GB/T 228.1—2010應(yīng)變速率應(yīng)用情況及對新版標(biāo)準(zhǔn)的建議

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)變速率控制的試驗速率，稱為方法A。此外ISO 6892-1:2009還完全保留了上一版對試驗速率的相關(guān)規(guī)定，即方法B。GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對試驗速率的規(guī)定與ISO 6892-1:2009的基本一致，也將試驗速率控制分為方法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)、速率大小及速率對檢驗結(jié)果和效率等方面的影響。筆者結(jié)合目前正在進行的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，試樣平行長度內(nèi)應(yīng)變速率的相對誤差超±20%的規(guī)定)進行探討，希望對該次標(biāo)準(zhǔn)修訂工作有所貢獻。

1 應(yīng)變速率應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題

1.1 引伸計控制方式存在速率失控等風(fēng)險

較早期的試驗機，不具備應(yīng)變速率控制能力或控制精度不高，引伸計控制方式存在速率失控等風(fēng)險[1]。為此，采用應(yīng)變速率控制前，需對試驗機的能力進行評估。

1.2 應(yīng)變速率相對誤差難以滿足標(biāo)準(zhǔn)

對于不連續(xù)屈服材料，測定下屈服強度ReL和屈服點延伸率Ae時，要求試樣平行長度內(nèi)應(yīng)變速率的相對誤差為目標(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，試樣平行長度內(nèi)應(yīng)變速率的相對誤差難以滿足±20%的規(guī)定。

2 屈服階段試驗速率驗證

筆者對GB/T 228.1-2010的方法A進行驗證。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的反饋而得到應(yīng)變速率；第二種是根據(jù)平行長度估計的應(yīng)變速率，由恒定的橫梁位移速率來實現(xiàn)。

驗證試驗的設(shè)備為近期引入的配有高剛度液壓平推夾具和全自動引伸計的國際知名品牌拉伸試驗機，數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)定為50 s-1。驗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為屈服點及其附近應(yīng)變速率及波動情況，可見屈服點及其附近引伸計標(biāo)距內(nèi)應(yīng)變速率波動為0.000 1～0.000 4 s-1，即0.000 25 s-1相對誤差±40%的范圍內(nèi)，超出相對誤差±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，相對誤差±40%)。仔細觀察圖2可發(fā)現(xiàn)，大部分時間點的應(yīng)變速率在0.000 2～0.000 3 s-1，符合相對誤差±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)屈服試樣的驗證

2.2.1 驗證速率范圍2

2.2.1.1 驗證引伸計標(biāo)距范圍內(nèi)的應(yīng)變速率

驗證試驗采用GB/T 228.1-2010的P6帶頭試樣，引伸計標(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)變速率的相對誤差約為±60%，超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±20%相對誤差。

圖3 采用速率范圍2時不連續(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時不連續(xù)屈服P6試樣引伸計標(biāo)距內(nèi)彈性及屈服階段的應(yīng)變速率-時間曲線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)。將引伸計標(biāo)距長度設(shè)置為與平行長度相等，僅為了驗證平行長度范圍內(nèi)的應(yīng)變速率及速率相對誤差能否滿足標(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)變速率波動主要集中在目標(biāo)值的±60%，個別值達到目標(biāo)值的±100%，超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的±20%相對誤差。

為排除速率波動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情況。圖7為圖5對應(yīng)試樣試驗時的橫梁位移速率及其波動情況。由圖7可見橫梁位移速率非常穩(wěn)定，波動范圍僅為目標(biāo)值的±0.8%。結(jié)合圖2連續(xù)屈服試樣應(yīng)變速率的波動范圍，可認為不連續(xù)屈服試樣平行長度內(nèi)應(yīng)變速率波動主要由試樣和測試系統(tǒng)引起。

圖5 采用速率范圍2時不連續(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時不連續(xù)屈服P7試樣彈性及屈服階段的橫梁位移速率-時間曲線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 驗證速率范圍3

僅驗證平行長度內(nèi)應(yīng)變速率的波動范圍。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-時間曲線，屈服點及其附近應(yīng)變速率及變化情況見圖9?？梢?，采用平行長度估計的應(yīng)變速率范圍3時，試樣平行長度內(nèi)的實際應(yīng)變速率波動未超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相對誤差(±20%)。

圖8 采用速率范圍3時不連續(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，由于試樣標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變速率是基于引伸計的反饋控制而得到的，應(yīng)變速率波動主要來自試驗機的機電儀系統(tǒng)。根據(jù)上述驗證試驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)有試驗機基本能將試樣標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變速率控制在±20%的相對誤差內(nèi)。如果適當(dāng)擴大應(yīng)變速率相對誤差，比如將目前的±20%擴大至±40%，則能覆蓋該次驗證試驗的應(yīng)變速率波動范圍。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，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)變速率波動均超出了±20%的相對誤差。由于拉伸曲線的物理屈服點是材料特性和試驗機系統(tǒng)共同作用的結(jié)果[2]，且試驗系統(tǒng)達不到理想剛體，對于試樣平行長度內(nèi)屈服伸長為不均勻變形的材料，即使試驗機能將橫梁位移速率波動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“考慮試驗機剛度(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。文獻[3]介紹了不連續(xù)屈服材料試樣采用引伸計反饋的應(yīng)變速率進行屈服階段控制，屈服階段應(yīng)變速率在0.000 3 s-1左右，個別數(shù)據(jù)達到0.002 s-1。也表明不連續(xù)屈服試樣采用速率范圍2時，應(yīng)變速率相對誤差不滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

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

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，僅包含取自引伸計反饋信號的閉環(huán)控制，即GB/T 228.1-2010方法A中的第一種應(yīng)變速率。

結(jié)合驗證試驗結(jié)果和ASTM E8/E8M-16aε1，對于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設(shè)備，適當(dāng)擴大應(yīng)變速率的相對誤差，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，屈服階段(含上屈服點附近)，試樣標(biāo)距內(nèi)和平行長度內(nèi)的應(yīng)變速率波動均未超出±20%的相對誤差。由于采用橫梁位移控制時，試驗機和試樣夾持方式與范圍2相同時，由試驗系統(tǒng)造成速率波動是相近的，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，同樣為±20%的相對誤差，范圍3的速率波動幅度較范圍2提高了8倍。

4 結(jié)論及建議

(1) 驗證試驗發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行GB/T 228.1-2010方法A推薦的試驗速率時，目前的拉伸試驗機較難滿足±20%的速率相對誤差，尤其是采用第二種應(yīng)變速率時。

(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反饋信號的閉環(huán)控制。

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