李志霞，劉麗梅，趙江濤，李景瑞，蒙 騫

(1.蘭州蘭石檢測技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730314；2.甘肅省機械裝備材料表征與安全評價工程實驗室，甘肅 蘭州 730314)

目前，國內(nèi)試驗設(shè)備通常配備的拉伸試驗夾具是楔形夾具，主要是因為這種夾具的夾持方式對試樣頭部的加工選擇比較靈活，試樣頭部形狀要求低而受到歡迎。本文就金屬材料拉伸試驗設(shè)備楔形夾持方式與試樣頭部長度尺寸的配合及影響進行研究[1]，尋求合理的試樣頭部的加工尺寸，降低因試樣夾持長度的不合理帶來的數(shù)據(jù)失真。本文選擇了GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[2]中優(yōu)先使用的標準拉伸試樣R4，即直徑φ10 mm的圓形截面積比例試樣。試樣頭部夾持長度選擇了3種尺寸。依據(jù)金屬材料在拉伸過程中遵循彈性階段→塑性階段→斷裂階段的變化過程，研究試樣夾持頭部長度的變化對材料強度及塑性指標的影響，為評價材料的基本力學性能提供更為客觀準確的試驗數(shù)據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

1.1試樣制備

試驗材質(zhì)選擇常見的16MnR正火態(tài)鋼板。根據(jù)GB/T 2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學性能試驗取樣位置及制備》[3]的相關(guān)要求，制取了試樣用的樣坯。并加工成φ10 mm圓棒拉伸試樣，試樣夾持頭部的長度分別是10、20、30 mm，如圖1(a)、圖1(b)、圖1(c)，三種尺寸各加工10件進行拉伸試驗。

(a)h=10 mm；(b)h=20 mm；(c)h=30 mm圖1 圓形橫截面試樣尺寸圖Fig.1 Dimension diagram of circular cross section sample

1.2試驗方法

試驗設(shè)備選擇微機控制電液伺服萬能試驗機，最大負荷600 kN，精度等級0.5級，配備的楔形夾具的高度是90 mm。

試驗溫度為室溫，采用應(yīng)變速率控制的試驗速率方法A，試驗速率設(shè)置主要分兩個階段：開始至屈服階段位移速率10 mm/min，屈服至試樣斷裂階段位移速率15 mm/min。滿足GB/T 228.1—2010的要求，所有試樣均采用上述相同的拉伸方案。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1試驗結(jié)果

試樣夾持頭部長度h=10、20、30 mm的部分拉力-位移曲線如圖2、圖3、圖4所示，圖中曲線的數(shù)字標識為試驗時的試樣編號，其對應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示，通過各表中均值比較得出：強度指標Rm和塑性指標A、Z數(shù)值差異范圍不大。當置信概率p=95%，包含因子k95=2均在各自擴展不確定范圍內(nèi)。但是強度Rp0.2平均值的差值為22 MPa最大值時，明顯超出了屈服強度擴展不確定的范圍。

2.2討論

在進行測試的過程中發(fā)現(xiàn)，低合金鋼16MnR[4]正火態(tài)材料力-位移曲線中無明顯的屈服臺階，故用規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2代替下屈服強度ReL。規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2取值與拉伸曲線中彈性階段線性有關(guān)[5]。對比不同夾持頭部長度的拉伸曲線圖，可以看到夾持頭部h=10 mm的試樣拉伸階段中彈性階段斜率小于夾持頭部h=20 mm的斜率(圖5)，夾持頭部h=20 mm的試樣拉伸階段中彈性階段斜率與夾持頭部h=30 mm的斜率基本平行(圖6)。

國標GB/T 228.1—2010中，Rp0.2取值與彈性階段的線性有關(guān)，用圖解法求取Rp0.2時，在力-位移曲線圖中要作一條與曲線的彈性階段直線段平行的直線段，該直線段與拉伸曲線相交點定出的力即為所求規(guī)定非比例延伸強度的力值Fp0.2，將此數(shù)值除以試樣的原始橫截面積S0，就得到了規(guī)定的非比例延伸強度Rp0.2=Fp0.2/S0。則拉伸曲線彈性段的線性直接影響Rp0.2取值，也就是夾持頭部h=10 mm的試樣測試中得到Rp0.2數(shù)值小于夾持頭部h= 20 mm的原因。對于沒有明顯屈服臺階的拉伸曲線，用規(guī)定的非比例延伸強度Rp0.2代替下屈服強度ReL，夾持頭部的長度的變化會影響Rp0.2的取值，這與夾持頭部尺寸不同有關(guān)。試樣頭部在試驗過程中受V型鉗口的夾持必然產(chǎn)生變形，而不同尺寸的頭部對試樣的約束力不同。因此，不同夾持尺寸頭部的試樣產(chǎn)生不同的變形。試樣頭部變形所產(chǎn)生的應(yīng)力與試樣平行段受拉產(chǎn)生的應(yīng)力有疊加效應(yīng)。如果試樣頭部變形嚴重，所產(chǎn)生的應(yīng)力就大，必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏離客觀值。

表1 夾持頭部h=10 mm的拉伸結(jié)果

圖2 h=10 mm的力-位移曲線圖Fig.2 Force-displacement curve at h=10 mm

試樣編號夾持頭部尺寸力學性能指標Rp0.2/MPaRm/MPaA/%Z/%14151718192021222324h=20 mm38956728.07440956026.56741558424.57244260230.07637359535.57646060630.07743656823.56546259030.07644959329.07544759229.575平均值42858628.573標準偏差30.4015.653.374.12

圖3 h=20 mm的力-位移曲線圖Fig.3 Force-displacement curve at h=20 mm

試樣編號夾持頭部尺寸力學性能指標Rp0.2/MPaRm/MPaA/%Z/%25262728293031323334h=30 mm43359129.07442460531.07740559128.57540959928.07543957123.05546160827.57444556724.06742757723.04540456128.57244157026.063平均值42958427.068標準偏差18.7716.902.7410.49

圖4 h=30 mm的力-位移曲線圖Fig.4 Force-displacement curve at h=30 mm

圖5 h=10 mm和h=20 mm的力-位移曲線對比圖Fig.5 Comparison of force-displacement curves at h=10 mm and h=20 mm

圖6 h=20 mm和h=30 mm的力-位移曲線對比Fig.6 Comparison of force-displacement curves at h=20 mm and h=30 mm

從拉伸曲線圖可以看出，經(jīng)過彈性變形階段以后，三種情況下得到的力-位移曲線又趨于一致。由于試樣是垂直加持于夾具中，在試驗的過程中，試樣的軸線與拉力軸向平行。因此，不管試樣的夾持頭部的長度變化如何，對Rm的影響很小。

伸長率和斷面收縮率表示材料在斷裂前經(jīng)受塑性變形的能力[6]。伸長率越大或斷面收縮率越高，說明鋼材塑性越大[7]。金屬在外力的作用下，變形過程一般可以分為三個階段：彈性階段、塑性階段和斷裂階段，而材料的塑性變形主要集中在后兩個階段。在上述試驗的拉伸曲線圖中可以看出，隨著夾持頭部長度的變化，拉伸曲線在彈性階段存在差異，但是在塑性階段和斷裂階段的趨于相同，故得到的材料塑性指標的數(shù)值變化不大。

4 結(jié)論

在采用V型楔形夾具進行圓形截面拉伸試驗時，材料不具有明顯下屈服強度時，用非比例延伸強度評價材料的屈服極限時，一定要保證試樣的夾持頭部的有效長度，對于標準試樣φ10 mm的圓形截面拉伸試樣建議頭部夾持長度尺寸≥20 mm。