吉昌兵 劉嘉偉 鞏秀芳 張小偉 王天劍 余小強(qiáng)

(1.長(zhǎng)壽命高溫材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽(yáng) 618000 2.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

隨著材料測(cè)試技術(shù)的發(fā)展和材料工程設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)材料性能測(cè)試要求的不斷提高，金屬材料的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線測(cè)試逐漸被廣泛應(yīng)用和普遍關(guān)注[1]。真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的獲取分以下三種情況：(1)真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線通常并非直接從材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試獲取，而是通過(guò)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期擬合[2]；(2)目前某些試驗(yàn)機(jī)可以通過(guò)設(shè)置函數(shù)，直接在試驗(yàn)過(guò)程中獲取即時(shí)的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線；(3)第三，通過(guò)帶有橫向引伸計(jì)的試驗(yàn)機(jī)直接測(cè)試真應(yīng)力和真應(yīng)變[3-4]，繪制曲線，一般試驗(yàn)機(jī)構(gòu)很少能夠?qū)崿F(xiàn)。因此，本文主要從第一種測(cè)試方法入手。真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線在多數(shù)文獻(xiàn)[5]中也簡(jiǎn)稱為真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室的條件下，由于受到真應(yīng)力-真應(yīng)變假設(shè)條件的限制，真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線只能測(cè)試到工程應(yīng)力最大值為止，也有些文獻(xiàn)[6]給出了最大值之后的擬合方法可供借鑒。測(cè)試所獲得的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖1所示。

1 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的測(cè)試基本原理

真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線[7]實(shí)際是先由符合計(jì)量要求的拉伸試驗(yàn)機(jī)或萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)配備縱向引伸計(jì)測(cè)試獲得的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，然后再通過(guò)公式(1)、(2)或(3)[8]分別計(jì)算獲得真應(yīng)力和真實(shí)塑性應(yīng)變，最后繪制成為真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。

圖1 35CrMoA 200℃真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線示例

真實(shí)應(yīng)力計(jì)算公式：

(1)

真實(shí)應(yīng)變計(jì)算公式：

(2)

近似真實(shí)應(yīng)變計(jì)算公式：

(3)

式中，E為材料彈性模量(MPa)；ε為測(cè)試所得的應(yīng)變(mm/mm)(注意不是%，如果是%，則需要先除以100)；S為真實(shí)應(yīng)力(MPa)；F為力值(N)；S0為試樣原始橫截面積(mm2)。

上述公式的基礎(chǔ)是基于材料均勻變形，利用體積不變?cè)韥?lái)計(jì)算拉伸試樣即時(shí)的橫截面積。因此，對(duì)于變形不均勻的材料，該方法不適用。

2 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的測(cè)試條件及測(cè)試方法

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

2.1.1 試樣的選擇和制備

試樣樣坯的取樣全部按照GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》[9]的規(guī)定，試樣加工符合GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[10]中的R4試樣的要求，表面進(jìn)行低應(yīng)力磨削和低應(yīng)力拋光，盡量避免試樣缺陷對(duì)結(jié)果的影響。

2.1.2 測(cè)試硬件要求

測(cè)試設(shè)備為電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，精度等級(jí)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求中的0.5級(jí)或更優(yōu)，引伸計(jì)采用0.5級(jí)或更優(yōu)，數(shù)據(jù)采集頻率應(yīng)符合公式(4)的要求，一般金屬材料在5～100 Hz之間，推薦使用50 Hz，且符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2021的要求。

(4)

2.2 測(cè)試控制

2.2.1 加載速率

工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)嚴(yán)格按照GB/T 228.1—2021規(guī)定的方法進(jìn)行。通常使用GB/T 228.1—2021中的方法A1，目前部分試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)變控制是擬合應(yīng)變控制，即為了避免應(yīng)變控制過(guò)程中引伸計(jì)打滑，該類試驗(yàn)機(jī)廠家將應(yīng)變信號(hào)先傳遞到計(jì)算機(jī)控制軟件，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算判斷后才再反饋給試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行動(dòng)作，這種測(cè)試方法雖然在安全性上有優(yōu)勢(shì)，但在真應(yīng)力-真應(yīng)變測(cè)試過(guò)程中會(huì)造成數(shù)據(jù)部分失真，因此不建議使用。推薦用真實(shí)的應(yīng)變控制。

拉伸應(yīng)變速率嚴(yán)格按照GB/T 228.1—2021和GB/T 228.2—2015[10-11]進(jìn)行。室溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性段及屈服段采用0.00025 s-1的應(yīng)變速率，高溫采用0.00007 s-1的應(yīng)變速率。測(cè)試抗拉強(qiáng)度段的應(yīng)變速率可采用兩種方式：一是具備應(yīng)變控制跟蹤到試樣斷裂的引伸計(jì)條件，如視頻引伸計(jì)或激光引伸計(jì)，室溫拉伸可采用0.0067 s-1的應(yīng)變速率，高溫采用0.0014 s-1。二是采用常規(guī)引伸計(jì)時(shí)，無(wú)法采用應(yīng)變控制跟蹤到試樣斷裂，此時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)換算采用位移控制，控制速率根據(jù)試樣直徑和試樣平行長(zhǎng)度而定。

2.2.2 加速點(diǎn)設(shè)置

為避免出現(xiàn)如圖2中的現(xiàn)象，加速切換點(diǎn)的設(shè)置尤為重要。

圖2 加速點(diǎn)靠后的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

在參數(shù)設(shè)置時(shí)，可根據(jù)引伸計(jì)標(biāo)距，考慮設(shè)置加速點(diǎn)的判斷條件，針對(duì)有屈服平臺(tái)的材料，可先采用手動(dòng)加速的方式做第一件試樣，然后根據(jù)該材料的特性設(shè)置加速點(diǎn)。加速點(diǎn)的判定條件有多種方式，比如：用橫梁位移、引伸計(jì)變形、應(yīng)變、應(yīng)力等等，但在真應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試中，推薦使用應(yīng)變百分比或引伸計(jì)變形兩種判斷方式，下面就兩種判斷方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

應(yīng)變百分比通常設(shè)置在0.4%～1.0%之間，優(yōu)點(diǎn)就是適用性較強(qiáng)，應(yīng)用較為廣泛，缺點(diǎn)就是針對(duì)某些特殊材料，如高溫合金等不一定適用，有些材料的規(guī)定延伸強(qiáng)度Rp0.2會(huì)出現(xiàn)在1%之后。

另一種方式是利用引伸計(jì)變形來(lái)設(shè)置切換點(diǎn)，該方式的優(yōu)點(diǎn)是不用考慮材料特性和試樣類型，適用性更強(qiáng)，例如：采用25 mm引伸計(jì)時(shí)，可設(shè)置引伸計(jì)變形為0.10～0.25 mm時(shí)切換，即規(guī)定延伸強(qiáng)度Rp0.4～Rp1.0完成后再切換速率，可保證常用的規(guī)定延伸強(qiáng)度Rp0.2數(shù)據(jù)的獲得。圖3為18CrNiMnMoV在200℃高溫拉伸正常設(shè)置切換點(diǎn)的效果，曲線上幾乎看不出切換點(diǎn)，也不會(huì)影響規(guī)定延伸強(qiáng)度Rp0.2的讀取，更不會(huì)影響抗拉強(qiáng)度Rm的獲取。

3 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的數(shù)據(jù)處理方法

3.1 數(shù)據(jù)獲取

在通過(guò)上述試驗(yàn)條件設(shè)置后獲取工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從測(cè)試設(shè)備軟件中導(dǎo)出曲線Txt或Excel形式數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)，然后利用Excel或Origin軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。導(dǎo)出的曲線數(shù)據(jù)需至少包括時(shí)間、實(shí)時(shí)力值、實(shí)時(shí)應(yīng)變、試樣原始橫截面積等信息。

圖3 18CrNiMnMoV在200℃拉伸速率切換

3.2 數(shù)據(jù)處理

鑒于篇幅限制，筆者將從實(shí)際試驗(yàn)中選取具有代表性的點(diǎn)來(lái)展示處理過(guò)程。數(shù)據(jù)為40CrMoVA在200℃高溫真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的處理過(guò)程。真應(yīng)力作為縱坐標(biāo)，真應(yīng)變作為橫坐標(biāo)。

第一步是導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，目前大多數(shù)試驗(yàn)設(shè)備的軟件都具備此功能，實(shí)例數(shù)據(jù)見表1。

表1 40CrMoVA 200℃高溫應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，繪制出拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

第二步，套用公式分別計(jì)算真應(yīng)力和真應(yīng)變，真應(yīng)力用公式(2)計(jì)算，真應(yīng)變用公式(5)計(jì)算，計(jì)算真應(yīng)變時(shí)ε單位為mm/mm，因此表2中應(yīng)變單位為%時(shí)，應(yīng)該除以100才能獲得應(yīng)變?chǔ)牛鎽?yīng)力過(guò)了抗拉強(qiáng)度Rm后數(shù)據(jù)需進(jìn)行擬合[12]，本文不詳述。所以在作圖時(shí)先刪除表2斜體字部分(序號(hào)12～17)，以免影響數(shù)據(jù)真實(shí)性。

圖4 40CrMoVA在200℃應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 拉伸原始數(shù)據(jù)

第三步，利用Excel或Origin軟件作圖，獲得圖5的應(yīng)力-應(yīng)變與真應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖5 利用Origin獲取的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.3 非常規(guī)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)于某些高溫合金，以及鋼鐵材料在高溫下的材料性能表征特性[13]，見圖6，隨著溫度升高，屈服現(xiàn)象逐漸不明顯，此時(shí)設(shè)置加速點(diǎn)將影響曲線的整體形貌以及測(cè)得的抗拉強(qiáng)度Rm將失真。

這種情況下，建議不設(shè)置速率切換點(diǎn)，或者將切換點(diǎn)盡量提前，提前至剛過(guò)屈服，如圖7、圖8所示。

圖6 過(guò)屈服后加速點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)?shù)恼鎽?yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7 100℃ GH4169真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 550℃ ZG15Cr2Mo1真應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6中的曲線，屈服之后力值幾乎保持不變，如果此時(shí)加速，曲線將會(huì)出現(xiàn)突然隆起影響抗拉強(qiáng)度的獲取。圖8中加速點(diǎn)設(shè)置離屈服較接近，因此，曲線的突變不影響抗拉強(qiáng)度的獲取。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線的測(cè)試要求和測(cè)試方法，并且詳細(xì)講述了在拉伸曲線最大值之前的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的擬合方法。對(duì)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的獲取進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)論如下：

(1)真應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是在符合相關(guān)拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的前提下，利用計(jì)量校準(zhǔn)合格、較高精度等級(jí)的試驗(yàn)設(shè)備先獲得應(yīng)力應(yīng)變曲線，推薦使用真實(shí)應(yīng)變速率控制方式。

(2)應(yīng)變速率的切換點(diǎn)的選取，不僅要符合標(biāo)準(zhǔn)要求，還要考慮切換點(diǎn)對(duì)有些特殊材料的影響和對(duì)材料在不同溫度下性能表征的影響。針對(duì)不同的材料，應(yīng)選取相應(yīng)合適的試驗(yàn)方法。

(3)擬合法獲取真應(yīng)力-應(yīng)變曲線的基礎(chǔ)是：認(rèn)為材料在產(chǎn)生頸縮前，材料平行長(zhǎng)度段為均勻變形，因此，在對(duì)于一些材料變形不均勻或者異種焊接件的試樣件時(shí)，不一定適用。