彭建章1,李荣锋2,3
[1.武汉泛洲中越合金有限公司,武汉430056;2.广东(东莞)材料基因高等理工研究院,东莞 523808; 3.中国核动力研究设计院 反应堆燃料及材料重点实验室,成都 610213]
摘 要:通过大量横梁位移速率控制下的原始拉伸数据,计算了横梁位移控制条件下,名义应变 速率与实际应变速率之间的差异,并以此为依据对横梁位移速率进行了修正和验证。结果表明:该 修正方法简易可行,建议替代 GB/T228.1-2010中原有的修正方法。
关键词:拉伸试验;横梁位移;名义应变速率;实际应变速率;方法 A;刚度修正 中图分类号:TG115 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)04-0019-03
GB/T228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1 部分:室温试验方法》作为金属材料领域内最为常用 的测试标准之一,其重要性不言而喻。修改采用自 ISO6892-1:2009 的 GB/T228.1-2010 与 GB/T 228.2-2015的最大变化是增加了应变速率控制方 法(方法 A)。因部分金属材料对拉伸速率较为敏 感,不同的拉伸速率会导致拉伸结果出现显著差异, 方法 A 旨在减小测定应变速率敏感参数时的试验 速率变化和测试结果的测量不确定度[1]。方法 A 又阐述了两种不同类型的应变速率控制模式,第1 种为基于引伸计的反馈而得到的控制模式,第2种 是根据平行长度估算的横梁位移速率控制模式。但 在实施的过程中,两种方法均存在一定的难点,第1 种控制模式因其对试验机的要求较高,在某些情况 下可能会导致试验机速率失控;第2种控制模式则 由于试验系统本身的柔度(刚度)问题,导致实际的 应变速率可能会明显低于设定的应变速率。GB/T 228.1-2010的附录 F也专门阐述了如何对试验机 柔度(刚度)进行修正的方法,但该修正方法在实施 上比较繁琐。因此对于如何实施方法 A 在广大标 准使用者间引起了一系列的争议和讨论[2-10]。 为探求柔度(刚度)修正新方法,笔者通过大量 横梁位移速率控制下的原始拉伸数据,计算了横梁 位移速率控制方式下,名义应变速率与实际应变速 率之间的差异,并以此为依据对横梁位移速率进行 修正和验证,实现了以横梁位移方式满足应变速率控制(方法 A)。
1 横梁位移模式下的实际应变速率计算
1.1 试验设备及试验方法
试验设备为珠海三思生产的CMT-5205型电子万 能试验机,引伸计为钢研纳克生产的 YYU-25/5型和 YYU-50/10型引伸计,标距分别为50mm和25mm。 试验材料为钢研纳克生产的不锈钢材料标准拉 伸试棒(规格为?5mm 和?10mm)以及笔者单位 生产的各类黄铜材料拉伸试棒(规格为?5 mm 和 ?10mm)两类,前者具有不连续屈服的特点(有明 显的屈服平台),后者具有连续屈服的特点(无明显 屈服平台)。 因屈服强度是应变速率的敏感参数,笔者主要 研究屈服阶段的应变速率。笔者所在试验室前期黄 铜拉伸试验主要采用方法 B,不同规格试棒设置的 屈服阶段 横 梁 位 移 速 率 均 为 2 mm·min -1 (对 应 ?5mm 试棒,名 义 应 变 速 率 为 0.0011s -1;对 应 ?10mm 试棒,名义应变速率为0.00056s -1),不锈 钢材料标准拉伸试棒则采用证书上推荐的横梁位移 速率,即LC×0.00025×60mm·min -1(?5mm 试 棒屈 服 期 间 横 梁 位 移 速 率 0.45 mm·min -1, ?10mm试棒屈服期间横梁位移速率0.9mm·min -1)。
1.2 实际应变速率计算
不连续屈服试样屈服范围选取示意图从试验机软件中导出原始数据,其中包括时间、 力、位移、变形、应力、应变等数据。因拉伸曲线存在 波动,在计算兴趣点附近的真实应变速率时,不计算 单个数据点的应变速率,而是计算兴趣点附近的平 均应变速率。不锈钢材料标准拉伸试棒有屈服平 台,屈服期间实际应变速率选取包含下屈服点在内 的一段平台区间;黄铜拉伸试棒为连续屈服,屈服期 间实际应变速率选取屈 服 点 (Rp0.2 ±10)MPa,如 图1和图2所示。根据拉伸试验原始数据,计算试样在屈服期间的实际应变速率,结果见表1。
由表1可知,具有不连续屈服特征的不锈钢试 样,在依据平行长度估算的横梁位移速率控制下,实 际应变速率与名义应变速率大致相等;具有连续屈 服特征的黄铜试样,在横梁位移速率控制下,实际应 变速率与名义应变速率相比,实际应变速率明显低 于名义应变速率。可以得出结论,当材料出现不连 续屈服时,实际应变速率与根据平行长度和横梁位 移估算的应变速率大致相等;当材料出现连续屈服, 即材料均匀变形时,实际应变速率与根据平行长度 和横梁位 移 估 算 的 应 变 速 率 之 间 存 在 不 同;这 与 GB/T228.1-2010中10.3.1款的相关描述不同,笔 者认为 GB/T228.1-2010中的10.3.1款可能存在 谬误。
2 横梁位移速率的修正及验证
2.1 横梁位移速率的修正
对于具有不连续屈服特征的不锈钢试样,在依 据平行长度估算的横梁位移速率控制下,实际应变速率与名义应变速率大致相等,因此,可以不考虑试 验机柔度问题,直接以平行长度估算的横梁位移速 率来进行拉伸试验即可满足方法 A 的要求。 对于具有连续屈服特征的试样,笔者采用如下 公式对横梁位移速率进行修正: v预设 v修正 = e实际 e目标 (1) 式中:v预设 为预设的横梁位移速率;e实际 为通过原始 数据计算的屈服期间的实际应变速率;e目标 为标准 推荐的应变速率;v修正 为修正后的横梁位移速率。 根据式(1),对黄铜材料修正后的横梁位移速率 见表2。
2.2 修正后横梁位移速率的验证
采用修正的横梁位移速率进行拉伸试验,计算 屈服期间的实际应变速率,结果见表3。从验证数 据来看,在经过修正后的横梁位移速率控制下,屈服 期间的实际应变速率与目标应变速率大致相等,证 明该修正方法是有效的
3 分析与讨论
3.1 试验速率对主要拉伸性能指标的影响
金属材料在拉伸试验过程中,在弹性变形阶段 试验速率(应变或应力速率)几乎没有影响;在屈服 和均匀塑性变形阶段,试验速率对材料屈服强度影 响较大;在颈缩和断裂阶段,试验速率对抗拉强度影 响转而减小。GB/T228.2-2015附录 B(测量不确定度)中给出了某合金材料室温下不同应变速率的 应力-应变曲线,如图3所示,曲线表明该材料在不 同的应变速率下,应力-应变曲线存在细微的差异(?e 为应变速率,从?e1 至?e5 应变速率依次减小)。
3.2 修正方法与 GB/T228.1-2010附录F的比较
GB/T228.1-2010附录F中对试验机刚度(柔 度)的修正方法相对繁琐,实际操作较为麻烦。笔者 的修正方法不涉及刚度(柔度)系数的计算,公式简 单可行,经过验证表明修正后的实际应变速率与目 标应变速率较为一致,可作为方法 A 中采用横梁位 移速率控制时的修正方法。
4 结论及修订建议
在以试验横梁位移速率进行应变速率控制的拉 伸试验中,名义速率与试样上实际应变速率之间存 在的差异主要来源于试验系统本身的刚度(柔度)影 响。笔者通过计算和验证表明,对同材料、同规格尺 寸的试棒来说,试验系统的刚度(柔度)基本一致;而 对不同材料、不同规格尺寸的试棒来说,试验系统的 刚度(柔度)则有所差异。如果针对不同材料、不同 规格的试棒进行预拉伸,计算出修正后的横梁位移 速率表,可提高使用横梁位移控制的应变速率准确 性,实现接近于引伸计反馈应变速率控制模式的精 度。该方法简易可行,可替代 GB/T228.1-2010 中采用横梁位移速率控制时试验机刚度(柔度)的修 正方法。 对 GB/T228.1-2010提出几点修订建议。 (1)建议专门添加一个附录来说明试验速率对 拉伸性能参数的影响,具体参照 GB/T228.2-2015 附录 B(测量不确定度),方便使用者能更加明确地 理解试验速率对拉伸性能的影响,有利于方法 A 的 推广。
(2)GB/T228.1-2010附录 F 中对试验机刚 度(柔度)的修正方法相对繁琐,上述修正方法经验 证简便有效,可替代 GB/T228.1-2010中原有的 修正方法。
来源：材料与测试网