薛 凱, 歷 妍, 王毅磊

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司 制造管理部, 湛江 524072)

在單軸拉伸應(yīng)力作用下，試樣寬度方向真實(shí)塑性應(yīng)變和厚度方向真實(shí)塑性應(yīng)變之比稱為塑性應(yīng)變比，即r值，其是表征金屬薄板板面上受到拉力或壓力后抵抗變薄或變厚能力的一個(gè)參數(shù)[1]。目前最常見的測量方法為拉伸法，但其測量精度會(huì)受試樣形狀、變形量、試樣加工品質(zhì)、量具精度、測量方式等因素的影響[2-4]。ISO 10113:2020MetallicMaterials-SheetandStrip-DeterminationofPlasticStrainRatio(簡稱ISO標(biāo)準(zhǔn))中增加了對試樣平行長度的要求和半自動(dòng)測量方法，在人工測量時(shí)，應(yīng)在試樣標(biāo)距部分均勻測量至少3處的寬度，包括需在標(biāo)距長度兩端各測量一次。r值的測量也逐漸向全自動(dòng)測量方向發(fā)展，由于激光、視頻等光學(xué)引伸計(jì)具備在試樣平行段內(nèi)多個(gè)位置測量的能力，國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室已開始采用光學(xué)引伸計(jì)替代以往的機(jī)械式引伸計(jì)[5]。

筆者開展了比對試驗(yàn)，分析了采用機(jī)械接觸式引伸計(jì)和激光非接觸式引伸計(jì)全自動(dòng)測量r值結(jié)果的差異，再通過試驗(yàn)論證了ISO標(biāo)準(zhǔn)中人工、半自動(dòng)、全自動(dòng)等方法測量金屬薄板不同類型試樣r值的結(jié)果差異。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求制備試樣，取3組平行試樣，每組試樣的測量信息如表1所示(表1中，a0為試樣原始厚度，b0為試樣原始寬度，L0為原始標(biāo)距，Lc為試樣平行段長度)。試樣制備完畢后，在其上用激光標(biāo)記記號，標(biāo)記的位置如圖1所示，其中：0為試樣平行段中心點(diǎn)；1，2分別為距平行段中心位置距離相等的點(diǎn)，間距長度為30 mm；3，4均為原始標(biāo)距端點(diǎn)，間距為L0；5，6均為平行段Lc端點(diǎn)。

表1 每組試樣的測量信息

圖1 試樣上激光標(biāo)記位置示意

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用一臺(tái)配備有機(jī)械接觸式引伸計(jì)的全自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)(Z1)和一臺(tái)配備有激光引伸計(jì)的全自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)(Z5)，引伸計(jì)測量精度為0.5級；橫截面測量儀的精度為±1.0 μm。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 不同測量方法比較試驗(yàn)

(1) 人工測量：試驗(yàn)前采用游標(biāo)卡尺人工測量表1中第一組試樣上標(biāo)記為0，3，4位置的寬度，計(jì)算平均寬度，同時(shí)測量標(biāo)記為3與4間的距離，即為原始標(biāo)距L0，然后在Z5上將試樣拉伸至表1指定的應(yīng)變量后，停止試驗(yàn)，將試樣從拉伸機(jī)上取下后，采用游標(biāo)卡尺測量寬度b1和標(biāo)距L1，并計(jì)算r值。

(2) 半自動(dòng)測量：在試驗(yàn)前后，人工用游標(biāo)卡尺測量第一組試樣寬度b0和b1，測量位置與人工測量法相同。用Z5上激光引伸計(jì)測量L0和L1，計(jì)算r值。

(3) 全自動(dòng)測量：采用橫截面測量儀測量第一組試樣3點(diǎn)的寬度b0，使用激光引伸計(jì)測量寬度方向和厚度方向的真實(shí)塑性應(yīng)變，計(jì)算r值。測量寬度方向的真實(shí)塑性應(yīng)變時(shí)，用引伸計(jì)測量標(biāo)記為0，1，2位置的寬度塑性應(yīng)變。

1.3.2 不同設(shè)備間的比較試驗(yàn)

為分析不同類型的引伸計(jì)測量結(jié)果是否存在差異，采用全自動(dòng)測量方法，將表1中第2組和第3組試樣分別在Z1和Z5上進(jìn)行r值測量試驗(yàn)。測量應(yīng)變量在8%，12%，15%時(shí)的r值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同測量方法比較分析

在Z5拉伸試驗(yàn)機(jī)上，分別采用人工測量、半自動(dòng)測量、全自動(dòng)測量方法測量同一個(gè)試樣的r值。對不同類型的試樣分別采用3種方法測量的結(jié)果如圖2～4所示。

圖2 不同測量方法和試樣類型對于DC07+ZE牌號試樣的r15測量結(jié)果

圖3 不同測量方法和試樣類型對于DC06A牌號試樣的r12測量結(jié)果

圖4 不同測量方法和試樣類型對于HC340/590DP牌號試樣的r8測量結(jié)果

雖然采用了3種不同測量方法測量P5，P6，P7試樣，而且不同方法測量寬度塑性應(yīng)變的位置不同，但測量結(jié)果比較接近，無顯著系統(tǒng)差異。

采用人工和半自動(dòng)方法測得的JIS5試樣的r值明顯低于全自動(dòng)測量結(jié)果，對r值水平在中、高區(qū)間的試樣，這種差異尤為明顯。由試驗(yàn)設(shè)計(jì)可知，全自動(dòng)方法采用的標(biāo)距為30 mm(測量點(diǎn)為0，1，2)，而人工和半自動(dòng)方法采用的標(biāo)距為50 mm(測量點(diǎn)為0，3，4)，這可能是結(jié)果存在差異的主要原因。

ISO標(biāo)準(zhǔn)對試樣形狀的要求為：為確保各種規(guī)格的試樣均能獲得平行段內(nèi)的均勻塑性變形，試樣的形狀應(yīng)滿足Lc≥L0+2b0。比較幾種規(guī)格試樣形狀的差異，發(fā)現(xiàn)JIS5試樣的平行段長度Lc不滿足ISO標(biāo)準(zhǔn)對試樣的要求，其L0/Lc也最大，這意味著JIS5試樣的原始標(biāo)距端點(diǎn)最接近圓弧段，人工和半自動(dòng)方法的測量位置也更接近圓弧段。有研究表明，JIS5試樣在50 mm標(biāo)距范圍內(nèi)的變形是不均勻的。

針對不均勻塑性變形是否導(dǎo)致r值測量結(jié)果偏低的問題，筆者進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。分別采用兩種不同長度的標(biāo)距進(jìn)行測量，即測量點(diǎn)分別為標(biāo)記點(diǎn)0，3，4和 0，1，2，結(jié)果如表2所示。由表2可以得到以下結(jié)論。

表2 不同寬度測量方式所得r值計(jì)算結(jié)果

(1) 對于P5，P6，P7試樣，當(dāng)采用不同標(biāo)距時(shí)，人工、半自動(dòng)、全自動(dòng)測量方法測量r值的差異較小，3者極差小于0.1。

(2) 對于JIS5試樣，采用50 mm標(biāo)距得到的r值明顯小于30 mm標(biāo)距，而采用30 mm標(biāo)距時(shí)得到的r值與其他類型試樣的r值結(jié)果接近，這驗(yàn)證了前文的推斷，即采用JIS5試樣進(jìn)行r值測量時(shí)，若取50 mm標(biāo)距進(jìn)行測量，在拉伸過程中，靠近過渡圓弧的試驗(yàn)段存在不均勻塑性應(yīng)變，導(dǎo)致r值測量結(jié)果偏低。為獲得平行段內(nèi)的均勻塑性變形，應(yīng)盡量降低L0/Lc的比值，可縮短標(biāo)距L0，推薦采用20～30 mm標(biāo)距，或者增大平行段長度Lc，推薦為100 mm。有研究表明，JIS5試樣采用20～30 mm標(biāo)距時(shí), 尤其是采用20 mm標(biāo)距時(shí), 能精確地測量r值[6]。

當(dāng)采用30 mm標(biāo)距進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，對不同類型的試樣，采用人工、半自動(dòng)、全自動(dòng)測量方法測量的r值接近。將同一個(gè)試樣采用不同測量方法測得的r值進(jìn)行F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。由表3可知：對于不同r值區(qū)間的試樣，采用不同測量方法測量的r值不存在顯著性差異，其中全自動(dòng)測量方法測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差最低，測量精度最高。

2.2 不同設(shè)備間的比較分析

為了討論不同測量設(shè)備對r值測量結(jié)果的影響,采用全自動(dòng)測量方法分別在Z1和Z5拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，對不同設(shè)備、應(yīng)變量和不同r值水平的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5～7所示，由箱線圖上下限和箱體可知，不同設(shè)備和應(yīng)變量測得的r值比較接近，但由于Z1采用機(jī)械接觸式引伸計(jì)，測量r值時(shí)，對引伸計(jì)的標(biāo)距，引伸計(jì)的彈簧、彈簧片及引伸計(jì)前后爪的使用狀態(tài)等有比較高的要求，需要定期核查和維護(hù)保養(yǎng)，在實(shí)際測量中，Z5的測量精度要優(yōu)于Z1。

表3 不同測量方法r值F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5 不同設(shè)備測量DC07+ZE牌號試樣r值的箱線圖

圖6 不同設(shè)備測量DC06A牌號試樣r值的箱線圖

圖7 不同設(shè)備測量HC340/590DP牌號試樣r值的箱線圖

3 結(jié)論及建議

(1) 采用人工、半自動(dòng)、全自動(dòng)方法測量的r值不存在顯著性差異，其中全自動(dòng)測量方法測量r值的精度最高。

(2) 激光非接觸式引伸計(jì)與機(jī)械接觸式引伸計(jì)測量r值的結(jié)果接近，但前者的精度更高。

(3) 當(dāng)采用JIS5號試樣進(jìn)行r值測量時(shí)，應(yīng)避免采用50 mm標(biāo)距，推薦采用20～30 mm 標(biāo)距。

(4) 建議在修訂GB/T 5027—2016標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對試樣形狀進(jìn)行規(guī)定：為獲得平行段內(nèi)的均勻塑性變形，精確地測量塑性應(yīng)變比，應(yīng)盡量降低L0/Lc的比值，可縮短標(biāo)距L0，或者增大平行段長度Lc，試樣的形狀應(yīng)滿足Lc≥L0+2b0。