彭建章1,李榮鋒2,3

[1.武漢泛洲中越合金有限公司,武漢430056;2.廣東(東莞)材料基因高等理工研究院,東莞 523808; 3.中國核動力研究設計院 反應堆燃料及材料重點實驗室,成都 610213] 

摘 要:通過大量橫梁位移速率控制下的原始拉伸數據,計算了橫梁位移控制條件下,名義應變 速率與實際應變速率之間的差異,并以此為依據對橫梁位移速率進行了修正和驗證。結果表明:該 修正方法簡易可行,建議替代 GB/T228.1-2010中原有的修正方法。 

關鍵詞:拉伸試驗;橫梁位移;名義應變速率;實際應變速率;方法 A;剛度修正 中圖分類號:TG115 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)04-0019-03

GB/T228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分:室溫試驗方法》作為金屬材料領域內最為常用 的測試標準之一,其重要性不言而喻。修改采用自 ISO6892-1:2009 的 GB/T228.1-2010 與 GB/T 228.2-2015的最大變化是增加了應變速率控制方 法(方法 A)。因部分金屬材料對拉伸速率較為敏 感,不同的拉伸速率會導致拉伸結果出現顯著差異, 方法 A 旨在減小測定應變速率敏感參數時的試驗 速率變化和測試結果的測量不確定度[1]。方法 A 又闡述了兩種不同類型的應變速率控制模式,第1 種為基于引伸計的反饋而得到的控制模式,第2種 是根據平行長度估算的橫梁位移速率控制模式。但 在實施的過程中,兩種方法均存在一定的難點,第1 種控制模式因其對試驗機的要求較高,在某些情況 下可能會導致試驗機速率失控;第2種控制模式則 由于試驗系統本身的柔度(剛度)問題,導致實際的 應變速率可能會明顯低于設定的應變速率。GB/T 228.1-2010的附錄 F也專門闡述了如何對試驗機 柔度(剛度)進行修正的方法,但該修正方法在實施 上比較繁瑣。因此對于如何實施方法 A 在廣大標 準使用者間引起了一系列的爭議和討論[2-10]。 為探求柔度(剛度)修正新方法,筆者通過大量 橫梁位移速率控制下的原始拉伸數據,計算了橫梁 位移速率控制方式下,名義應變速率與實際應變速 率之間的差異,并以此為依據對橫梁位移速率進行 修正和驗證,實現了以橫梁位移方式滿足應變速率控制(方法 A)。

1 橫梁位移模式下的實際應變速率計算 

1.1 試驗設備及試驗方法

試驗設備為珠海三思生產的CMT-5205型電子萬 能試驗機,引伸計為鋼研納克生產的 YYU-25/5型和 YYU-50/10型引伸計,標距分別為50mm和25mm。 試驗材料為鋼研納克生產的不銹鋼材料標準拉 伸試棒(規格為?5mm 和?10mm)以及筆者單位 生產的各類黃銅材料拉伸試棒(規格為?5 mm 和 ?10mm)兩類,前者具有不連續屈服的特點(有明 顯的屈服平臺),后者具有連續屈服的特點(無明顯 屈服平臺)。 因屈服強度是應變速率的敏感參數,筆者主要 研究屈服階段的應變速率。筆者所在試驗室前期黃 銅拉伸試驗主要采用方法 B,不同規格試棒設置的 屈服階段 橫 梁 位 移 速 率 均 為 2 mm·min -1 (對 應 ?5mm 試棒,名 義 應 變 速 率 為 0.0011s -1;對 應 ?10mm 試棒,名義應變速率為0.00056s -1),不銹 鋼材料標準拉伸試棒則采用證書上推薦的橫梁位移 速率,即LC×0.00025×60mm·min -1(?5mm 試 棒屈 服 期 間 橫 梁 位 移 速 率 0.45 mm·min -1, ?10mm試棒屈服期間橫梁位移速率0.9mm·min -1)。

1.2 實際應變速率計算 

不連續屈服試樣屈服范圍選取示意圖 從試驗機軟件中導出原始數據,其中包括時間、 力、位移、變形、應力、應變等數據。因拉伸曲線存在 波動,在計算興趣點附近的真實應變速率時,不計算 單個數據點的應變速率,而是計算興趣點附近的平 均應變速率。不銹鋼材料標準拉伸試棒有屈服平 臺,屈服期間實際應變速率選取包含下屈服點在內 的一段平臺區間;黃銅拉伸試棒為連續屈服,屈服期 間實際應變速率選取屈 服 點 (Rp0.2 ±10)MPa,如 圖1和圖2所示。根據拉伸試驗原始數據,計算試樣在屈服期間的實際應變速率,結果見表1。

由表1可知,具有不連續屈服特征的不銹鋼試 樣,在依據平行長度估算的橫梁位移速率控制下,實 際應變速率與名義應變速率大致相等;具有連續屈 服特征的黃銅試樣,在橫梁位移速率控制下,實際應 變速率與名義應變速率相比,實際應變速率明顯低 于名義應變速率。可以得出結論,當材料出現不連 續屈服時,實際應變速率與根據平行長度和橫梁位 移估算的應變速率大致相等;當材料出現連續屈服, 即材料均勻變形時,實際應變速率與根據平行長度 和橫梁位 移 估 算 的 應 變 速 率 之 間 存 在 不 同;這 與 GB/T228.1-2010中10.3.1款的相關描述不同,筆 者認為 GB/T228.1-2010中的10.3.1款可能存在 謬誤。 

2 橫梁位移速率的修正及驗證

2.1 橫梁位移速率的修正

對于具有不連續屈服特征的不銹鋼試樣,在依 據平行長度估算的橫梁位移速率控制下,實際應變速率與名義應變速率大致相等,因此,可以不考慮試 驗機柔度問題,直接以平行長度估算的橫梁位移速 率來進行拉伸試驗即可滿足方法 A 的要求。 對于具有連續屈服特征的試樣,筆者采用如下 公式對橫梁位移速率進行修正: v預設 v修正 = e實際 e目標 (1) 式中:v預設 為預設的橫梁位移速率;e實際 為通過原始 數據計算的屈服期間的實際應變速率;e目標 為標準 推薦的應變速率;v修正 為修正后的橫梁位移速率。 根據式(1),對黃銅材料修正后的橫梁位移速率 見表2。 

2.2 修正后橫梁位移速率的驗證

采用修正的橫梁位移速率進行拉伸試驗,計算 屈服期間的實際應變速率,結果見表3。從驗證數 據來看,在經過修正后的橫梁位移速率控制下,屈服 期間的實際應變速率與目標應變速率大致相等,證 明該修正方法是有效的

3 分析與討論 

3.1 試驗速率對主要拉伸性能指標的影響

金屬材料在拉伸試驗過程中,在彈性變形階段 試驗速率(應變或應力速率)幾乎沒有影響;在屈服 和均勻塑性變形階段,試驗速率對材料屈服強度影 響較大;在頸縮和斷裂階段,試驗速率對抗拉強度影 響轉而減小。GB/T228.2-2015附錄 B(測量不確定度)中給出了某合金材料室溫下不同應變速率的 應力-應變曲線,如圖3所示,曲線表明該材料在不 同的應變速率下,應力-應變曲線存在細微的差異(?e 為應變速率,從?e1 至?e5 應變速率依次減小)。 

3.2 修正方法與 GB/T228.1-2010附錄F的比較

GB/T228.1-2010附錄F中對試驗機剛度(柔 度)的修正方法相對繁瑣,實際操作較為麻煩。筆者 的修正方法不涉及剛度(柔度)系數的計算,公式簡 單可行,經過驗證表明修正后的實際應變速率與目 標應變速率較為一致,可作為方法 A 中采用橫梁位 移速率控制時的修正方法。 

4 結論及修訂建議 

在以試驗橫梁位移速率進行應變速率控制的拉 伸試驗中,名義速率與試樣上實際應變速率之間存 在的差異主要來源于試驗系統本身的剛度(柔度)影 響。筆者通過計算和驗證表明,對同材料、同規格尺 寸的試棒來說,試驗系統的剛度(柔度)基本一致;而 對不同材料、不同規格尺寸的試棒來說,試驗系統的 剛度(柔度)則有所差異。如果針對不同材料、不同 規格的試棒進行預拉伸,計算出修正后的橫梁位移 速率表,可提高使用橫梁位移控制的應變速率準確 性,實現接近于引伸計反饋應變速率控制模式的精 度。該方法簡易可行,可替代 GB/T228.1-2010 中采用橫梁位移速率控制時試驗機剛度(柔度)的修 正方法。 對 GB/T228.1-2010提出幾點修訂建議。 (1)建議專門添加一個附錄來說明試驗速率對 拉伸性能參數的影響,具體參照 GB/T228.2-2015 附錄 B(測量不確定度),方便使用者能更加明確地 理解試驗速率對拉伸性能的影響,有利于方法 A 的 推廣。

(2)GB/T228.1-2010附錄 F 中對試驗機剛 度(柔度)的修正方法相對繁瑣,上述修正方法經驗 證簡便有效,可替代 GB/T228.1-2010中原有的 修正方法。

來源：材料與測試網