程柄午,許鶴君 (上海材料研究所,上海 200437) 

摘 要:在拉伸試驗過程中,不同的試樣連接方式會對試驗系統的整體剛度產生影響,在連續屈 服階段的應變速率會超出標準規定的允許誤差范圍,對試驗數據也會產生一定的影響。采用對比 試驗的方法,可以有效地對橫梁位移速率進行修正,并消除試驗機剛度對拉伸試驗的影響。所得結 果可以提高拉伸試驗機的工作效率。

關鍵詞:橫梁位移速率修正;試驗機剛度;試驗效率 中圖分類號:TG115.5;TB31 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)12-0043-04

在力學實驗室日常測試工作中,比較常用的拉 伸試驗方法是根據試樣平行長度計算得到橫梁位移 速率后,采用橫梁位移速率控制來進行試驗。該方 法通過規定橫梁位移速率來控制試樣的變形速率, 但在實際載荷的作用下,拉伸試驗機與試樣一起發 生微小變形,這就導致在拉伸過程中,試樣的實際變 形速率達不到橫梁位移速率。筆者采用一系列對比 試驗的方法對橫梁位移速率進行修正,從而消除試 驗機剛度對拉伸試驗的影響。 

1 試驗機剛度的計算 

在進行拉伸試驗時,可按照試驗對象將整個試 驗系統分為兩大部分:第一部分為試樣平行段,這一 部分為拉伸試驗的試驗對象;第二部分為試樣平行 段兩端的過渡弧以及拉伸試驗機和其相連的試驗用 工裝。 整個試驗系統滿足式(1)。 δc =δp +δm (1) 式中:δc 為試驗機橫梁位移;δp 為試樣平行段變形 量;δm 為試驗機系統變形量。 第二部分滿足式(2)。 δp =eLc (2) δm =F/Cm (3) 式中:e 為試樣平行段的應變;Lc 為試樣平行段的 長度;F 為拉力;Cm 為試驗機系統的剛度。 將式(2)與式(3)代入式(1),得到 δc =eLc +C F m (4) 將式(4)對時間t求導,得到 vc = de dt Lc + d(F d / t Cm) (5) 式中:vc 為試驗機橫梁位移速率。 在試驗機載荷允許的范圍內,其各部件均發生 彈性變形,受力與變形呈線性關系,即試驗機的剛度為定值。但是在實際試驗過程中,研究對象為試樣 平行段,但平行段兩端過渡弧的微小塑性變形會對 第二部分的整體剛度產生一定影響,在達到規定塑 性延伸強度Rp0.2 時,過渡弧的塑性變形對整體剛度 不會有太大的影響。 式(5)可近似寫為 vc = de dt Lc +C dF mdt (6) ISO 6892-1:2016 Metallic Material-Tensile Testing 中剛度的計算公式為 Cm = m·S0 vc ?e -Lc (7) 式中:m 為應力-應變曲線上給定點的斜率;S0 為試 樣的原始橫截面積;?e 為試樣的應變速率。 在拉伸試驗進行中的某一時刻,有 Cm = dF dε dS/dt dε/dt -Lc (8) 式中:ε為應變;S 為橫梁位移;t為時間。 化簡可得 Cm =dSdF Lcdε (9) 計算區間選擇被測試樣的彈性階段,在試樣與 試驗機系統變形均為彈性變形的情況下,能較為準 確地計算拉伸試驗機系統的剛度。 采用 316L 不 銹 鋼 棒 材 和 兩 臺 電 子 拉 伸 試 驗 機,分別用萬向節螺紋連接工裝(1 # 試驗機)和平推 夾持螺紋工裝(2 # 試驗機)對剛度進行計算。對1 # 試驗機進行系統剛度分析,結果如圖1~3所示,取 3次剛度的平均值。 圖1 剛度曲線1(1 # 試驗機) 由圖1~3可知:隨著拉力的增加,曲線的斜率 逐漸增大,即隨著試驗機各部分以及試驗工裝之間 連接縫隙的消失和萬向節的張緊,試驗機的剛度增 圖2 剛度曲線2(1 # 試驗機) 圖3 剛度曲線3(1 # 試驗機) 加,達到一個定值時,剛度保持不變。 在屈服力范圍內進行線性擬合,取3次平均值, 得到采用萬向節螺紋連接工裝(1 # 試驗機)時的系 統剛度Cm 為30552N/mm。使用同樣的方法,可 得到采用平推夾持螺紋工裝(2 # 試驗機)時的系統 剛度Cm 為92279N/mm。

2 連續屈服點Rp0.2 橫梁位移速率修正

2.1 前置試驗

將316不銹鋼加工成標準圓棒拉伸試樣,直徑 為10mm,平行段長度為60mm。使用系統剛度較 好的試樣連接方式(2 # 試驗機),采用應變速率控制方法(閉環控制,應變速率設定為0.00025s -1)與等 效計算的橫梁位移速率控制(開環控制,橫梁位移速 率設定為0.9mm/min),得到應變速率控制的力-時 間曲線如圖4所示,橫梁位移速率控制的力-時間曲 線如圖5所示,橫梁位移速率控制的應變-時間曲線 如圖6所示。 在1 # 試驗機上再進行一次橫梁位移速率控制 拉伸試驗,橫梁位移速率設定為0.9mm/min,得到 橫梁位移速率控制的力-時間曲線如圖7所示。橫 梁位移速率控制的應變-時間曲線如圖8所示。 進行以上兩次試驗時,設定的橫梁位移速率均 為0.015mm/s。由圖6,8可知:1 # 與2 # 兩臺拉伸 44試驗機的系統剛度差別較大,可以發現,在1 # 試驗 機上得到的屈服點應變速率為0.000172s -1,2 # 試 驗機上得到的屈服點應變速率為0.000210s -1,在 達到屈服點時,兩試樣的屈服應變速率差別較大。 但是通過計算,能夠發現屈服點得到的數據,即應變 速率。若想將屈服點的應變速率修正到標準規定 值,就需要對橫梁位移速率進行修正。分別將3次 圖8 橫梁位移速率控制的應變-時間曲線(1 # 試驗機) 試驗得到的力速率 211.7,171.1,146.7N/s,Cm = 30552N/mm, de dt =0.00025s -1 代入到式(6)中進 行計算,得到修正后的橫梁位移速率,分別得到3個 修正 橫 梁 位 移 速 率 vc1 =1.335 mm/min,vc2 = 1.236mm/min,vc3 =1.118mm/min。

2.2 補充試驗 

在1 # 拉伸試驗機上,使用3次計算得到的修正 橫梁位移速率各進行3次拉伸試驗,共9次試驗,結 果如圖9~14所示。對每次試驗的屈服點區間(偏置0.2%應變)進 行線性擬合,結果如表1所示。 在1 # 試驗機上采用橫梁位移速率1.335mm/min 得到的屈服點應變速率較符合預期,且采用剛度較 好的試驗機進行試驗的情況下,計算所得的橫梁位結果。 表1 線性擬合結果(1 # 試驗機) 橫梁位移速率/ (mm·min -1) 應變速率/ (×10 -4s -1) 平均應變速率/ (×10 -4s -1) 1.118 2.25,2.13,2.19 2.19 1.236 2.45,2.50,2.33 2.43 1.335 2.52,2.57,2.46 2.52

3 橫梁位移速率修正的應用

在實驗室日常檢測中,需要對橫梁位移速率進 行修正,并有效地消除試驗機剛度的影響,若想有效 地對剛度進行修正,首先需要較為準確地計算試驗 機的剛度。針對電子拉伸試驗機的剛度計算方法, 不同的試樣夾持方式對試驗系統剛度是有一定影響 的,例如:采取液壓平推夾具試驗機的剛度曲線較為 平直(見圖14);對于采用楔形夾具試驗機,其通過 預緊后,得到的剛度曲線也是較為理想的,若試驗機 帶有萬向節結構或試驗機與試樣之間的連接工裝間 隙較大,剛度曲線就會呈現圖1~3所示的形式。在 進行橫梁位移速率修正時,就需要取試樣屈服時的 力所在區間來計算試驗機的剛度。在設定同一橫梁 位移速率的情況下,拉伸試驗彈性段與屈服段的力 速率存在一定的聯系[1],但是筆者對所在實驗室的 歷史數據分析后發現,屈服段的力速率不僅與試樣 的尺寸形狀以及材料有關,還與試驗機剛度以及屈 服段力-時間曲線的趨勢也有關系。

4 結語

(1)對于剛度較差的試驗系統,橫梁位移速率 與試樣實際變形速率相差較大,需要對橫梁位移速 率進行補償以提高試驗效率,同時令屈服點的應變 速率滿足要求,以獲得更加準確的結果。 (2)剛度較好的試驗機得到的屈服點力速率能 夠較準確地對橫梁位移速率進行修正。

來源：材料與測試網