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ISO 26203-1:2025 高应变速率拉伸试验 第1部分：弹性杆式系统
金属材料 — 高应变速率拉伸试验 — 弹性杆式系统
一、高应变速率拉伸试验原理
ISO 26203-1:2025规定了使用弹性杆式系统（通常称为Split Hopkinson压杆或Kolsky杆配置）对金属材料进行高应变速率拉伸试验的方法。本第三版替代并废止了第二版(ISO 26203-1:2018)，包含了数字数据采集技术的进步、改进的脉冲整形技术、优化的试样几何要求以及更新的验证程序。材料在从10的平方到10的四次方每秒的高应变率下表现出与准静态条件显著不同的力学行为，使得本标准对汽车碰撞安全性工程、航空航天冲击分析、装甲设计和涉及材料快速变形的制造工艺模拟至关重要。
2025年第三版包含三项主要技术进展：具有更高采样率和改进分辨率增强的数字数据采集要求、使用先进材料优化加载率精确控制的脉冲整形技术，以及通过有限元分析验证的精细化试样几何要求，最大限度地减少惯性效应和应力集中伪影。
基本原理是通过入射弹性杆向夹在入射杆和相同阻抗的透射杆之间的试样传播机械加载脉冲。粘贴在两根杆上的精密应变片测量作为时间函数的入射、反射和透射应变脉冲。使用一维弹性波理论，可以从这三个波信号推导出试样中的应力、应变和应变率。该标准涵盖使用直接SHPB配置的压缩加载和使用特殊套环或螺纹连接安排的拉伸加载，使得在高达每秒数千的应变率下进行有效的拉伸试验成为可能。
| 参数 | 准静态试验 | 高应变率 (ISO 26203-1) |
|---|---|---|
| 应变率范围 | 10的负五次方至10的负一次方每秒 | 10的平方至10的四次方每秒 |
| 试验机类型 | 带丝杠或液压驱动的传统万能试验机 | 带气枪或炸药加载的Split Hopkinson压杆系统 |
| 力测量方法 | 与试样串联的力传感器 | 安装在弹性入射杆和透射杆上的应变片 |
| 应变测量方法 | 接触式引伸计或数字图像相关 | 使用一维波理论的反射波分析 |
| 典型试验时长 | 30至300秒 | 50至500微秒获得完整应力-应变曲线 |
| 绝热热效应 | 慢速变形过程中可忽略的发热 | 显著的温度升高影响流变应力行为 |
二、装置设计与校准要求
弹性杆式系统由三个精密加工的杆组成：由气枪或类似机构发射的撞击杆、入射杆和透射杆，全部由高强度弹性材料（如马氏体时效钢或高强度铝合金）制造，具有精确控制的机械阻抗。杆必须具有匹配的阻抗以最小化界面的波反射、优异的直线度以确保一维波传播以及精良的表面光洁度以减少摩擦和磨损。标准规定了杆径范围（通常12.5毫米至25毫米）、确保入射脉冲和反射脉冲在时域完全分离的最小长度要求以及详细的表面光洁度要求。
高应变率试验中最常见的测量误差来源是波弥散现象，即机械脉冲的高频分量以不同于低频分量的相速度传播，导致波沿杆传播时发生逐渐的脉冲畸变。标准要求使用相频法或基于傅里叶变换的数值校正技术进行强制性弥散校正，以恢复试样界面处的真实脉冲形状。
应变片的选择、放置和信号调理对于获得有效结果至关重要。应变片必须有足够的频率响应（标准尺寸钢杆通常为100千赫或更高），采用带温度补偿的全惠斯通电桥电路安装，并精确定位于距试样界面已知距离的位置。标准还要求在每次试验系列之前使用具有良好表征动态力学性能的参考材料进行全面的系统验证，以确认从脉冲生成到数据采集再到数据缩减的整个测量链正常运行。
三、试样设计与数据分析方法
ISO 26203-1规定了针对高应变率试验条件特别优化的试样几何形状，旨在在试样长度上的前两到三次波反射内实现动态应力平衡。试样必须在显著塑性应变累积之前达到均匀变形状态以确保有效的材料性能数据。关键的几何考虑因素包括长径比（压缩试样通常为0.5至1.0以最小化惯性约束效应）、避免可能引起应力集中和过早失效的几何不连续性，以及确保与加载杆一致接触条件的细心表面制备。
获得有效的高应变率试验结果要求试样在前两到三次波反射内达到动态应力平衡。这通过在撞击杆与入射杆的冲击界面放置薄退火铜或黄铜盘进行精心的脉冲整形来实现。脉冲整形器塑性变形，将尖锐的矩形冲击脉冲转换为平滑上升的斜坡脉冲，促进整个试验过程中试样在几乎恒定应变率下的均匀变形。
数据分析程序包括使用一维弹性波理论从三个记录的波信号计算工程应力和应变、对所有波信号应用强制性弥散校正、验证两个试样-杆界面的力平衡作为质量检查，以及在考虑高应变率变形过程中的绝热温升的同时将工程应力-应变数据转换为真实应力-应变。标准建议报告多个指定应变水平下的流变应力值、量化材料率依赖性的应变率敏感性指数m以及均匀延伸率处的应变，作为动态塑性变形建模和高应变率过程有限元模拟的关键材料参数。
如果未针对特定材料和应变率适当选择试样的长径比，惯性效应可能引入显著的测量误差。对于常用于汽车碰撞模拟的薄板试样，必须仔细最小化夹持区域中的夹紧引起的预应力，以避免使测量的屈服强度和流变应力数据产生偏差。需要采用包含柔度补偿机制的专用夹紧装置才能在高应变率下获得有效的拉伸试验结果。
四、常见问题解答
问1：根据该标准，使用弹性杆式系统可可靠达到的最大应变率是多少？
标准涵盖从10的平方到10的四次方每秒的应变率。使用小型化杆系统可能达到高达10的五次方每秒的更高率，但标准指出在超过5,000每秒的应变率时，波弥散效应和惯性约束伪影会越来越严重地影响测量精度。
标准涵盖从10的平方到10的四次方每秒的应变率。使用小型化杆系统可能达到高达10的五次方每秒的更高率，但标准指出在超过5,000每秒的应变率时，波弥散效应和惯性约束伪影会越来越严重地影响测量精度。
问2：高应变率变形过程中的绝热加热如何影响测量的应力-应变结果？
在超过100每秒的应变率下，塑性功产生热量的速度超过其散失速度，导致试样在严重变形过程中温度升高100至300摄氏度。这种绝热软化使测量的流变应力低于真实等温行为下的值。标准提供了经过验证的公式用于估算温升并校正应力-应变曲线以近似等温条件。
在超过100每秒的应变率下，塑性功产生热量的速度超过其散失速度，导致试样在严重变形过程中温度升高100至300摄氏度。这种绝热软化使测量的流变应力低于真实等温行为下的值。标准提供了经过验证的公式用于估算温升并校正应力-应变曲线以近似等温条件。
问3：ISO 26203-1方法可测试哪些类型的金属材料？
该方法适用于大多数工程金属材料，包括钢、铝合金、钛合金、铜合金、镍基高温合金和镁合金。对于流变应力超过2,000兆帕的超高强度材料，必须仔细选择杆材料以在整个试验过程中保持完全弹性，避免杆本身的塑性变形使基于波的测量失效。
该方法适用于大多数工程金属材料，包括钢、铝合金、钛合金、铜合金、镍基高温合金和镁合金。对于流变应力超过2,000兆帕的超高强度材料，必须仔细选择杆材料以在整个试验过程中保持完全弹性，避免杆本身的塑性变形使基于波的测量失效。
问4：标准如何规定实现有效试验条件的脉冲整形要求？
标准建议使用厚度通常为0.2至1.0毫米的退火铜或黄铜盘放置在撞击杆与入射杆的冲击界面作为机械脉冲整形器。应系统地选择和验证整形器的材料牌号、厚度和直径，以产生平滑上升的斜坡入射脉冲，促进试样中的快速动态平衡和恒定应变率变形。
标准建议使用厚度通常为0.2至1.0毫米的退火铜或黄铜盘放置在撞击杆与入射杆的冲击界面作为机械脉冲整形器。应系统地选择和验证整形器的材料牌号、厚度和直径，以产生平滑上升的斜坡入射脉冲，促进试样中的快速动态平衡和恒定应变率变形。
