莫明珍,刘健斌,樊志维,李俊杰,陈 明,曹 标

(广州海关技术中心,广州 510623)

摘 要:根据 GB/T228.1—2010标准中金属材料最大力塑性延伸率的定义及公式,结合材料变 形的物理原理及卸载定律,建立了一种新的金属材料最大力塑性延伸率测量方法。结果表明:该方 法既符合 GB/T228.1—2010标准中对最大力塑性延伸率的定义,又克服了引伸计测量法的缺点。

关键词:拉伸试验;测量方法;最大力塑性延伸率;标准

中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)06-0075-03

最大力塑性延伸率 Ag 是 GB/T228.1—2010 《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》中 表征金属材料力学性能的一个重要指标,其基本定 义是最大力时原始标距的塑性延伸与引伸计标距之 比的百分率。标准给出的测量方法为:在用引伸计 得到的力-延伸曲线上,从最大力时的总延伸中扣除 弹性延伸部分,即得到最大力时的塑性延伸,将其除 以引伸计标距得到Ag。计算公式为 Ag = ΔLm Le - Rm mg ×100% = Agt -εe ×100% (1) 式中:ΔLm 为最大力时的总延伸长度;Le 为引伸计 标距;Rm 为抗拉强度;mg 为应力-延伸率曲线弹性 部分的斜率;Agt 为最大力总延伸率;εe 为力-延伸 曲线上弹性部分的应变。

先在拉伸试验过程中的拉伸曲线的最大力处 读出引伸计 给 出 的 伸 长 率,将 该 值 作 为 材 料 的 最 大力总延伸率,然后在力-延伸曲线上求出弹性应 变εe,再根据式(1)计算出最大力塑性延伸率。这 一方法通常被称为引伸计法,虽然该方法直观、科 学、准确,但 容 易 受 到 引 伸 计 的 引 伸 距 离 不 够 长、 测试时不够 安 全,以 及 测 量 时 操 作 人 员 精 力 分 散 的影响。

依据金属材料变形的物理原理及卸载定律,建 立了一个新的材料最大力塑性延伸率的测量方法, 该方法既能符合 GB/T228.1—2010给出的最大力 塑性延伸率的定义,又能克服利用引伸计法测量的 各种缺点,实现科学有效、简便安全的测量。

1 测量原理

材料在外力的作用下会产生变形,且随着外力 的增加,材料的变形增加,直至断裂。典型的金属材 料拉伸曲线如图1所示。 如果当应力小于弹性极限时停止加载,并将载荷逐渐减小至零,即卸去载荷,则可以看到,在卸载 过程中,应力-应变曲线将沿着原路径aO 回到O 点 (见图1),变形完全消失;如果在超过弹性极限后, 如在硬化阶段,某一点c的载荷逐渐减小,则卸载过 程中的应力-应变曲线如图1中的cO1 所示,该直线 与Oa 几乎平行。线段O1O2 代表随卸载而消失的 应变,即弹性应变εe;而线段OO1 则代表应力减小 至零时残留的应变,即塑性应变或残余应变εp。由 此可见,当应力超过弹性极限后,材料的应变包括弹 性应变εe 和塑性应变εp,但在卸载过程中,应力与 应变之间仍保持线性关系,即 Δσ=Δε,这称为卸载 定律[1]。 该方法的基本思路是在金属材料拉伸曲线上达 到最大应力处立即停止施加外力并卸载,然后取下 试样,根据卸载定律,当卸载后,弹性变形部分消失, 只保留了塑性变形部分。这样,最大力处卸载后测 量的试样的伸长即为塑性伸长,按 GB/T228.1— 2010给出的定义,即可计算出Ag。即 Ag = ΔLg Le ×100% (2) 式中:ΔLg 为最大力时的塑性延伸长度;Le 为引伸 计标距。 该方法的创新之处为:科学利用材料变形的物 理原理及卸载定律,结合最大力塑性延伸率的定义, 建立了一个科学有效、简便安全的材料最大力塑性 延伸率的直接测量方法。

2 测量方法

2.1 试样

以牌号分别为 HRB400,HRB400E,HRB600, HRB500E,HR 钢为试验对象, B 每 F400,HRBF500E的国产热轧螺纹 10个试样为一组(具有相同的牌 号和规格),试样来自不同的生产厂家和炉批号。测 量结果与已有足够引伸距离引伸计的直接测量结果 进 行 比 较。 螺 纹 钢 试 样 表 面 状 态 符 合 GB/T 228.1—2010的有关要求,试样夹具间的最小自由 长度如表1所示。

在试样的自由长度范围内,均匀划分为10mm 或5mm 的 等 距 标 距,标 距 的 划 分 和 测 量 应 符 合 GB/T228.1—2010的有关规定。

2.2 测量方法

按照 GB/T228.1—2010进行螺纹钢的拉伸试 验,当应力-应变曲线达到应力最大值时,立即停止 加载并卸载,然后取下试样并进行测量。 以试样自由长度处的100mm 为初始长度L0, 测量试样最大力时的伸长Lp。按照材料拉伸时的 卸载定律,卸载后测量到的伸长 Lp 即为最大力时 的塑性伸长,按照式(2)即可计算出螺纹钢的最大力 塑性延伸率Ag。

3 测量结果及验证

利 用 上 述 方 法,采 用 电 子 拉 力 试 验 机 (INSTRON5500R)和万能材料试验机(INSTRON 5592)以相同的速率对不同牌号螺纹钢的最大力塑 性延伸率进行了测量,并与引伸计直接读数法的测 量结果进行比较,结果如表2所示。

由表2可知,该方法测量的螺纹钢最大力塑性 延伸率与引伸计法测量的结果有很好的一致性。

4 不确定度评估

依据 GB/T228.1—2010附录 L对断后伸长率 不确定度的评定,其测量不确定度主要来源于 方面:测量重复性、试样原始标距[2]、断后伸长 4 率 个 及 数值 修 约,其 相 对 标 准 不 确 定 度 分 别 为 1.31%, 0.58%,1.32%,0.66%。断后伸长率的相对合成不 确定度为2.05%,相对扩展不确定度为4.1%。

与断后伸长率的测量方法不同,测量螺纹钢最 大力塑性延伸率时,拉伸试验时无法立即确定拉伸 应力是否到了最高点,只有当拉伸应力不继续上升 或瞬时开始下降时才能确定拉伸应力已经到了最高 点,因此在实际测量时会因为检验人员的经验及能 力带来一定测量误差。笔者认为这部分的不确定度 属于测量重复性。依据 GB/T28900—2012 《钢筋 混凝土用钢材试验方法》,测量重复性带来的偏离值 约为0.2%,将该数值加到测量重复性的相对标准 不确定度中,并依据 GB/T228.1—2010附录 L,可 计算出测量重复性相对不确定度为1.833%,其他 试样的原始标距、断后伸长及数值修约的相对标准 不确定度不变。这样就可计算出上述方法测量 Ag 的相对合成不确定度为2.42%,相对扩展不确定度 为4.84%。

5 结语

依据材料变形的物理原理及卸载定律,并结合 GB/T228.1—2010给出的 Ag 的定义,建立了一种 新的金属材料 Ag 的测量方法,与引伸计法的测量 结果具有很好的一致性,在实际测量中具有很好的 操作性。 理论和验证试验证明该方法可以作为大生产检 验的辅助方法,但建议仲裁试验时使用引伸计法。

参考文献: [1] 苏振超.材料力学[M].北京:清华大学出版社,2016. [2] 罗五四.冷轧薄钢板拉伸试样尺寸对断后伸长率和最 大力总伸长率影响的对比[J].理化检验(物理分册), 2011,47(8):469-475.