[发明专利]材料样品和用于确定样品几何形状的方法

说明书

一种用于在负载试验中测定材料特性和/或材料特征值的材料样品(100)，其特征在于，材料样品(100)包括能塑性变形的主变形部段(108)、能弹性变形的变形部段(112)和能塑性变形的次变形部段(114)，其中考虑到样品物料、物料尺寸、测量方法和/或负载速度，使主变形部段(108)、能弹性变形的变形部段(112)和次变形部段(114)彼此协调，以便即使在高应变速率的情况下，也能够实现减振地测定形变力；一种用于确定此类材料样品(100)的样品几何形状的方法；一种用于借助于此类材料样品(100)，在负载试验中测定材料特性和/或材料特征值的方法；材料的应力应变曲线，其中借助于此类材料样品来测定应力应变曲线；以及一种产品，其中使用借助于此类材料样品测定的材料特征值来设计该产品。

说明书

本发明涉及一种用于在负载试验中测定材料特性和/或材料特征值的材料样品。此外，本发明还涉及一种用于确定材料样品的样品几何形状的方法。此外，本发明还涉及一种用于借助于材料样品，在负载试验中测定材料特性和/或材料特征值的方法。此外，本发明还涉及材料的应力应变曲线。此外，本发明还涉及一种产品。

在产品开发过程中，例如在汽车制造或者飞机制造中，通常材料被使用直至达到承载能力的极限。在碰撞负载下评估部件的承载能力要求可靠且可复制地测量材料特征值，并且要求同时考虑到高达超过1000 1/s的高形变速度或者说应变速率的足够精确的材料模型。

通常，通过具有比较缓慢的机器横梁速度的准静态拉伸压缩测试机来测量处于约10^-41/s至约10^-11/s的准静态范围内的材料数据，特别是应力应变曲线。对于比较高的速度，使用伺服液压测试仪，其机器横梁的速度可达到20m/s。由此，在正确配置的样品几何形状下，可以实现高达超过1000 1/s的应变速率。

伺服液压机在试验技术的操作和数据分析方面是简单的。机器横梁的高速被传递到样品上。这会产生类似冲击的负荷：冲击波或者说应力波通过样品和样品周边的零部件传播，并且在阻抗变化处和材料过渡区被反射。由此产生整个机器-样品夹头-样品系统的振动，这也被称为系统振动。常规样品几何形状的缺点在于，通过机器的测力单元或者其它测量设施诸如应变片(DMS)等测得的力信号强烈震荡，使得自特定的机器速度起，约2.5 m/s，不再可能分离开系统振动和在样品上作用的实际的力，此2.5m/s的机器速度对应于ISO样品DIN EN ISO 26203-2；2012-01的大约100 1/s的应变速率。

已经开发出若干解决方案，包括不通过机器的测力单元在样品架上测量力，而是直接通过DMS在样品的未变形区域上测量力。、当平均应变速率在200 1/s应变速率范围内时，可以由此获得得到改善的力信号，其质量基本可以接受。然而，自200 1/s的应变速率起，出现的振动再次降低了信息质量。

在此，通常使用圆形或者扁平拉伸试样，其几何形状(长度、宽度和外形)是标准化的。它们主要由较窄及其较薄的、应发生塑性变形的区域和不得发生任何塑性变形的样品肩部区域构成，其中可以通过样品肩部区域，将样品夹紧在样品架上。

为了在应变速率在大于500 1/s至1000 1/s的范围内的极高的负载速度下测定材料数据，主要使用分离式霍普金森杆(SHPB)。在此使用的是极小的样品。SHPB的优点在于：可达到远高于1000 1/s的高应变速率，而不会使得系统振动干扰测量。相应地，所测得的力量值没有震荡，并且非常适用于应力应变曲线的计算。然而，缺点在于，由于测量技术，仅可测量约0.2至约0.3的较小应变。更严重的缺点是同一种物料的非常不同的测量结果。借助于FEM分析进行的关于样品几何形状对变形区域中的与此相关的应力分布和应变分布的影响已经表明，在SHPB试验中，许多用于计算实验结果的基础假设在实际中都是无效的：在极小的样品中，与假设的条件不同，应力和应变的分布不是均匀的，并且不总能达到准静态平衡。因此违反了使用该技术进行有效计算的基本前提条件。这会导致高估形变及其所测定的应力的偏差。在伺服液压拉伸测试机上的拉伸试验过程中，不会在拉伸样品中出现上述现象。