對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行全面的研究是汽車(chē)設(shè)計(jì)的重要前提。但汽車(chē)碰撞是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，僅僅在靜態(tài)下研究材料屬性是不夠的。

討論一種材料強(qiáng)度如何，我們通常的做法可能是用手輕輕地按一按。如果再專(zhuān)業(yè)一點(diǎn)，我們會(huì)切一塊材料做成試件，拿到試驗(yàn)機(jī)下做拉伸試驗(yàn)測(cè)試一下，看看可以承受多少力來(lái)評(píng)價(jià)強(qiáng)度如何，看看變形達(dá)到多少才會(huì)斷裂來(lái)評(píng)價(jià)韌性好壞。

各式各樣的靜態(tài)試驗(yàn)(圖片來(lái)源：麻省理工學(xué)院Tomasz Wierzbicki教授研究團(tuán)隊(duì))

在汽車(chē)安全研究中，無(wú)法回避的一個(gè)問(wèn)題是——絕大部分汽車(chē)碰撞都是具有一定速度的沖擊過(guò)程，而無(wú)論用手按一下還是用傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，都是速度接近于零的“準(zhǔn)靜態(tài)”過(guò)程。這種過(guò)程中，材料的力學(xué)性能（強(qiáng)度、韌性等）會(huì)有不同么？

汽車(chē)碰撞是一個(gè)沖擊過(guò)程(圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò))

事實(shí)上，在沖擊力學(xué)領(lǐng)域近百年的歷史中，早已有無(wú)數(shù)研究者對(duì)不同的材料進(jìn)行了各種速度下的試驗(yàn)。從準(zhǔn)靜態(tài)到低、中、高速的碰撞，再到超高速的爆炸過(guò)程，不一而足。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：隨著速度(更為準(zhǔn)確地，通常使用“應(yīng)變率”來(lái)衡量材料變形的快慢程度)的提高，材料的力學(xué)行為是很可能會(huì)發(fā)生變化的，而具體如何變化則視材料不同而不同。

拿常見(jiàn)的車(chē)用金屬材料舉兩個(gè)例子。首先是鋼材料。我們現(xiàn)在知道的幾乎所有鋼材料的強(qiáng)度都具有正應(yīng)變率相關(guān)性，也就是說(shuō)，相同尺寸的材料，變形得越快，材料強(qiáng)度越高。另一個(gè)例子是鋁合金材料，情況就更有意思很多。不同牌號(hào)的鋁合金材料有不同的應(yīng)變率相關(guān)性。一個(gè)來(lái)自日本愛(ài)知工科大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)曾對(duì)10種常見(jiàn)牌號(hào)鋁合金材料進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)1050-O，1100-H14，3003-O，3003-H24以及6061P-T6等5種牌號(hào)具有明顯的正應(yīng)變率相關(guān)性，而2017-T4，2024-T3，5052-O，5052-H34以及5056-H34等5種牌號(hào)則表現(xiàn)出輕微的負(fù)應(yīng)變率相關(guān)性，換句話說(shuō)，速度的增加反而使材料變?nèi)趿?！?dāng)然，這種負(fù)應(yīng)變率相關(guān)性程度非常弱，所以更多時(shí)候大部分研究者習(xí)慣于將這幾類(lèi)鋁合金材料認(rèn)為是應(yīng)變率不敏感的，或者說(shuō)是沒(méi)有應(yīng)變率效應(yīng)的。

以上兩個(gè)例子說(shuō)的是強(qiáng)度，而實(shí)際上高速下材料的韌性也會(huì)受到影響。這方面的變化趨勢(shì)較為復(fù)雜，有些材料在一定的速度范圍內(nèi)存在速度越快韌性越好的現(xiàn)象。但更多的常用材料隨著應(yīng)變率的提高總的來(lái)說(shuō)會(huì)表現(xiàn)得比靜態(tài)下更“脆”，也就是會(huì)更早發(fā)生失效或斷裂。強(qiáng)度具有正應(yīng)變率相關(guān)性的材料往往更是如此。這一點(diǎn)自然是容易理解的——強(qiáng)度和韌性往往是trade-off的，一方面的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致另一方面的減弱。(同時(shí)將兩方面都增強(qiáng)則是目前材料研究者們的一個(gè)重要目標(biāo)。事實(shí)上隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們已經(jīng)看到了像奧氏體不銹鋼、TWIP鋼這樣非常有前景的先進(jìn)高強(qiáng)鋼材料。)

這方面典型的一個(gè)例子就是我們輕量化設(shè)計(jì)時(shí)常討論到的碳纖維材料。目前伴隨著技術(shù)的改進(jìn)，人們已經(jīng)不再滿足于碳纖維結(jié)構(gòu)件，很多人甚至開(kāi)始研究碳纖維材料做汽車(chē)吸能盒的可能性。作者本人曾在做學(xué)生方程式賽車(chē)時(shí)探究過(guò)這一問(wèn)題，做過(guò)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)：靜態(tài)下碳纖維吸能盒表現(xiàn)得還算“溫和”，漸進(jìn)式地變形、裂紋慢慢地?cái)U(kuò)展——但是到了高速下，吸能盒在一瞬間脆性碎裂，變?yōu)闈M地的碎片和彌漫在空氣中的粉末。

碳纖維單體殼車(chē)身的碰撞試驗(yàn)(圖片來(lái)源：InsideAutoTV上傳Youtube視頻)

汽車(chē)的碰撞安全是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性問(wèn)題，因此一般無(wú)法下定結(jié)論說(shuō)材料的應(yīng)變率效應(yīng)是件好事還是壞事。比如說(shuō)，局部某些部件變強(qiáng)，可能反而會(huì)增加碰撞過(guò)程中乘員的加速度，對(duì)人體造成損傷。但是，應(yīng)變率效應(yīng)卻是設(shè)計(jì)者無(wú)法忽略的一個(gè)重要考察因素。畢竟誰(shuí)也不想在靜態(tài)下設(shè)計(jì)一輛車(chē)，一開(kāi)起來(lái)或者法規(guī)動(dòng)態(tài)測(cè)試的時(shí)候?qū)傩跃屯耆灰粯恿恕r且，隨著技術(shù)的提升，我們?cè)絹?lái)越需要“可預(yù)測(cè)”，而不僅僅是籠統(tǒng)地、經(jīng)驗(yàn)性地給一個(gè)“安全系數(shù)”。

因?yàn)檫@樣的原因，材料的動(dòng)態(tài)測(cè)試正變得日益重要，測(cè)試裝置也層出不窮。靜態(tài)下有傳統(tǒng)的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(<1/s)，高應(yīng)變率下有霍普金森桿裝置(>500/s)，介于兩者之間則有液壓伺服試驗(yàn)機(jī)和落錘、擺錘等裝置。這些系統(tǒng)各有自己擅長(zhǎng)的速度范圍，搭配到一起可以完美地實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的大范圍試驗(yàn)。同時(shí)，目前市場(chǎng)上已有成熟的液壓試驗(yàn)機(jī)可以滿足從準(zhǔn)靜態(tài)(0.00001/s)直至高速(5000/s)加載的要求。

清華大學(xué)周青教授團(tuán)隊(duì)落錘、中應(yīng)變率液壓試驗(yàn)機(jī)以及高速拉伸機(jī)

參考文獻(xiàn)：

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