高速碰撞中的汽车材料力学性能

对材料力学性能进行全面的研究是汽车设计的重要前提。但汽车碰撞是一个动态的过程,仅仅在静态下研究材料属性是不够的。

讨论一种材料强度如何,我们通常的做法可能是用手轻轻地按一按。如果再专业一点,我们会切一块材料做成试件,拿到试验机下做拉伸试验测试一下,看看可以承受多少力来评价强度如何,看看变形达到多少才会断裂来评价韧性好坏。

各式各样的静态试验(图片来源:麻省理工学院Tomasz Wierzbicki教授研究团队)

在汽车安全研究中,无法回避的一个问题是——绝大部分汽车碰撞都是具有一定速度的冲击过程,而无论用手按一下还是用传统试验机测试,都是速度接近于零的“准静态”过程。这种过程中,材料的力学性能(强度、韧性等)会有不同么?

汽车碰撞是一个冲击过程(图片来源于网络)

事实上,在冲击力学领域近百年的历史中,早已有无数研究者对不同的材料进行了各种速度下的试验。从准静态到低、中、高速的碰撞,再到超高速的爆炸过程,不一而足。大量试验数据表明:随着速度(更为准确地,通常使用“应变率”来衡量材料变形的快慢程度)的提高,材料的力学行为是很可能会发生变化的,而具体如何变化则视材料不同而不同。

拿常见的车用金属材料举两个例子。首先是钢材料。我们现在知道的几乎所有钢材料的强度都具有正应变率相关性,也就是说,相同尺寸的材料,变形得越快,材料强度越高。另一个例子是铝合金材料,情况就更有意思很多。不同牌号的铝合金材料有不同的应变率相关性。一个来自日本爱知工科大学的研究团队曾对10种常见牌号铝合金材料进行测试,发现1050-O,1100-H14,3003-O,3003-H24以及6061P-T6等5种牌号具有明显的正应变率相关性,而2017-T4,2024-T3,5052-O,5052-H34以及5056-H34等5种牌号则表现出轻微的负应变率相关性,换句话说,速度的增加反而使材料变弱了!当然,这种负应变率相关性程度非常弱,所以更多时候大部分研究者习惯于将这几类铝合金材料认为是应变率不敏感的,或者说是没有应变率效应的。

以上两个例子说的是强度,而实际上高速下材料的韧性也会受到影响。这方面的变化趋势较为复杂,有些材料在一定的速度范围内存在速度越快韧性越好的现象。但更多的常用材料随着应变率的提高总的来说会表现得比静态下更“脆”,也就是会更早发生失效或断裂。强度具有正应变率相关性的材料往往更是如此。这一点自然是容易理解的——强度和韧性往往是trade-off的,一方面的增强会导致另一方面的减弱。(同时将两方面都增强则是目前材料研究者们的一个重要目标。事实上随着技术的进步,我们已经看到了像奥氏体不锈钢、TWIP钢这样非常有前景的先进高强钢材料。)

这方面典型的一个例子就是我们轻量化设计时常讨论到的碳纤维材料。目前伴随着技术的改进,人们已经不再满足于碳纤维结构件,很多人甚至开始研究碳纤维材料做汽车吸能盒的可能性。作者本人曾在做学生方程式赛车时探究过这一问题,做过设计与试验:静态下碳纤维吸能盒表现得还算“温和”,渐进式地变形、裂纹慢慢地扩展——但是到了高速下,吸能盒在一瞬间脆性碎裂,变为满地的碎片和弥漫在空气中的粉末。

碳纤维单体壳车身的碰撞试验(图片来源:InsideAutoTV上传Youtube视频)

汽车的碰撞安全是一个复杂的系统性问题,因此一般无法下定结论说材料的应变率效应是件好事还是坏事。比如说,局部某些部件变强,可能反而会增加碰撞过程中乘员的加速度,对人体造成损伤。但是,应变率效应却是设计者无法忽略的一个重要考察因素。毕竟谁也不想在静态下设计一辆车,一开起来或者法规动态测试的时候属性就完全不一样了。况且,随着技术的提升,我们越来越需要“可预测”,而不仅仅是笼统地、经验性地给一个“安全系数”。

因为这样的原因,材料的动态测试正变得日益重要,测试装置也层出不穷。静态下有传统的万能试验机(<1/s),高应变率下有霍普金森杆装置(>500/s),介于两者之间则有液压伺服试验机和落锤、摆锤等装置。这些系统各有自己擅长的速度范围,搭配到一起可以完美地实现从静态到动态的大范围试验。同时,目前市场上已有成熟的液压试验机可以满足从准静态(0.00001/s)直至高速(5000/s)加载的要求。

清华大学周青教授团队落锤、中应变率液压试验机以及高速拉伸机

参考文献:

1.Bao, Y., & Wierzbicki, T. (2004). On fracture locus in the equivalent strain and stress triaxialityspace. International Journal of Mechanical Sciences, 46(1), 81-98.

2.Tanimura, S., Hayashi, H.,Yamamoto, T., & Mimura, K. (2009). Dynamic tensile properties of steels andaluminum alloys for a wide range of strain rates and strain. Journal of SolidMechanics and Materials Engineering, 3(12), 1263-1273.

3.Xia, Y., Zhu, J., Zhou, Q. (2015). Verification of a multiple-machine program for material testing fromquasi-static to high strain-rate. International Journal of Impact Engineering, 86, 284-294.

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