技术分享 | 样条类型对汽车用PP高应变率测试的影响

聚丙烯(PP)适于制作一般机械零件、耐腐蚀零件和绝缘零件。近年来，越来越多汽车制造商选择PP作为汽车保险杠、防擦饰条、门内柱及车门护板等汽车部件。在汽车进行结构设计、选材过程中，需要对汽车碰撞过程进行模拟，而车用材料在不同应变速率下的应力－应变曲线是汽车碰撞模拟成功的关键。材料在高应变速率下的应力－应变曲线常由高速拉伸试验机测得，而目前高速拉伸测试面临很多问题，如载荷震荡严重、惯性力影响、系统阻尼比(ζ)较小等。这些因素都严重影响高速拉伸测试的准确性。而解决这些问题的方法之一是选择合适类型的样条。目前国际上关于高速拉伸测试的样条的类型并没有统一，也没有相关资料进行研究。现选取3种不同类型的样条，研究样条的类型对汽车用PP在不同应变速率下测试结果的影响。

1.1 试验设备参数与样条类型

设备参数：拉伸速度0.01~12.00m/s,最大载荷25kN,可测试温度-40~150℃。

应变测量方式：横梁位移或非接触式引伸计。

样条类型：GB1040—20061A样条、1BA样条、S3A样条。

1.2 不同应变速率下的应力－应变测试

通常材料在0.01，0.10，1.00，10.00，100.00s^-1下的应力－应变曲线是计算机辅助工程(CAE)模拟分析所必需的。然而制备成不同类型样条的材料在不同应变速率下反应的力学行为是不同的。针对这种情况，选取1BA，1A，S3A样条进行在0.01，0.10，1.00，10.00，100.00s^-1的应变速率进行试验，研究不同样条类型PP样条在不同应变速率下动态力学行为。测试曲线如图1~3所示。

图1 1A样条应力－应变曲线

图2 1BA样条应力－应变曲线

图3 S3A样条应力－应变曲线

由图1~3可以看出，虽然测试的是同一种PP,但由于采用了不同类型的样条测试，使得应力－应变曲线相差很大。本试验将详细从ζ、载荷震荡幅度、载荷加载速度以及断裂伸长率分布来分析样条类型对车用PP拉伸测试的影响。

2.1 样条类型对高速拉伸测试系统ζ的影响

本试验采用3种样条——1A,1BA,S3A样条进行测试，计算出高速拉伸测试仪测试3种样条时的ζ，结果1A,1BA,S3A样条ζ(ζ1A,ζ1BA,ζS3A)分别为0.04,0.06,0.03。

可见，采用1A,1BA,S3A样条进行测试时，发现ζS3A小于ζ1A,ζ1A小于ζ1BA,当采用1BA样条进行测试时，系统ζ最大，在高速拉伸测试中载荷收敛较快，达到稳态时间越短，可以很大程度上避免力的震荡，测试效果最佳。

2.2样条类型对载荷的影响

2.2.1样条类型对载荷震荡的影响

在进行高速拉伸测试时，载荷的数据震荡现象是中高应变率试验普遍存在的问题，因为载荷震荡，无法确定最大载荷，也无法准确描述在拉伸过程中载荷的变化情况，进而影响汽车结构的优化设计及选材。载荷震荡的影响因素之一便是不合适的试件尺寸，当采用1A,1BA,S3A样条进行高速拉伸测试时，对其载荷震荡幅度进行评估，结果如表1所示。

表1试样高速拉伸测试时载荷震荡幅度

由表1可见，无论采用哪种样条进行测试，载荷震荡的现象都是存在的。采用1BA样条进行测试时，载荷震荡幅度最小，1A样条次之，采用S3A样条测试时载荷震荡幅度最大。当采用S3A样条进行应变速率为100.00s-1的测试时，载荷震荡幅度可达552.31N，且整个测试过程中，载荷震荡明显。图4为采用S3A样条应变速率为100.00s-1时载荷随时间的变化曲线。由图4可见，因为其载荷震荡过大，导致测试时很难判定样条断裂点，进而影响对样品高速下拉伸性能的评估。

图4 S3A样条载荷与应变关系曲线

2.2.2样条类型对最大载荷的影响

最大载荷可以反映出材料在特定情况下吸收能量的大小，从而间接反映材料在撞击过程中吸收能量的能力，为选材提供重要的参数。将1A，1BA，S3A样条进行高速拉伸测试，对其最大载荷进行评估，结果如表2所示。

表2 样条进行测试时最大载荷(Fmax)N

由表2可以看出，采用不同样条测试出的Fmax是不同的。设高速拉伸测试仪的精度等级为p,则其绝对误差为p·Fnom(Fnom为高速拉伸试验机的最大量程）。测量的绝对误差与被测量值真实值之比称为相对误差(△X)[1]。△X越小，测量结果相对越准确。采用1A,1BA,S3A样条进行应变速率为100.00,10.00,1.00,0.10,0.01s^-1测试时，相对误差为p·Fnom/Fmax。当高速拉伸试验机的量程以及精度等级都确定后，p·Fnom值也是确定的，影响系统相对误差大小的因子为Fmax,Fmax越大，相对误差越小。根据表2可知，HTM2512型高速拉伸试验机测试1A样条时，相对误差最小，测试效果最佳。

2.3样条类型对载荷加载速度的影响

载荷加载的速度可以影响测试的结果。如钢材样品的测试，载荷加载过快会导致弹性段数据的丢失。但在汽车用材料的高速拉伸测试中，因为要用CAE软件模拟汽车的撞击行为，汽车撞击则是在瞬间受到很大的力，因此测试时载荷加载越快越好。载荷加载的快慢可以用拉伸测试所得曲线中屈服前的近直线段的斜率来表示，斜率越大，载荷加载越快。经过计算，1A,1BA,S3A样条的高速拉伸测试所得应力－应变曲线中（图1、图2、图3)屈服前近直线段的斜率相应为718.00,3910.00,1262.22。

采用1BA样条测试时，载荷加载速度最快，S3A样条次之。因此，当采用高速拉伸试验机进行车用PP的高速拉伸测试时，优选1BA样条。

2.4样条类型对断裂伸长率测试的影响

断裂伸长率一直是拉伸测试关注的焦点，它可以评价材料的力学性能、反应材料的韧性。采用1A,1BA,S3A样条进行应变速率为100.00,10.00,1.00,0.10,0.01s^-1的拉伸测试，得出断裂伸长率如表3所示。

表3 样条在不同应变速率下的断裂伸长率

PP是应变敏感性材料，即断裂伸长率随着应变速率的增加而降低。采用1A样条与1BA样条测试时，得出的应变速率与断裂伸长率的关系与此规律相符。而采用S3A样条测试时得出的应变速率与断裂伸长率的关系是无规律的。所以，从测试断裂伸长率角度出发，当采用高速拉伸试验机测试时，优选1A与1BA样条。

当采用高速拉伸试验机进行车用PP测试时：a)1BA样条测试效果相对较好，建议在条件允许的情况下，尽量不选择S3A样条进行高速拉伸测试；b)3种试样载何震荡效果上都存在缺点，高速拉伸的试样规格需要进一步优化；c)虽然测试的是同一种材料，但是只是改变了样条的形式，3种样条测试得出的屈服应力有很大差异，其原因则有待进一步探索。