高应变率测试技术
引言
绝大多数拉伸、剪切与压缩实验均在准静态条件下缓慢进行。"准静态"指加速度对测力装置的影响可忽略不计，且无需考虑应力波在试件中的传播。典型准静态拉伸试验的应变率约为0.01 s⁻¹（1 s⁻¹=100%/秒）。实际工况中，材料可能承受远高于此的应变率，且许多材料的物理性能对应变率具有敏感性。
图1 高应变率下的局部塑性应变
本简报将探讨0.1 s⁻¹至1000 s⁻¹应变率范围内的测试问题，该区间通常可由万能试验机、标准伺服液压试验机、专用落锤装置及高速伺服液压试验机实现。对于超过100 s⁻¹的应变率，需采用基于应力波传播原理的测试方案（如Kolsky杆或Nolle应力波传播装置），此类技术不在本文讨论范围内。
图2 塑料的多应变率拉伸测试（0.001~500/S）
基础测试要素
为实现更高应变率，拉伸、剪切与压缩实验需对以下共有要素进行调整：
加载系统
试件变形需通过加载系统实现。准静态测试通常采用机电式试验机，通过螺杆驱动横梁施加恒定变形速率。更高应变率需更快的加载系统（如伺服液压试验机），且仪器须快速达到目标应变率。若无法满足，可采用"松弛夹具系统"——该系统允许在夹持试件前使加载机构达到预定速度。
对于10 s⁻¹至1000 s⁻¹应变率范围，需使用落锤装置或专用高速伺服液压系统。除需满足夹持端速度要求外，系统整体刚度与阻尼必须能抑制额外振动对实验的干扰。
力值测量
力传感器用于测量试件传递的载荷。准静态测试通常采用应变片式力传感器，但在高应变率下会因惯性效应及自由振动导致测量失真。此时应选用刚度更高的压电力传感器（尽管其存在时漂问题，不适用于准静态测试）。此外，需最小化力传感器上夹具的质量以降低惯性载荷。
图3 松弛夹具系统（允许加载机构在夹持试件前完成加速）
应变测量
应变传感器用于测量远离夹持区域的试件变形。准静态测试多采用夹持式引伸计，但高应变率下初始加速度可能导致传感器振动，引入测量误差。本机构推荐采用高速非接触式应变测量系统，其通过试件标记实现测量，虽需额外标定工作，但避免了传感器质量引起的惯性振动。
图4 高应变率拉伸实验装置
图5 高应变率松弛夹具装置
数据采集
随着应变率升高，事件持续时间缩短，需更高采样率的数据采集系统。整个系统（含传感器、信号调理器及数采仪）须具备足够高频响特性。由于高应变率测试中试件尺寸小、传感器频响高，数据噪声通常大于准静态实验。
有效分离真实应力应变数据与传感器噪声及机械振动，需预先测量并理解测试系统的固有噪声特性。即使采用非接触应变测量，仍需确定目标量程：若需精确测量低应变模量，量程应较短；若侧重应力-应变曲线积分能量，则可牺牲小应变分辨率换取更大量程。
图6 高速弯曲试验
图7 配合高速摄影（500,000帧/秒）的压缩-卸载实验
图8 可压缩泡沫材料高速压缩实验前后对比
应变率选择
不同材料对应变率的敏感性各异，但通常建议按数量级梯度（如0.1、1、10、100及1000 s⁻¹）观测变化。仅加倍或减半应变率可能产生难以察觉的微小结构变化。
图10 0.1 s⁻¹、1.0 s⁻¹及10 s⁻¹应变率下拉伸试件的显著差异
