分享：金属薄板塑性应变比测量方法评价

乐 玮,南群智,王建霞

[英斯特朗(上海)试验设备贸易有限公司 中国应用测试技术中心,上海 200041]

摘 要:ISO10113:2020修订后的内容较修订前有较大调整,增加了半自动测量方法,并更加清 晰地定义了手动测量、半自动测量和全自动测量3种方法。采用全自动测量方法验证了使用不同 类型横向引伸计对不同试样塑性应变比的影响,结果表明:对不同类型的金属材料,利用多线横向 测量方法可提高测量结果的重复性。

关键词:金属薄板;横向引伸计;多线测量;塑性应变比 中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)10-0042-04

    随着汽车业、消费品业和航空业对材料要求的 不断升级,相应的材料测试标准也逐渐与之适应。 其中,塑性应变比(r 值)是评价冷轧薄板深冲性能 较为常用的力学性能指标,可以用来反映金属塑性 的各向异性,是材料成型性能的一种度量。r 值是 指金属薄板在某平面内承受拉力或压力时,其抵抗 变薄或变厚的能力。由这个概念可知,r 值是金属 薄板受力时,其宽度和厚度方向的应变比。由于厚 度的变化难以测量,所以由体积不变原理,通常测量 试样标距内的轴向应变和横向应变,以表征长度和 宽度方向的尺寸变化。 对于r 值的测量,现行的方案是横向引伸计与 轴向引伸计配合使用。大多数横向引伸计仅提供 “单线接触”的测量方式,即在一个固定位置测量横 向应变;也有些横向引伸计可提供2个或者4个固 定位置的平均横向应变。这几种横向引伸计的测量 方式可以反映具有“均匀应变”特点(即在被加载至 抗拉强度的过程中,呈现出均匀应变分布)试样的真 实横向变形。但是,r 值的测量结果较敏感,很小的 数据误差也会导致r 值发生很大变化。如果试样的 应变不均匀,可能导致每次得到的试验数据存在巨 大差异,金属材料的锯齿屈服现象[1]是这背后的主 要原因之一。锯齿屈服现象是金属在塑性变形过程 中,扩散的溶质原子和运动中的位错发生交互作用 的结果[2],是在一定的温度、应变率和预变形下,某 些合金材料在拉伸试验中出现的一种不规则的塑性 流动,其表现为连续的应力-时间曲线上的锯齿状起 伏和应变-时间曲线上的阶梯状 上 升。在 空 间 上, 这种不规则的塑性流动导致了应变局部化现象,表 现为在试件表面上出现静止的、跳跃的或连续传播 的局部变形带。 由于轴向引伸计覆盖了大部分平行长度,因此测量结果受锯齿屈服现象的影响不大,但采用一个 或几个横向应变代表整个试样平行长度的横向应变 时,受锯齿屈服现象的影响会很大。针对这一问题, ISO 10113:2020 Metallic Materials-Sheet and Strip-DeterminationofPlasticStrainRatio 增加 了横向应变多线测量的建议。横向引伸计应在轴向 长度上至少测量3个位置宽度的变化,然后将这 个位置平均为一个横向应变值,以计算r 值。为了 3 解不同横向引伸计所产生的测试效果,笔者用3种 不同的横向引伸计来测量均匀塑性应变和不均匀塑 性应变材料的r 值。

1 试样制备和试验方法

试验设备为Instron68TM-30型电子材料万能 试验机(见图1),该设备配备了 BluehillUniversal 软件和手动楔形夹具,所有测试过程均使用对应的 标准测试方法测试。为了消除操作人员对测量结果 的影响,分别采用了 AutoXbiax型全自动接触式横 向引伸计和 AVE2型非接触式双轴视频引伸计。其 中,AVE2 型 非 接 触 式 双 轴 视 频 引 伸 计 的 AverEdge32横向测量技术(见图2)可提供在轴向 标距之间均匀间隔32个横向测量点的平均值,且不 需要对试样进行横向标记。

在同一规格冷轧薄板的同一部位连续切取6组, 共计60根平行试样,其中3组(30根)平行试样的尺 寸 均 满 足 ISO 6892-1:2019 Metallic MaterialsTensileTestingPart1:Methodof TestatRoom Temperature的要求,另外3组(30根)平行试样的 尺寸均满足 ASTM E8/E8M—2021StandardTest MethodsforTensionTestingofMetallicMaterials 的要求。采用千分尺测量及满足标准对应的应变速 率控制试验方法,r 值应变取值点为10%。分别利 用横向引伸计的接触式单线、非接触式单线和非接 触式多线横向测量3种不同方式进行测量。 第二 次 测 量 时 选 取 国 内 钢 标 委 组 织 提 供 的 BUSD-A 钢板、BUSD-B 钢板和6082T6态铝合金 试样。这些试样均不存在明显的锯齿屈服现象,每 种材料各6根试样。采用千分尺进行测量时,横梁 位移速率由2mm/min换到5 mm/min,也使用单 点r 值的计算结果。利用横向引伸计的非接触式单 线和非接触式多线测量两种模式。

2 试验结果和讨论 

利用 BluehillUniversal软件实时计算每个数 据点的r 值,整个测试过程中的r 值与应变的关系 如图3~8所示。测试材料是5000系列铝合金(含 镁),由于该材料不均匀,因此锯齿屈服现象明显。 在轴向应变为10%时,去除弹性应变,采用单点计 算产生r 值,由于数据太多,仅显示最终的统计结果 (见表1)。图3和图6为采用全自动接触式的单线 横向测量方式的测量结果,横向测量点在轴向标距 中间。ISO 试样和 ASTM 试样曲线上清晰地显示 出锯齿屈服效应造成的影响,曲线有非常明显的波 峰和波谷,任一试样的r 值受波峰与波谷的时间差 影响均较大,所以当某些试验结果正好在波峰或者 波谷附近时,测量结果会明显偏高或偏低,从而导致 试验失败。图4和图7同样采用单线测量的方式, 只是测量宽度的方式是基于标记点,并不是实际试 样宽度的变化,同样锯齿屈服效应造成的影响非常 明显,测量结果误差较大,变异系数也较大。相比之下,图5和图8是采用多线平均测量方式的测量结 果,结果差异明显。从曲线上可以看到,r 值的实时 结果在试验过程的任意点几乎相同,试验结果重复 性大大提高。另外,两组不同尺寸试样的测量结果 也有差异,这也反映了试样类型对于r 值测量稳定 性的影响[3]。 第 二 次 试 验 时 采 用 BUSD-A 钢 板 (简 称 为 BUSD-A)、BUSD-B钢板(简称为 BUSD-B)和6082 T6态铝合金(简称6082T6)试样,结果没有明显的 锯齿屈服效应。光学非接触引伸计法计算r 值(标 记点法)结果如表2所示,光学非接触引伸计法计算 r 值(多线测量法)结果如表3所示。 

3 结论及建议

(1)针对不均匀塑性应变的金属材料,如5000 系铝合金材料,使用多线测量方式得到r 值的重复 性明显提高,用户无需进行重复试验即可得到理想 的r 值。 (2)针对均匀塑性应变的金属试样,使用多线 测量技术也可提高部分测量结果的重复性,但并不 明显。 (3)不同金属材料对r 值的测量也有影响。 (4)通过以上分析不难发现,带多线测量技术 的横向引伸计的r 值测量结果重复性在不同程度上 有所提高,验证了采用ISO10113:2020规定的全自 动测量方法对存在不均匀塑性应变现象的金属试样 进行测试的必要性。

文章来源：材料与测试网