變化與修飾，皆落入本發(fā)明專利的權(quán)利要求保護(hù)范圍。
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權(quán)利要求
一種材料高速拉伸試驗(yàn)樣條，包括夾持段、沖擊段、以及拉伸段，其特征在于，該樣條為U型，U型兩端為夾持段，U型底部為沖擊段，夾持段與沖擊段之間為拉伸段，所述沖擊段和夾持段的橫截面積大于或等于拉伸段橫截面積的三倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料高速拉伸試驗(yàn)樣條，其特征在于，所述沖擊段與拉伸段 之間，以及夾持段與拉伸段之間具有過渡圓角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的材料高速拉伸試驗(yàn)樣條，其特征在于，所述拉伸段與所述 沖擊段的對(duì)稱中心線方向的夾角不超過30°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的材料高速拉伸試驗(yàn)樣條，其特征在于，所述拉伸段與所述沖 擊段的對(duì)稱中心線方向的夾角小于或等于5°。
5.一種材料高速拉伸試驗(yàn)方法，其特征在于，應(yīng)用如權(quán)利要求1所述的U型樣條進(jìn)行高 速拉伸，包括如下步驟(1)將所述U型樣條的夾持段夾在線性沖擊設(shè)備的夾頭內(nèi)；(2)使線性沖擊設(shè)備沖頭勻速?zèng)_擊U型樣條的沖擊段；(3)通過計(jì)算得到被測樣條的標(biāo)距處工程應(yīng)力σΕ和工程應(yīng)變?chǔ)纽ァ?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的材料高速拉伸試驗(yàn)方法，其特征在于，所述樣條的拉伸段與 沖擊方向的夾角不超過30°。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的材料高速拉伸試驗(yàn)方法，其特征在于，所述樣條的拉伸段與 沖擊方向的夾角小于或等于5°。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的材料高速拉伸試驗(yàn)方法，其特征在于，步驟(2)中， 沖頭勻速?zèng)_擊的行程至少是樣條拉伸長度的20%。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的材料高速拉伸試驗(yàn)方法，其特征在于，沖擊過程中沖頭的速 度減少不超過10%。
10.根據(jù)權(quán)利要求9任一項(xiàng)所述的材料高速拉伸試驗(yàn)方法，其特征在于，步驟(3)包括①把沖頭加速度a對(duì)時(shí)間進(jìn)行兩次積分獲得沖頭位移D；②獲得樣條拉伸力F與沖頭位移D的F-D關(guān)系曲線；③通過有限元分析定義樣條拉伸段伸長量d與沖頭位移D之間的比例系數(shù)k，把F-D關(guān) 系曲線轉(zhuǎn)化為樣條拉伸力F與拉伸段伸長量d的F-d關(guān)系曲線；④定義樣條拉伸段原長為Itl，計(jì)算出樣條拉伸段的工程應(yīng)變?chǔ)臙為ε E = d/%。⑤樣條拉伸段截面積為A，得到拉伸段工程應(yīng)力σE = F/A。
全文摘要
本發(fā)明提供一種材料高速拉伸試驗(yàn)樣條及試驗(yàn)方法，所述樣條為U型，U型兩端為夾持段，U型底部為沖擊段，夾持段與沖擊段之間為拉伸段，所述沖擊段和夾持段的橫截面積大于或等于拉伸段橫截面積的三倍。采用本發(fā)明的材料高速拉伸試驗(yàn)樣條及試驗(yàn)方法，可應(yīng)用線性沖擊設(shè)備對(duì)硬塑材料樣條進(jìn)行高速拉伸試驗(yàn)從而獲得硬塑材料在高應(yīng)變率情況下機(jī)械性能參數(shù)。
文檔編號(hào)G01N3/307GK101963560SQ20091005530
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日
發(fā)明者郭慶 申請(qǐng)人:延鋒偉世通汽車飾件系統(tǒng)有限公司