張宏嶺, 向 前, 金 鑫, 熊立波, 陳慈輝, 王 心, 左李欣

(武鋼有限質(zhì)檢中心， 武漢 430083)

塑性應(yīng)變比(r值)反映了金屬薄板在拉伸加載過程中抵抗變薄破斷的能力[1]，不同取樣方向測得的r值可以反映材料自身的各向異性。在單軸拉伸力的作用下，將試樣拉伸到均勻塑性變形階段，當(dāng)達到規(guī)定的工程應(yīng)變水平時，測試并計算試樣的長度和寬度變化，再利用塑性變形前后體積不變原理導(dǎo)出的公式計算得到r值。

常見的影響r值測試結(jié)果的因素有：不同的測試方式和評估方法、試樣(彎、扭、弓形等異常)的對中性、試樣制備(試樣表面和邊緣質(zhì)量)、實驗室的條件、縱向和橫向引伸計測試、試樣的非均勻變形等。其中縱向和橫向引伸計直接與試樣接觸，是最關(guān)鍵的因素。筆者選取了縱向和橫向引伸計抖動、夾持不良、下垂、定位不準(zhǔn)等異常導(dǎo)致r值測試結(jié)果偏差的案例，并對其進行了深入分析，找到了一些處理措施，以供業(yè)內(nèi)人士參考。

1 試驗材料及試驗條件

試驗材料為冷軋?zhí)丶壋顩_鋼；GB-P6樣(標(biāo)距80 mm、寬度20 mm)，JIS-5樣(標(biāo)距50 mm、寬度25 mm)；采用Z050、 Z100型全自動拉伸試驗機(0.5級精度)和接觸式縱向、橫向高分辨率數(shù)字引伸計(0.5級精度)；采用GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)測試；橫梁位移控制等效應(yīng)變速率為0.000 25 s-1,屈服后應(yīng)變速率為0.006 7 s-1。

2 試驗案例

2.1 案例1(橫向引伸計抖動)

在自動拉伸試驗機上，對一件DC06牌號的標(biāo)準(zhǔn)P6試樣進行自動測試，測試參數(shù)設(shè)置滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》要求，r值測試結(jié)果為8.463，而該類鋼材的r值一般為2.6～3.0，結(jié)果明顯偏高。

寬度方向塑性變形y軸存在正向偏離的r值-應(yīng)力關(guān)系曲線如圖1所示，寬度方向塑性變形有明顯突變的r值-應(yīng)力關(guān)系曲線如圖2所示。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)：在塑性應(yīng)變?yōu)?0.6%～0.6%時，寬度方向塑性變形的y軸存在正向偏離；在塑性應(yīng)變?yōu)?10%～10%時，應(yīng)力達到158 MPa時寬度方向塑性變形有明顯突變。

圖1 寬度方向塑性變形y軸存在正向偏離的r值-應(yīng)力關(guān)系曲線(案例1)

圖2 寬度方向塑性變形有明顯突變的r值-應(yīng)力關(guān)系曲線(案例1)

由伸長率-寬度變化曲線(見圖3)可知，曲線存在明顯突變點，說明橫向引伸計發(fā)生抖動。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橫向引伸計的一組接觸柱的固定螺釘出現(xiàn)輕微松動，測試過程中接觸柱與試樣滑動時出現(xiàn)異常抖動，導(dǎo)致橫向引伸計跟蹤錯誤。

圖3 伸長率-寬度關(guān)系曲線(案例1)

2.2 案例2(引伸計夾持不良)

在自動拉伸試驗機上，對一組WEDQ牌號的標(biāo)準(zhǔn)5號試樣進行自動測試，測試參數(shù)設(shè)置滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010要求，r值測試結(jié)果為0或大于100，而該類鋼材的r測試值一般為2.8～3.2，測試結(jié)果明顯異常。

測試時間-寬度關(guān)系曲線如圖4所示，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：測試時間為3 s時，縱向及橫向引伸計跟蹤曲線都出現(xiàn)異常抖動。經(jīng)過調(diào)查可知，這是因為橫向引伸計在初始夾持試樣時，夾持位置在夾持柱外側(cè)，在拉伸過程中，橫向引伸計抖動，同時帶動縱向引伸計抖動。

圖4 測試時間-寬度關(guān)系曲線(案例2)

2.3 案例3(橫向引伸計下垂)

在自動拉伸試驗機上，對一件WDQ牌號的標(biāo)準(zhǔn)5號試樣進行自動測試，測試參數(shù)設(shè)置滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010要求，r值測試結(jié)果為3.35，而該類鋼材的r值一般為2.7～3.2，測試結(jié)果偏高。

寬度、長度方向塑性變形的r值-應(yīng)力關(guān)系曲線如圖5所示。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)：隨著應(yīng)變的增大，r值逐步增大。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，寬度引伸計輕微下垂，5號試樣標(biāo)距僅50 mm，在拉伸過程中，寬度引伸計與縱向引伸計夾持臂發(fā)生接觸，導(dǎo)致縱向引伸計跟蹤不良。

圖5 寬度、長度方向塑性變形的r值-應(yīng)力關(guān)系曲線(案例3)

2.4 案例4(縱向引伸計定位不準(zhǔn))

在自動拉伸試驗機上，對一件DC06牌號的標(biāo)準(zhǔn)P6試樣進行自動測試，測試參數(shù)設(shè)置滿足要求，r值測試結(jié)果為3.25，而該類鋼材的r值一般為2.6～3.0，測試結(jié)果異常。

寬度、長度方向塑性變形的r值-塑性應(yīng)變和應(yīng)力-塑性應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6所示，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)：r值衰減幅度較大，經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，縱向引伸計的原始標(biāo)距定位明顯小于設(shè)定值。

圖6 寬度、長度方向塑性變形的r值-塑性應(yīng)變和應(yīng)力-塑性應(yīng)變關(guān)系曲線(案例4)

3 異常數(shù)據(jù)理論分析

測試r值時，使用式(1)進行計算，由于r值的評估只針對塑性變形階段，因此試驗機采集厚度、寬度、標(biāo)距等數(shù)據(jù)時不考慮彈性階段的影響，使用式(2)～(3)進行計算。

(1)

(2)

(3)

式中：b0為初始試樣寬度；b1為試樣經(jīng)過應(yīng)變并卸載后的平均寬度；Δbplast為試樣在參考位置的橫向塑性應(yīng)變；L0為引伸計的測試長度；L1為試樣經(jīng)過約定應(yīng)變并卸載后的標(biāo)距長度；ΔL為試樣在參考位置的塑性伸長；Δb為引伸計的測試寬度；ν為泊松比，鋼鐵材料一般取0.3；E為彈性模量；σ為試樣在參考位置的抗拉強度。

引伸計狀態(tài)直接影響r值的檢測結(jié)果，比如：試樣寬度方向的真實變形與引伸計測得數(shù)值之間的差異、引伸計長度、裝夾部位和形式(更靠近過渡弧還是在標(biāo)距正中)、引伸計刀口與試樣表面的相對滑動、寬度測試裝置的裝夾效應(yīng)等。蘇大雄[2]等發(fā)現(xiàn)標(biāo)距長度和寬度的測試位置，會影響r值的檢測準(zhǔn)確度。

案例1中，在測試初始階段,因橫向引伸計裝夾不良，引伸計信號顯示出一些正向應(yīng)變，r值降低，Δb減少量很小，對r值影響不大；工程應(yīng)力達到158 MPa時，橫向引伸計出現(xiàn)異常抖動造成寬度Δb異常偏高，從而r值異常高。

案例2中，寬度引伸計異常抖動造成Δb異常偏高，從而導(dǎo)致r值異常高。

案例3中，橫向引伸計阻礙了縱向引伸計的跟蹤變形，縱向引伸計的測試滯后于寬度引伸計的，使Δb測試值偏大，r值也偏大。

案例4中，縱向引伸計的測試長度L0小于設(shè)定原始標(biāo)距，測試時試樣的實際塑性伸長大于理論值，導(dǎo)致試樣寬度Δb增大，r值異常偏高。

上述案例進一步說明r值測試是否準(zhǔn)確與縱、橫向引伸計測試是否準(zhǔn)確有關(guān)，對檢測同步性也提出了極高要求，即r值測試偏差的本質(zhì)就是縱、橫向引伸計測試反饋不同步。

4 處理措施

鑒于材料的多樣性及復(fù)雜性、受力后試樣變形的不均勻性及測試條件變化，處理r值測試異常時，可充分利用各類圖形排查原因?？赏ㄟ^縱向引伸計的變形-時間曲線、寬度-時間關(guān)系曲線確認引伸計運行情況，通過寬度及長度塑性變形-應(yīng)力圖形查看雙向引伸計測試期間對應(yīng)關(guān)系是否正常，通過瞬時r值與時間相關(guān)性曲線跟蹤r值測試結(jié)果是否異常，逐項分析排查，準(zhǔn)確查找異常產(chǎn)生的原因。

日常維護時，要注意做好引伸計、測試臺等機械部位日常維護；測試時通常只進行引伸計的跟蹤過程變化值確認，但是縱向引伸計的原始標(biāo)距因不斷定位會產(chǎn)生累積偏移，要注意如果不能直接測試標(biāo)定，可將引伸計夾頭涂覆印泥測試刀刃在試樣上留下的印痕距離間接標(biāo)定原始標(biāo)距。

金屬薄板和薄帶的r值測試影響因素很多，還可以通過以下方式做好測試工作：定期測試標(biāo)準(zhǔn)樣品，結(jié)合控制圖等手段跟蹤結(jié)果；設(shè)置不同材料的r值，利用試驗機或管理手段進行實時監(jiān)控等。

5 結(jié)論及建議

案例中r值測試結(jié)果出現(xiàn)偏差是縱、橫向引伸計測試反饋不同步造成的。橫向引伸計抖動、接觸角柱變形磨損、閉合彈簧失效、裝夾不良、縱向原始標(biāo)距定位偏小、夾持在試樣過渡弧處等均造成Δb異常偏大，破壞了其與ΔL的對應(yīng)關(guān)系，導(dǎo)致r值偏大，反之會導(dǎo)致r值偏小。引伸計、測試臺等機械部位的日常保養(yǎng)和維護至關(guān)重要。

建議設(shè)備制造商先升級軟件功能，應(yīng)能顯示拉伸試驗過程中各測試通道，特別是縱向、橫向引伸計變形與時間、載荷的關(guān)系曲線，以監(jiān)控引伸計工作狀態(tài)；再升級硬件功能，解決縱向引伸計原始標(biāo)距定位偏移、缺乏直接檢定手段等問題，以獲得可靠的測試結(jié)果。