高天胤,高怡斐,,王春華,梁新幫

(1. 鋼鐵研究總院，北京 100081; 2. 鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，北京 100081)

0 引 言

GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[1]標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布實(shí)施已有近十年的時(shí)間，相關(guān)的討論和爭(zhēng)論不斷[2-5]，主要的關(guān)注焦點(diǎn)集中在方法A2上，方法A2是橫梁位移速率控制，對(duì)于試樣的實(shí)際應(yīng)變速率是處于一種開(kāi)環(huán)控制狀態(tài)，并不像方法A1那樣的閉環(huán)控制狀態(tài)。試樣的應(yīng)變速率受到試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的柔度變形影響，其變形越大，受影響也越大，這是方法A2的主要缺點(diǎn)。此外，按照方法A2，橫梁位移速率一旦給定，在整個(gè)試驗(yàn)中是定數(shù)，因此，在拉伸試驗(yàn)的初始階段，橫梁位移的相當(dāng)部分被用于消除試樣鏈系統(tǒng)各連接件之間的間隙，造成整個(gè)試驗(yàn)總時(shí)間大大增加，試驗(yàn)效率低的缺點(diǎn)。方法A2也有其優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)方法A1而言，方法A2的試驗(yàn)操作相對(duì)簡(jiǎn)單。所以實(shí)驗(yàn)室一般都樂(lè)于使用方法A2進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

科學(xué)工作者試圖尋找一種改良的方法[6-7]改善前述的缺點(diǎn)。ISO 6892—1:2016 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[8]國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)于2016年正式發(fā)布，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制修訂小組針對(duì)目前關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，擬對(duì)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》中的附錄F “考慮試驗(yàn)機(jī)剛度（或柔度）后估算的橫梁位移速率”進(jìn)行修訂。擬通過(guò)相關(guān)理論推導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證找到“考慮試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)變形情況對(duì)橫梁位移速率進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ā?，也就是修正后的A2方法。

通過(guò)選取3種不同的拉伸試驗(yàn)機(jī)針對(duì)TC11鈦合金棒樣進(jìn)行不同位移速率下的室溫拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了彈性階段和屈服階段試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)K值的變化規(guī)律，為修訂GB/T 228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)做好了相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

1 拉伸試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

選取直徑為5 mm的TC11鈦合金標(biāo)準(zhǔn)圓棒拉伸試樣，見(jiàn)圖1。分別在3個(gè)單位，用MTS C5.105、ZWICK 600和ZWICK Z250 3種不同規(guī)格型號(hào)的電子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。鈦合金試樣拉伸過(guò)程中，分別以方法A2不同的橫梁位移速率vc進(jìn)行。在試樣上裝夾引伸計(jì)，通過(guò)繪制載荷-時(shí)間曲線和應(yīng)變-時(shí)間曲線，分別測(cè)量Fp0.2感興趣點(diǎn)處和彈性階段的80%Fp0.2處試樣上的真實(shí)應(yīng)變速率p,m，通過(guò)比較試樣平行長(zhǎng)度LC估計(jì)的應(yīng)變速率LC與相應(yīng)感興趣點(diǎn)處試樣上真實(shí)應(yīng)變速率p,m的比值分別得到Ke和Ky，試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表1。

圖1 TC11鈦合金拉伸試樣（單位：mm）

表1 3種不同型號(hào)的電子拉伸試驗(yàn)機(jī)橫梁位移速率vc 與K值試驗(yàn)數(shù)據(jù)1)-2)

2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

從表1中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出在試樣LC估計(jì)的應(yīng)變速率與彈性階段 8 0%Fp0.2處試樣上測(cè)量的應(yīng)變速率的比值Ke和試樣LC估計(jì)的應(yīng)變速率與塑性屈服階段Fp0.2處試樣上測(cè)量的應(yīng)變速率的比值Ky計(jì)算中，是有差異的。這些數(shù)據(jù)表明型號(hào)、規(guī)格、夾持方式不同的試驗(yàn)機(jī)，其拉伸系統(tǒng)柔度（或剛度）是有差異的。但是每臺(tái)試驗(yàn)機(jī)盡管采用不同的橫梁位移速率，其各自的Ke值和Ky值，分別在彈性變形階段、屈服階段則是基本一致的。

第一組試驗(yàn)選用的是MTS C5.105 100 kN試驗(yàn)機(jī)，外套移動(dòng)液壓夾具，試驗(yàn)機(jī)剛度較大，試驗(yàn)機(jī)拉力系統(tǒng)柔度較小。在彈性變形階段，試樣LC估計(jì)的應(yīng)變速率與引伸計(jì)應(yīng)變速率之比值系數(shù)Ke為3.85；在屈服階段試樣LC估計(jì)的應(yīng)變速率與引伸計(jì)應(yīng)變速率之比值系數(shù)Ky為1.16。

第二組試驗(yàn)選用的是ZWICK Z600試驗(yàn)機(jī)，其試驗(yàn)機(jī)為600 kN，平推式液壓夾具，試驗(yàn)機(jī)整機(jī)剛度大，600 kN的試驗(yàn)機(jī)拉力系統(tǒng)，相對(duì)拉伸鈦合金5 mm直徑小試樣，試樣LC估計(jì)的應(yīng)變速率與引伸計(jì)應(yīng)變速率之比值系數(shù)K小。在彈性變形階段試樣LC估計(jì)的應(yīng)變速率與引伸計(jì)應(yīng)變速率之比值系數(shù)Ke為2.15；在屈服階段試樣LC估計(jì)的應(yīng)變速率與引伸計(jì)應(yīng)變速率之比值系數(shù)Ky為1.04。

第三組試驗(yàn)選用的是ZWICK Z250試驗(yàn)機(jī)，250 kN試驗(yàn)機(jī)，平推液壓夾具，在彈性變形階段試樣LC估計(jì)的應(yīng)變速率與引伸計(jì)應(yīng)變速率之比值系數(shù)Ke為2.57；在屈服階段試樣LC估計(jì)的應(yīng)變速率與引伸計(jì)應(yīng)變速率之比值系數(shù)Ky為1.08。

將表1中的K值測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)于同一試驗(yàn)設(shè)備，相同試樣，相同感興趣點(diǎn)（即同一性能點(diǎn)）情況，K值測(cè)量結(jié)果的分散性見(jiàn)表2。

表2 K值的分散性（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差）

從表2中K值的分散性來(lái)看，相同試樣和相同試驗(yàn)設(shè)備，采用不同的橫梁位移速率的試驗(yàn)，對(duì)于相同感興趣點(diǎn)的比值K其值分散性在4%以內(nèi)，差別并不大（無(wú)本質(zhì)上的差別），而橫梁位移速率試驗(yàn)范圍從0.000 25LC/s至0.002LC/s，相差8倍。據(jù)此可以認(rèn)為：對(duì)于相同感興趣點(diǎn)，K值基本不隨橫梁位移速率的變化而變化，是近似恒定值。這為后續(xù)采用A2法考慮試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)變形情況對(duì)橫梁位移速率補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ於嘶A(chǔ)。

3 試驗(yàn)討論

3.1 K值的變化趨向和取值范圍

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，采用方法A2進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)初始階段中K值處于較高的值，隨著試驗(yàn)進(jìn)行其值逐漸降低，如果呈現(xiàn)平臺(tái)屈服，其值接近1[1-2]，如果呈現(xiàn)連續(xù)屈服，例如在屈服強(qiáng)度Rp0.2附近其值呈現(xiàn)大于1。試驗(yàn)最初始階段K值較高，是因?yàn)榇穗A段橫梁位移較大部分用于消除試樣與連接件之間的間隙，造成平行長(zhǎng)度的應(yīng)變速率與目標(biāo)應(yīng)變速率相差較大。進(jìn)入屈服階段K值較低，甚至接近1，是因?yàn)檫M(jìn)入屈服階段，力的增加速率比彈性直線階段的低，試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)變速率分量增速相對(duì)降低，而平行長(zhǎng)度的應(yīng)變速率分量增速相對(duì)較快，而且逐漸接近目標(biāo)應(yīng)變速率。

表1中的K值，其取值范圍為K≥1，較高的值表示試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)應(yīng)變速率分量較大。K=1，在理論上表示試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)應(yīng)變速率分量為零，換句話說(shuō)，試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)剛度無(wú)限大，柔度變形為零，但在實(shí)踐上不可能存在剛度無(wú)限大柔度為零的情況。但在金屬材料拉伸試驗(yàn)中，當(dāng)試樣呈現(xiàn)不連續(xù)的平臺(tái)屈服狀態(tài)時(shí)，在平臺(tái)屈服范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)K=1情況，這是因?yàn)榍脚_(tái)區(qū)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率m值為零而導(dǎo)致ISO 6892—1:2016[8]中公式（F.2）右邊括號(hào)內(nèi)第1項(xiàng)的值為零，由此而產(chǎn)生橫梁位移速率全部轉(zhuǎn)移成平行長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)速率，此時(shí)平行長(zhǎng)度的應(yīng)變速率與平行長(zhǎng)度估計(jì)的應(yīng)變速率相同，即。實(shí)際試驗(yàn)也已測(cè)量得平臺(tái)屈服區(qū)K=1或K?1情況。鑒于這種情況存在，對(duì)于呈現(xiàn)單一平臺(tái)屈服狀態(tài)的材料試驗(yàn)，測(cè)定屈服強(qiáng)度時(shí)可以不做橫梁位移速率的補(bǔ)償。

3.2 K值補(bǔ)償應(yīng)用于彈性階段以縮短試驗(yàn)總耗時(shí)

當(dāng)感興趣點(diǎn)是在彈性階段，K值一般都比屈服階段的高許多，所以對(duì)于該點(diǎn)的橫梁位移速率補(bǔ)償也高許多。這意味著在該點(diǎn)之前的試驗(yàn)耗時(shí)將縮短許多。如果為了縮短試驗(yàn)耗時(shí)為目的的，建議預(yù)備試驗(yàn)時(shí)測(cè)量K值的點(diǎn)選在材料屈服強(qiáng)度Rp0.2的80%附近處，以便有足夠區(qū)間能將橫梁位移速率平滑轉(zhuǎn)換至屈服階段所需的橫梁位移速率。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）相同試樣和相同試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)于相同感興趣點(diǎn)，K值基本不隨橫梁位移速率的變化而變化，是近似恒定值。

2）采用方法A2進(jìn)行的拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)初始階段中K值處于較高的值，隨著試驗(yàn)進(jìn)行其值逐漸降低；進(jìn)入屈服階段K值較低，甚至接近1。

3）將Ke值補(bǔ)償應(yīng)用于彈性階段可以縮短試驗(yàn)總耗時(shí)。