中国汽车工程学会发布金属材料圆棒高应变速率拉伸试验方法

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10月26日，中国汽车工程学会正式发布泛亚汽车技术中心有限公司、中国汽车技术研究中心有限公司、清华大学苏州汽车研究院、中国飞机强度研究院合资成立的公告、ITW集团英斯特朗公司、陶氏化学公司共同起草的CSAE标准《汽车用金属材料圆棒材室温高应变率拉伸试验方法》（T/CSAE 233-2021）有限公司、东风汽车集团有限公司等单位。

本标准提出的金属材料圆棒高应变率拉伸试验方法适用于汽车底盘用铸锻件的高应变率拉伸试验。 本标准依据GB/T 228.1-2010和GB/T 30069.2-2016制定。 金属材料棒材在不同高应变率拉伸时，对样品夹具、应力试验方法、样品尺寸及装夹、应变测试等方面都做了更详细的规定，保证了棒材高应变率拉伸试验的准确性。

目前恒青板材质量好，汽车底盘转向节、悬置等铸件的材料高速拉伸曲线是CAE碰撞分析的关键技术参数。 为了建立CAE分析中高速拉伸分析所需的数据库，可以提高碰撞安全分析的准确性。 ，需要利用高速拉伸机和三维光学测试（数字图像相关，DIC）技术来获取金属棒的应力应变场数据。 目前，国际、国内尚无相应的铸铁、铸铝圆棒试样高速拉伸试验标准。 各整车公司和总成制造商尚未提供有关铸造材料高应变率拉伸试验方法的详细说明。 测试结果也存在较大差异，导致对底盘铸造材料的性能和可靠性评价存在诸多差异。

起草工作组充分总结对比了国内外金属材料高应变率拉伸试验方法标准，对国内外铸造、锻造方法制造的汽车零部件用金属材料棒材试验方法进行了调研。 采用GB/T 30069《金属材料高应变率拉伸试验》和《ISO 26203金属材料高应变率拉伸试验》，确定板材的试验与棒材的试验有显着差异。 当金属材料棒材在不同高应变率下拉伸时，对样品夹具、应力测试方法、样品尺寸和装夹、应变测试等方面进行了更详细的研究和试验。

高应变率拉伸测试系统由高速拉伸机、高速相机、光源、数据采集分析系统、同步器、夹具、散斑制备装置、应变片粘贴等组成设备。 测试时，确保设备连接可靠。 静态速率测试确认受力、速度、中立性、摄像头、数据采集均正常后，开始正式测试。 编制团队根据目前国内外行业研究现状，通过正交矩阵设计了试验方案。 总共有48组测试，每组数据需要完成3条样条。 后来又增加了汽车底盘锻件最小壁厚3毫米的小直径花键的试验。 合格的花键必须在标距长度内断裂。 所有测试结果无需过滤，直接反映整个系统的测试状态和结果。 经过一系列的试验，为标准的制定奠定了可靠的基础。

第一步是确定测试夹具。 根据不同的拉伸设备，可以设计不同的设备连接方式。 考虑到样品为圆形截面，建议使用螺纹接头连接样品。 螺纹的长度也经过优化和测试，选择大于2倍平行段长度。 并在夹具上制作一个平坦的表面以连接应变计。 对夹具的材料选择也进行了研究，选择了常用的45钢和钛合金进行比较。 根据图1的测试结果，建议使用硬度为28至38HRC的钛合金材料，以减少夹具固有的振动信号。

编制组在充分总结对比国内外金属材料高应变率拉伸试验方法标准，调研国内外汽车铸锻件用金属材料棒材检测方法的基础上恒青防火板材，参考了《 GB/T 30069金属材料高应变率拉伸试验和ISO 26203金属材料高应变率拉伸试验，并确定板材的试验与棒材的试验有显着不同。 当金属材料棒材在不同高应变率下拉伸时，对样品夹具、应力测试方法、样品尺寸和装夹、应变测试等方面进行了更详细的研究和试验。

高应变率拉伸测试系统由高速拉伸机、高速相机、光源、数据采集分析系统、同步器、夹具、散斑制备装置、应变片粘贴等组成设备。 测试时，确保设备连接可靠。 静态速率测试确认受力、速度、中立性、摄像头、数据采集均正常后，开始正式测试。 编制团队根据目前国内外行业研究现状，通过正交矩阵设计了试验方案。 总共有48组测试，每组数据需要完成3条样条。 后来又增加了汽车底盘锻件最小壁厚3毫米的小直径花键的试验。 合格的花键必须在标距长度内断裂。 所有测试结果无需过滤，直接反映整个系统的测试状态和结果。 经过一系列的试验，为标准的制定奠定了可靠的基础。

第一步是确定测试夹具。 根据不同的拉伸设备，可以设计不同的设备连接方式。 考虑到样品为圆形截面恒青板材绿色，建议使用螺纹接头连接样品。 螺纹的长度也经过优化和测试板材拉伸实验试样尺寸，选择大于2倍平行段长度。 并在夹具上制作一个平坦的表面以连接应变计。 对夹具的材料选择也进行了研究，选择了常用的45钢和钛合金进行比较。 根据图1的测试结果，建议使用硬度为28至38HRC的钛合金材料，以减少夹具固有的振动信号。

图1 钛合金和45#钢夹具及其各自在100-1s时的拉伸曲线

对应变片的粘贴和校准进行了详细的试验，本标准给出了具体说明恒青十大品牌，特别是校准系数R2≥0.999。

在确认设备状态时，如果需要测试力和应变，则需要为设备连接额外的数据线。 测试前应检查所有连线是否连接牢固，特别是信号触发线。 每次试验前，将同一批试样在静态试验机上以低应变速率拉伸，然后在高速试验机上以相同速率拉伸。 静态试验按照GB/T 228.1-2010的规定进行。

为了验证是否需要进行三维测试来验证圆杆试件的应变，分别对单相机和双相机进行了测试。 研究发现，当使用单个相机时，大截面尺寸（直径5毫米的棒）会因散斑畸变而导致跟踪。 散斑变化不会导致测量错误或测试失败。 因此，当散斑测试中应变变化跟不上力值变化时，应使用两个相机进行测试。 如图2和图3所示。

铸铝（左） 铸铁（右）

图2 相机照片-铸铁和铸铝的应变-时间和应力-时间曲线

铸铝（左） 铸铁（右）

图3 两个相机拍摄的照片——铸铁和铸铝的应变-时间和应力-时间曲线

标准起草组还对数据采集频率进行了研究。 图像摄影采集系统的采样频率应考虑试件断裂时间。 当应变率≤100s-1时，得到的有效应变数据大于力值的采样数据，一般大于400。当应变率>100s-1时板材拉伸实验试样尺寸，有效应变数据会急剧下降，并调整应变采集频率和拍摄参数，使最终有效采集的应变不少于100点。 否则，无法有效测量弹性模量和剪切模量。

对于拉伸速度偏差审批的确认，各检测单位进行了详细讨论。 考虑到高应变率速度的影响因素较为复杂，给出了根据最大力对应的应变划分不同平均速度的极限要求。 即当最大力对应的应变率大于5%时，建议实际应变率的平均值在目标应变率的±5%以内。 当最大力对应的应变率小于5%时，将实际应变率记录在报告中。

样本的尺寸也是该标准中的一个关键考虑因素。 较短的测试长度有助于获得较高的应变率，但测量长度不能太小，否则不能保证反映材料的性能。 因此，参照静态标准和现有的高应变率拉伸标准制作了四个不同的试件并进行了测试。 标准中具体描述了试样的夹紧方法、尺寸和夹具材料。 优化后的样品如图4所示，并给出了推荐尺寸。

图 4 典型样品尺寸

阐明：

(1)尺寸公差0.05mm，平行截面工作部分粗糙度0.32，同轴度0.01mm。

(2) 推荐面积直径为5mm、=10mm、=15mm、R=16mm、=5mm、=35mm、D=12mm，或面积直径为3mm、=10mm、=15mm、R=12mm、=5mm， =35mm，D=6mm。

综上所述，该标准重点关注汽车金属材料的使用条件，对直径大于3mm的哑铃形拉伸试件进行了充分的测试，并提供了夹具、散斑产生、相机标定、系统测试等信息。对验证、试件尺寸与装夹、力测试、数据采集与处理等进行系统化指导，保证测试精度高、测试失败率低，避免不同测试人员测试结果存在差异等问题。

该标准充分考虑了汽车行业使用的铸锻件，具有普遍适用性，能够高效地为CAE仿真提供更加准确可靠的材料数据。 与GB/T 30069《金属材料高应变率拉伸试验》和ISO 26203《金属材料高应变率拉伸试验》现行使用的方法协调统一，互不重叠。 它提供了标准之外常用的形状试样。 高应变率下的详细测试方法补充了现有标准。

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