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(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù),計(jì)算了橫梁位移控制條件下,名義應(yīng)變 速率與實(shí)際應(yīng)變速率之間的差異,并以此為依據(jù)對(duì)橫梁位移速率進(jìn)行了修正和驗(yàn)證。結(jié)果表明:該 修正方法簡(jiǎn)易可行,建議替代 GB/T228.1-2010中原有的修正方法。

關(guān)鍵詞:拉伸試驗(yàn);橫梁位移;名義應(yīng)變速率;實(shí)際應(yīng)變速率;方法 A;剛度修正 中圖分類號(hào):TG115 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2021)04-0019-03

GB/T228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1 部分:室溫試驗(yàn)方法》作為金屬材料領(lǐng)域內(nèi)最為常用 的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)變速率控制方 法(方法 A)。因部分金屬材料對(duì)拉伸速率較為敏 感,不同的拉伸速率會(huì)導(dǎo)致拉伸結(jié)果出現(xiàn)顯著差異, 方法 A 旨在減小測(cè)定應(yīng)變速率敏感參數(shù)時(shí)的試驗(yàn) 速率變化和測(cè)試結(jié)果的測(cè)量不確定度[1]。方法 A 又闡述了兩種不同類型的應(yīng)變速率控制模式,第1 種為基于引伸計(jì)的反饋而得到的控制模式,第2種 是根據(jù)平行長(zhǎng)度估算的橫梁位移速率控制模式。但 在實(shí)施的過程中,兩種方法均存在一定的難點(diǎn),第1 種控制模式因其對(duì)試驗(yàn)機(jī)的要求較高,在某些情況 下可能會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)速率失控;第2種控制模式則 由于試驗(yàn)系統(tǒng)本身的柔度(剛度)問題,導(dǎo)致實(shí)際的 應(yīng)變速率可能會(huì)明顯低于設(shè)定的應(yīng)變速率。GB/T 228.1-2010的附錄 F也專門闡述了如何對(duì)試驗(yàn)機(jī) 柔度(剛度)進(jìn)行修正的方法,但該修正方法在實(shí)施 上比較繁瑣。因此對(duì)于如何實(shí)施方法 A 在廣大標(biāo) 準(zhǔn)使用者間引起了一系列的爭(zhēng)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(shù)據(jù),計(jì)算了橫梁 位移速率控制方式下,名義應(yīng)變速率與實(shí)際應(yīng)變速 率之間的差異,并以此為依據(jù)對(duì)橫梁位移速率進(jìn)行 修正和驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了以橫梁位移方式滿足應(yīng)變速率控制(方法 A)。

1 橫梁位移模式下的實(shí)際應(yīng)變速率計(jì)算

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備為珠海三思生產(chǎn)的CMT-5205型電子萬 能試驗(yàn)機(jī),引伸計(jì)為鋼研納克生產(chǎn)的 YYU-25/5型和 YYU-50/10型引伸計(jì),標(biāo)距分別為50mm和25mm。 試驗(yàn)材料為鋼研納克生產(chǎn)的不銹鋼材料標(biāo)準(zhǔn)拉 伸試棒(規(guī)格為?5mm 和?10mm)以及筆者單位 生產(chǎn)的各類黃銅材料拉伸試棒(規(guī)格為?5 mm 和 ?10mm)兩類,前者具有不連續(xù)屈服的特點(diǎn)(有明 顯的屈服平臺(tái)),后者具有連續(xù)屈服的特點(diǎn)(無明顯 屈服平臺(tái))。 因屈服強(qiáng)度是應(yīng)變速率的敏感參數(shù),筆者主要 研究屈服階段的應(yīng)變速率。筆者所在試驗(yàn)室前期黃 銅拉伸試驗(yàn)主要采用方法 B,不同規(guī)格試棒設(shè)置的 屈服階段 橫 梁 位 移 速 率 均 為 2 mm·min -1 (對(duì) 應(yīng) ?5mm 試棒,名 義 應(yīng) 變 速 率 為 0.0011s -1;對(duì) 應(yīng) ?10mm 試棒,名義應(yīng)變速率為0.00056s -1),不銹 鋼材料標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際應(yīng)變速率計(jì)算

不連續(xù)屈服試樣屈服范圍選取示意圖從試驗(yàn)機(jī)軟件中導(dǎo)出原始數(shù)據(jù),其中包括時(shí)間、 力、位移、變形、應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)。因拉伸曲線存在 波動(dòng),在計(jì)算興趣點(diǎn)附近的真實(shí)應(yīng)變速率時(shí),不計(jì)算 單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的應(yīng)變速率,而是計(jì)算興趣點(diǎn)附近的平 均應(yīng)變速率。不銹鋼材料標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒有屈服平 臺(tái),屈服期間實(shí)際應(yīng)變速率選取包含下屈服點(diǎn)在內(nèi) 的一段平臺(tái)區(qū)間;黃銅拉伸試棒為連續(xù)屈服,屈服期 間實(shí)際應(yīng)變速率選取屈 服 點(diǎn) (Rp0.2 ±10)MPa,如 圖1和圖2所示。根據(jù)拉伸試驗(yàn)原始數(shù)據(jù),計(jì)算試樣在屈服期間的實(shí)際應(yīng)變速率,結(jié)果見表1。

由表1可知,具有不連續(xù)屈服特征的不銹鋼試 樣,在依據(jù)平行長(zhǎng)度估算的橫梁位移速率控制下,實(shí) 際應(yīng)變速率與名義應(yīng)變速率大致相等;具有連續(xù)屈 服特征的黃銅試樣,在橫梁位移速率控制下,實(shí)際應(yīng) 變速率與名義應(yīng)變速率相比,實(shí)際應(yīng)變速率明顯低 于名義應(yīng)變速率。可以得出結(jié)論,當(dāng)材料出現(xiàn)不連 續(xù)屈服時(shí),實(shí)際應(yīng)變速率與根據(jù)平行長(zhǎng)度和橫梁位 移估算的應(yīng)變速率大致相等;當(dāng)材料出現(xiàn)連續(xù)屈服, 即材料均勻變形時(shí),實(shí)際應(yīng)變速率與根據(jù)平行長(zhǎng)度 和橫梁位 移 估 算 的 應(yīng) 變 速 率 之 間 存 在 不 同;這 與 GB/T228.1-2010中10.3.1款的相關(guān)描述不同,筆 者認(rèn)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(yàn)證

2.1 橫梁位移速率的修正

對(duì)于具有不連續(xù)屈服特征的不銹鋼試樣,在依 據(jù)平行長(zhǎng)度估算的橫梁位移速率控制下,實(shí)際應(yīng)變速率與名義應(yīng)變速率大致相等,因此,可以不考慮試 驗(yàn)機(jī)柔度問題,直接以平行長(zhǎng)度估算的橫梁位移速 率來進(jìn)行拉伸試驗(yàn)即可滿足方法 A 的要求。 對(duì)于具有連續(xù)屈服特征的試樣,筆者采用如下 公式對(duì)橫梁位移速率進(jìn)行修正: v預(yù)設(shè) v修正 = e實(shí)際 e目標(biāo) (1) 式中:v預(yù)設(shè) 為預(yù)設(shè)的橫梁位移速率;e實(shí)際 為通過原始 數(shù)據(jù)計(jì)算的屈服期間的實(shí)際應(yīng)變速率;e目標(biāo) 為標(biāo)準(zhǔn) 推薦的應(yīng)變速率;v修正 為修正后的橫梁位移速率。 根據(jù)式(1),對(duì)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(yàn)證

采用修正的橫梁位移速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn),計(jì)算 屈服期間的實(shí)際應(yīng)變速率,結(jié)果見表3。從驗(yàn)證數(shù) 據(jù)來看,在經(jīng)過修正后的橫梁位移速率控制下,屈服 期間的實(shí)際應(yīng)變速率與目標(biāo)應(yīng)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(yàn)速率對(duì)主要拉伸性能指標(biāo)的影響

金屬材料在拉伸試驗(yàn)過程中,在彈性變形階段 試驗(yàn)速率(應(yīng)變或應(yīng)力速率)幾乎沒有影響;在屈服 和均勻塑性變形階段,試驗(yàn)速率對(duì)材料屈服強(qiáng)度影 響較大;在頸縮和斷裂階段,試驗(yàn)速率對(duì)抗拉強(qiáng)度影 響轉(zhuǎn)而減小。GB/T228.2-2015附錄 B(測(cè)量不確定度)中給出了某合金材料室溫下不同應(yīng)變速率的 應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖3所示,曲線表明該材料在不 同的應(yīng)變速率下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在細(xì)微的差異(?e 為應(yīng)變速率,從?e1 至?e5 應(yīng)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(duì)試驗(yàn)機(jī)剛度(柔 度)的修正方法相對(duì)繁瑣,實(shí)際操作較為麻煩。筆者 的修正方法不涉及剛度(柔度)系數(shù)的計(jì)算,公式簡(jiǎn) 單可行,經(jīng)過驗(yàn)證表明修正后的實(shí)際應(yīng)變速率與目 標(biāo)應(yīng)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(shí)的修正方法。

4 結(jié)論及修訂建議

在以試驗(yàn)橫梁位移速率進(jìn)行應(yīng)變速率控制的拉 伸試驗(yàn)中,名義速率與試樣上實(shí)際應(yīng)變速率之間存 在的差異主要來源于試驗(yàn)系統(tǒng)本身的剛度(柔度)影 響。筆者通過計(jì)算和驗(yàn)證表明,對(duì)同材料、同規(guī)格尺 寸的試棒來說,試驗(yàn)系統(tǒng)的剛度(柔度)基本一致;而 對(duì)不同材料、不同規(guī)格尺寸的試棒來說,試驗(yàn)系統(tǒng)的 剛度(柔度)則有所差異。如果針對(duì)不同材料、不同 規(guī)格的試棒進(jìn)行預(yù)拉伸,計(jì)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(yīng)變速率準(zhǔn)確 性,實(shí)現(xiàn)接近于引伸計(jì)反饋應(yīng)變速率控制模式的精 度。該方法簡(jiǎn)易可行,可替代 GB/T228.1-2010 中采用橫梁位移速率控制時(shí)試驗(yàn)機(jī)剛度(柔度)的修 正方法。 對(duì) GB/T228.1-2010提出幾點(diǎn)修訂建議。 (1)建議專門添加一個(gè)附錄來說明試驗(yàn)速率對(duì) 拉伸性能參數(shù)的影響,具體參照 GB/T228.2-2015 附錄 B(測(cè)量不確定度),方便使用者能更加明確地 理解試驗(yàn)速率對(duì)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(duì)試驗(yàn)機(jī)剛 度(柔度)的修正方法相對(duì)繁瑣,上述修正方法經(jīng)驗(yàn) 證簡(jiǎn)便有效,可替代 GB/T228.1-2010中原有的 修正方法。

來源：材料與測(cè)試網(wǎng)