方 昊, 徐惟誠, 田慧玲

(寶山鋼鐵股份有限公司 制造管理部, 上海 200941)

2009年發(fā)布的ISO 6892-1:2009MetallicMaterials—TensileTesting—Part1:MethodofTestatRoomTemperature，新增了基于應(yīng)變速率控制的試驗(yàn)速率，稱為方法A。此外ISO 6892-1:2009還完全保留了上一版對(duì)試驗(yàn)速率的相關(guān)規(guī)定，即方法B。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》對(duì)試驗(yàn)速率的規(guī)定與ISO 6892-1:2009的基本一致，也將試驗(yàn)速率控制分為方法A和方法B。GB/T 228.1-2010的這一變化在業(yè)內(nèi)引起了持續(xù)的討論，討論焦點(diǎn)主要集中在速率控制方式(應(yīng)變、應(yīng)力和橫梁位移)、速率大小及速率對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果和效率等方面的影響。筆者結(jié)合目前正在進(jìn)行的GB/T 228.1-2010修訂工作，就方法A應(yīng)用中遇到的問題(主要是不連續(xù)屈服試樣，采用方法A的推薦速率時(shí)，試樣平行長度內(nèi)應(yīng)變速率的相對(duì)誤差超±20%的規(guī)定)進(jìn)行探討，希望對(duì)該次標(biāo)準(zhǔn)修訂工作有所貢獻(xiàn)。

1 應(yīng)變速率應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題

1.1 引伸計(jì)控制方式存在速率失控等風(fēng)險(xiǎn)

較早期的試驗(yàn)機(jī)，不具備應(yīng)變速率控制能力或控制精度不高，引伸計(jì)控制方式存在速率失控等風(fēng)險(xiǎn)[1]。為此，采用應(yīng)變速率控制前，需對(duì)試驗(yàn)機(jī)的能力進(jìn)行評(píng)估。

1.2 應(yīng)變速率相對(duì)誤差難以滿足標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于不連續(xù)屈服材料，測定下屈服強(qiáng)度ReL和屈服點(diǎn)延伸率Ae時(shí)，要求試樣平行長度內(nèi)應(yīng)變速率的相對(duì)誤差為目標(biāo)值的±20%。由于屈服伸長變形是不均勻的[2]，采用恒定的橫梁位移速率控制且應(yīng)變速率較低時(shí)，試樣平行長度內(nèi)應(yīng)變速率的相對(duì)誤差難以滿足±20%的規(guī)定。

2 屈服階段試驗(yàn)速率驗(yàn)證

筆者對(duì)GB/T 228.1-2010的方法A進(jìn)行驗(yàn)證。方法A有兩種不同類型的應(yīng)變速率控制模式，第一種是基于引伸計(jì)的反饋而得到應(yīng)變速率；第二種是根據(jù)平行長度估計(jì)的應(yīng)變速率，由恒定的橫梁位移速率來實(shí)現(xiàn)。

驗(yàn)證試驗(yàn)的設(shè)備為近期引入的配有高剛度液壓平推夾具和全自動(dòng)引伸計(jì)的國際知名品牌拉伸試驗(yàn)機(jī)，數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)定為50 s-1。驗(yàn)證速率范圍為屈服階段的應(yīng)變速率范圍2和范圍3。

2.1 連續(xù)屈服試樣的驗(yàn)證

圖1為連續(xù)屈服試樣彈性及屈服階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，曲線呈典型的連續(xù)屈服特征。圖2為屈服點(diǎn)及其附近應(yīng)變速率及波動(dòng)情況，可見屈服點(diǎn)及其附近引伸計(jì)標(biāo)距內(nèi)應(yīng)變速率波動(dòng)為0.000 1～0.000 4 s-1，即0.000 25 s-1相對(duì)誤差±40%的范圍內(nèi)，超出相對(duì)誤差±20%的要求，但符合ASTM E8/E8M-16aε1的控制方法B規(guī)定的應(yīng)變速率及誤差范圍(0.015±0.006) mm·mm-1·min-1(即0.000 25 s-1，相對(duì)誤差±40%)。仔細(xì)觀察圖2可發(fā)現(xiàn)，大部分時(shí)間點(diǎn)的應(yīng)變速率在0.000 2～0.000 3 s-1，符合相對(duì)誤差±20%的規(guī)定。

圖1 連續(xù)屈服試樣彈性及屈服階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curve of the continuous yield sample atelasticity and yield section

圖2 連續(xù)屈服試樣彈性及屈服階段的應(yīng)變速率-時(shí)間曲線Fig.2 Strain rate-time curve of the continuous yield sample atelasticity and yield section

2.2 不連續(xù)屈服試樣的驗(yàn)證

2.2.1 驗(yàn)證速率范圍2

2.2.1.1 驗(yàn)證引伸計(jì)標(biāo)距范圍內(nèi)的應(yīng)變速率

驗(yàn)證試驗(yàn)采用GB/T 228.1-2010的P6帶頭試樣，引伸計(jì)標(biāo)距為80 mm。圖3為不連續(xù)屈服P6試樣彈性及屈服階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，曲線呈典型的不連續(xù)屈服特征。上、下屈服點(diǎn)及其附近應(yīng)變速率及變化情況見圖4，可見試樣標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變速率的相對(duì)誤差約為±60%，超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±20%相對(duì)誤差。

圖3 采用速率范圍2時(shí)不連續(xù)屈服P6試樣彈性及屈服階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of the discontinuous yield sample P6 atelasticity and yield section in the rate range 2

圖4 采用速率范圍2時(shí)不連續(xù)屈服P6試樣引伸計(jì)標(biāo)距內(nèi)彈性及屈服階段的應(yīng)變速率-時(shí)間曲線Fig.4 Strain rate-time curve in extensometer gauge length of thediscontinuous yield sample P6 at elastic and yield section in the rate range 2

2.2.1.2 驗(yàn)證平行長度范圍內(nèi)的應(yīng)變速率

采用GB/T 228.1-2010的平行長度100 mm,寬度25 mm的P7帶頭試樣。引伸計(jì)標(biāo)距長度與平行長度約為100 mm。

GB/T 228.1-2010的3.5款：理想的L0應(yīng)大于Lc/2但小于約0.9Lc,這將保證引伸計(jì)檢測到發(fā)生在試樣上的全部屈服(L0為原始標(biāo)距,Lc為平行長度)。將引伸計(jì)標(biāo)距長度設(shè)置為與平行長度相等，僅為了驗(yàn)證平行長度范圍內(nèi)的應(yīng)變速率及速率相對(duì)誤差能否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

圖5為不連續(xù)屈服P7試樣彈性及屈服階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，上、下屈服點(diǎn)及其附近應(yīng)變速率及變化情況見圖6，試樣平行長度內(nèi)應(yīng)變速率波動(dòng)主要集中在目標(biāo)值的±60%，個(gè)別值達(dá)到目標(biāo)值的±100%，超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±20%相對(duì)誤差。

為排除速率波動(dòng)系橫梁位移速率不穩(wěn)定所致，分析了橫梁位移速率的波動(dòng)情況。圖7為圖5對(duì)應(yīng)試樣試驗(yàn)時(shí)的橫梁位移速率及其波動(dòng)情況。由圖7可見橫梁位移速率非常穩(wěn)定，波動(dòng)范圍僅為目標(biāo)值的±0.8%。結(jié)合圖2連續(xù)屈服試樣應(yīng)變速率的波動(dòng)范圍，可認(rèn)為不連續(xù)屈服試樣平行長度內(nèi)應(yīng)變速率波動(dòng)主要由試樣和測試系統(tǒng)引起。

圖5 采用速率范圍2時(shí)不連續(xù)屈服P7試樣彈性及屈服階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curve of the discontinuous yield sample P7 atelasticity and yield section in the rate range 2

圖6 采用速率范圍2時(shí)不連續(xù)屈服P7試樣平行長度內(nèi)彈性及屈服階段的應(yīng)變速率-時(shí)間曲線Fig.6 Strain rate-time curve in parallel length of the discontinuousyield sample P7 at elastic and yield section in the rate range 2

圖7 采用速率范圍2時(shí)不連續(xù)屈服P7試樣彈性及屈服階段的橫梁位移速率-時(shí)間曲線Fig.7 Crosshead separation rate-time curve of the discontinuousyield sample P7 at elasticity and yield section in the rate range 2

2.2.2 驗(yàn)證速率范圍3

僅驗(yàn)證平行長度內(nèi)應(yīng)變速率的波動(dòng)范圍。采用GB/T 228.1-2010的平行長度100 mm,寬度25 mm的P7帶頭試樣。引伸計(jì)標(biāo)距長度與平行長度均為100 mm。

圖8為不連續(xù)屈服P7試樣平行長度內(nèi)彈性及屈服階段的應(yīng)變速率-時(shí)間曲線，屈服點(diǎn)及其附近應(yīng)變速率及變化情況見圖9?？梢?，采用平行長度估計(jì)的應(yīng)變速率范圍3時(shí)，試樣平行長度內(nèi)的實(shí)際應(yīng)變速率波動(dòng)未超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相對(duì)誤差(±20%)。

圖8 采用速率范圍3時(shí)不連續(xù)屈服P7試樣彈性及屈服階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curve of the discontinuous yield sample P7at elasticity and yield section in the rate range 3

圖9 采用速率范圍3時(shí)不連續(xù)屈服P7試樣平行長度內(nèi)彈性及屈服階段的應(yīng)變速率-時(shí)間曲線Fig.9 Strain rate-time curve in parallel length of the discontinuousyield sample P7 at elastic and yield section in the rate range 3

3 分析與討論

3.1 連續(xù)屈服試樣

采用第一種應(yīng)變速率的范圍2(ISO 6892-1:2019的A1)時(shí)，由于試樣標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變速率是基于引伸計(jì)的反饋控制而得到的，應(yīng)變速率波動(dòng)主要來自試驗(yàn)機(jī)的機(jī)電儀系統(tǒng)。根據(jù)上述驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)有試驗(yàn)機(jī)基本能將試樣標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變速率控制在±20%的相對(duì)誤差內(nèi)。如果適當(dāng)擴(kuò)大應(yīng)變速率相對(duì)誤差，比如將目前的±20%擴(kuò)大至±40%，則能覆蓋該次驗(yàn)證試驗(yàn)的應(yīng)變速率波動(dòng)范圍。也與ASTM E8/E8M-16aε1的控制方法B規(guī)定的應(yīng)變速率及誤差范圍(0.015±0.006) mm·mm-1·min-1(即0.0002 5 s-1±40%)相一致。

3.2 不連續(xù)屈服試樣采用速率范圍2

采用第二種應(yīng)變速率的范圍2時(shí)，屈服階段(含上屈服附近)，試樣標(biāo)距內(nèi)和平行長度內(nèi)的應(yīng)變速率波動(dòng)均超出了±20%的相對(duì)誤差。由于拉伸曲線的物理屈服點(diǎn)是材料特性和試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)共同作用的結(jié)果[2]，且試驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)不到理想剛體，對(duì)于試樣平行長度內(nèi)屈服伸長為不均勻變形的材料，即使試驗(yàn)機(jī)能將橫梁位移速率波動(dòng)控制在極小的范圍內(nèi)，也無法將試樣平行長度內(nèi)的應(yīng)變速率控制在某個(gè)恒定值或標(biāo)準(zhǔn)要求的±20%。GB/T 228.1-2010附錄F給出的“考慮試驗(yàn)機(jī)剛度(或柔度)后估算的橫梁位移速率”的方法，雖可將應(yīng)變速率均值修正至目標(biāo)值，但不能消除由試樣不均勻變形引起的應(yīng)變速率波動(dòng)。文獻(xiàn)[3]介紹了不連續(xù)屈服材料試樣采用引伸計(jì)反饋的應(yīng)變速率進(jìn)行屈服階段控制，屈服階段應(yīng)變速率在0.000 3 s-1左右，個(gè)別數(shù)據(jù)達(dá)到0.002 s-1。也表明不連續(xù)屈服試樣采用速率范圍2時(shí)，應(yīng)變速率相對(duì)誤差不滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

根據(jù)該次驗(yàn)證試驗(yàn)，如果將第二種根據(jù)平行長度估計(jì)的應(yīng)變速率的相對(duì)誤差擴(kuò)大至±100%，則能很好覆蓋該次試驗(yàn)采用的試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)變速率波動(dòng)范圍。

查閱ASTM E8/E8M-16aε1也能發(fā)現(xiàn)，其測定屈服特性的應(yīng)變率控制方法，僅包含取自引伸計(jì)反饋信號(hào)的閉環(huán)控制，即GB/T 228.1-2010方法A中的第一種應(yīng)變速率。

結(jié)合驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果和ASTM E8/E8M-16aε1，對(duì)于GB/T 228.1-2010的第二種應(yīng)變速率的范

圍2，建議要么結(jié)合材料特性和目前主流的拉伸試驗(yàn)設(shè)備，適當(dāng)擴(kuò)大應(yīng)變速率的相對(duì)誤差，要么取消第二種應(yīng)變速率。

3.3 不連續(xù)屈服試樣采用速率范圍3

不連續(xù)屈服試樣采用第二種應(yīng)變速率的范圍3時(shí)，屈服階段(含上屈服點(diǎn)附近)，試樣標(biāo)距內(nèi)和平行長度內(nèi)的應(yīng)變速率波動(dòng)均未超出±20%的相對(duì)誤差。由于采用橫梁位移控制時(shí)，試驗(yàn)機(jī)和試樣夾持方式與范圍2相同時(shí)，由試驗(yàn)系統(tǒng)造成速率波動(dòng)是相近的，差異主要由試樣引起。但應(yīng)變速率由范圍2的0.000 25 s-1提高到范圍3的0.002 s-1時(shí)，同樣為±20%的相對(duì)誤差，范圍3的速率波動(dòng)幅度較范圍2提高了8倍。

4 結(jié)論及建議

(1) 驗(yàn)證試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行GB/T 228.1-2010方法A推薦的試驗(yàn)速率時(shí)，目前的拉伸試驗(yàn)機(jī)較難滿足±20%的速率相對(duì)誤差，尤其是采用第二種應(yīng)變速率時(shí)。

(2) 建議修訂中的GB/T 228.1-2010，考慮采用與ASTM E8/E8-16Aaε1相似的規(guī)定，應(yīng)變速率控制僅用于引伸計(jì)反饋信號(hào)的閉環(huán)控制。

(3) 修訂GB/T 228.1-2010時(shí)，建議開展多試驗(yàn)室的驗(yàn)證試驗(yàn)，評(píng)估兩種應(yīng)變速率控制模式，采用范圍1和范圍2的應(yīng)變速率時(shí)，±20%速率相對(duì)誤差的可執(zhí)行性，再確定是否需要修改或如何修改速率相對(duì)誤差。