莫明珍,劉健斌,樊志維,李俊杰,陳 明,曹 標 

(廣州海關技術中心,廣州 510623) 

摘 要:根據 GB/T228.1—2010標準中金屬材料最大力塑性延伸率的定義及公式,結合材料變 形的物理原理及卸載定律,建立了一種新的金屬材料最大力塑性延伸率測量方法。結果表明:該方 法既符合 GB/T228.1—2010標準中對最大力塑性延伸率的定義,又克服了引伸計測量法的缺點。

關鍵詞:拉伸試驗;測量方法;最大力塑性延伸率;標準

中圖分類號:TG115.5 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)06-0075-03

最大力塑性延伸率 Ag 是 GB/T228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》中 表征金屬材料力學性能的一個重要指標,其基本定 義是最大力時原始標距的塑性延伸與引伸計標距之 比的百分率。標準給出的測量方法為:在用引伸計 得到的力-延伸曲線上,從最大力時的總延伸中扣除 彈性延伸部分,即得到最大力時的塑性延伸,將其除 以引伸計標距得到Ag。計算公式為 Ag = ΔLm Le - Rm mg ×100% = Agt -εe ×100% (1) 式中:ΔLm 為最大力時的總延伸長度;Le 為引伸計 標距;Rm 為抗拉強度;mg 為應力-延伸率曲線彈性 部分的斜率;Agt 為最大力總延伸率;εe 為力-延伸 曲線上彈性部分的應變。

先在拉伸試驗過程中的拉伸曲線的最大力處 讀出引伸計 給 出 的 伸 長 率,將 該 值 作 為 材 料 的 最 大力總延伸率,然后在力-延伸曲線上求出彈性應 變εe,再根據式(1)計算出最大力塑性延伸率。這 一方法通常被稱為引伸計法,雖然該方法直觀、科 學、準確,但 容 易 受 到 引 伸 計 的 引 伸 距 離 不 夠 長、 測試時不夠 安 全,以 及 測 量 時 操 作 人 員 精 力 分 散 的影響。 

依據金屬材料變形的物理原理及卸載定律,建 立了一個新的材料最大力塑性延伸率的測量方法, 該方法既能符合 GB/T228.1—2010給出的最大力 塑性延伸率的定義,又能克服利用引伸計法測量的 各種缺點,實現科學有效、簡便安全的測量。

1 測量原理 

材料在外力的作用下會產生變形,且隨著外力 的增加,材料的變形增加,直至斷裂。典型的金屬材 料拉伸曲線如圖1所示。 如果當應力小于彈性極限時停止加載,并將載荷逐漸減小至零,即卸去載荷,則可以看到,在卸載 過程中,應力-應變曲線將沿著原路徑aO 回到O 點 (見圖1),變形完全消失;如果在超過彈性極限后, 如在硬化階段,某一點c的載荷逐漸減小,則卸載過 程中的應力-應變曲線如圖1中的cO1 所示,該直線 與Oa 幾乎平行。線段O1O2 代表隨卸載而消失的 應變,即彈性應變εe;而線段OO1 則代表應力減小 至零時殘留的應變,即塑性應變或殘余應變εp。由 此可見,當應力超過彈性極限后,材料的應變包括彈 性應變εe 和塑性應變εp,但在卸載過程中,應力與 應變之間仍保持線性關系,即 Δσ=Δε,這稱為卸載 定律[1]。 該方法的基本思路是在金屬材料拉伸曲線上達 到最大應力處立即停止施加外力并卸載,然后取下 試樣,根據卸載定律,當卸載后,彈性變形部分消失, 只保留了塑性變形部分。這樣,最大力處卸載后測 量的試樣的伸長即為塑性伸長,按 GB/T228.1— 2010給出的定義,即可計算出Ag。即 Ag = ΔLg Le ×100% (2) 式中:ΔLg 為最大力時的塑性延伸長度;Le 為引伸 計標距。 該方法的創新之處為:科學利用材料變形的物 理原理及卸載定律,結合最大力塑性延伸率的定義, 建立了一個科學有效、簡便安全的材料最大力塑性 延伸率的直接測量方法。

2 測量方法 

2.1 試樣

以牌號分別為 HRB400,HRB400E,HRB600, HRB500E,HR 鋼為試驗對象, B 每 F400,HRBF500E的國產熱軋螺紋 10個試樣為一組(具有相同的牌 號和規格),試樣來自不同的生產廠家和爐批號。測 量結果與已有足夠引伸距離引伸計的直接測量結果 進 行 比 較。 螺 紋 鋼 試 樣 表 面 狀 態 符 合 GB/T 228.1—2010的有關要求,試樣夾具間的最小自由 長度如表1所示。 

在試樣的自由長度范圍內,均勻劃分為10mm 或5mm 的 等 距 標 距,標 距 的 劃 分 和 測 量 應 符 合 GB/T228.1—2010的有關規定。

2.2 測量方法

按照 GB/T228.1—2010進行螺紋鋼的拉伸試 驗,當應力-應變曲線達到應力最大值時,立即停止 加載并卸載,然后取下試樣并進行測量。 以試樣自由長度處的100mm 為初始長度L0, 測量試樣最大力時的伸長Lp。按照材料拉伸時的 卸載定律,卸載后測量到的伸長 Lp 即為最大力時 的塑性伸長,按照式(2)即可計算出螺紋鋼的最大力 塑性延伸率Ag。

3 測量結果及驗證 

利 用 上 述 方 法,采 用 電 子 拉 力 試 驗 機 (INSTRON5500R)和萬能材料試驗機(INSTRON 5592)以相同的速率對不同牌號螺紋鋼的最大力塑 性延伸率進行了測量,并與引伸計直接讀數法的測 量結果進行比較,結果如表2所示。

由表2可知,該方法測量的螺紋鋼最大力塑性 延伸率與引伸計法測量的結果有很好的一致性。 

4 不確定度評估

依據 GB/T228.1—2010附錄 L對斷后伸長率 不確定度的評定,其測量不確定度主要來源于 方面:測量重復性、試樣原始標距[2]、斷后伸長 4 率 個 及 數值 修 約,其 相 對 標 準 不 確 定 度 分 別 為 1.31%, 0.58%,1.32%,0.66%。斷后伸長率的相對合成不 確定度為2.05%,相對擴展不確定度為4.1%。

與斷后伸長率的測量方法不同,測量螺紋鋼最 大力塑性延伸率時,拉伸試驗時無法立即確定拉伸 應力是否到了最高點,只有當拉伸應力不繼續上升 或瞬時開始下降時才能確定拉伸應力已經到了最高 點,因此在實際測量時會因為檢驗人員的經驗及能 力帶來一定測量誤差。筆者認為這部分的不確定度 屬于測量重復性。依據 GB/T28900—2012 《鋼筋 混凝土用鋼材試驗方法》,測量重復性帶來的偏離值 約為0.2%,將該數值加到測量重復性的相對標準 不確定度中,并依據 GB/T228.1—2010附錄 L,可 計算出測量重復性相對不確定度為1.833%,其他 試樣的原始標距、斷后伸長及數值修約的相對標準 不確定度不變。這樣就可計算出上述方法測量 Ag 的相對合成不確定度為2.42%,相對擴展不確定度 為4.84%。 

5 結語

依據材料變形的物理原理及卸載定律,并結合 GB/T228.1—2010給出的 Ag 的定義,建立了一種 新的金屬材料 Ag 的測量方法,與引伸計法的測量 結果具有很好的一致性,在實際測量中具有很好的 操作性。 理論和驗證試驗證明該方法可以作為大生產檢 驗的輔助方法,但建議仲裁試驗時使用引伸計法。

參考文獻: [1] 蘇振超.材料力學[M].北京:清華大學出版社,2016. [2] 羅五四.冷軋薄鋼板拉伸試樣尺寸對斷后伸長率和最 大力總伸長率影響的對比[J].理化檢驗(物理分冊), 2011,47(8):469-475.