TC11鈦合金幾種不同橫梁位移速率下拉伸試驗的K值關(guān)系分析

高天胤,高怡斐,,王春華,梁新幫

(1. 鋼鐵研究總院，北京 100081; 2. 鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司，北京 100081)

0 引 言

GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[1]標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布實施已有近十年的時間，相關(guān)的討論和爭論不斷[2-5]，主要的關(guān)注焦點集中在方法A2上，方法A2是橫梁位移速率控制，對于試樣的實際應(yīng)變速率是處于一種開環(huán)控制狀態(tài)，并不像方法A1那樣的閉環(huán)控制狀態(tài)。試樣的應(yīng)變速率受到試驗機(jī)系統(tǒng)的柔度變形影響，其變形越大，受影響也越大，這是方法A2的主要缺點。此外，按照方法A2，橫梁位移速率一旦給定，在整個試驗中是定數(shù)，因此，在拉伸試驗的初始階段，橫梁位移的相當(dāng)部分被用于消除試樣鏈系統(tǒng)各連接件之間的間隙，造成整個試驗總時間大大增加，試驗效率低的缺點。方法A2也有其優(yōu)點，相對方法A1而言，方法A2的試驗操作相對簡單。所以實驗室一般都樂于使用方法A2進(jìn)行拉伸試驗。

科學(xué)工作者試圖尋找一種改良的方法[6-7]改善前述的缺點。ISO 6892—1:2016 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[8]國際標(biāo)準(zhǔn)于2016年正式發(fā)布，國家標(biāo)準(zhǔn)制修訂小組針對目前關(guān)注的焦點問題，擬對GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》中的附錄F “考慮試驗機(jī)剛度（或柔度）后估算的橫梁位移速率”進(jìn)行修訂。擬通過相關(guān)理論推導(dǎo)和試驗驗證找到“考慮試驗機(jī)系統(tǒng)變形情況對橫梁位移速率進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ā?，也就是修正后的A2方法。

通過選取3種不同的拉伸試驗機(jī)針對TC11鈦合金棒樣進(jìn)行不同位移速率下的室溫拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)了彈性階段和屈服階段試驗機(jī)系統(tǒng)K值的變化規(guī)律，為修訂GB/T 228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)做好了相應(yīng)的試驗驗證工作。

1 拉伸試驗及試驗結(jié)果

選取直徑為5 mm的TC11鈦合金標(biāo)準(zhǔn)圓棒拉伸試樣，見圖1。分別在3個單位，用MTS C5.105、ZWICK 600和ZWICK Z250 3種不同規(guī)格型號的電子拉伸試驗機(jī)進(jìn)行試驗。鈦合金試樣拉伸過程中，分別以方法A2不同的橫梁位移速率vc進(jìn)行。在試樣上裝夾引伸計，通過繪制載荷-時間曲線和應(yīng)變-時間曲線，分別測量Fp0.2感興趣點處和彈性階段的80%Fp0.2處試樣上的真實應(yīng)變速率p,m，通過比較試樣平行長度LC估計的應(yīng)變速率LC與相應(yīng)感興趣點處試樣上真實應(yīng)變速率p,m的比值分別得到Ke和Ky，試驗結(jié)果詳見表1。

圖1 TC11鈦合金拉伸試樣（單位：mm）

表1 3種不同型號的電子拉伸試驗機(jī)橫梁位移速率vc 與K值試驗數(shù)據(jù)1)-2)

2 拉伸試驗結(jié)果分析

從表1中的試驗結(jié)果可以看出在試樣LC估計的應(yīng)變速率與彈性階段 8 0%Fp0.2處試樣上測量的應(yīng)變速率的比值Ke和試樣LC估計的應(yīng)變速率與塑性屈服階段Fp0.2處試樣上測量的應(yīng)變速率的比值Ky計算中，是有差異的。這些數(shù)據(jù)表明型號、規(guī)格、夾持方式不同的試驗機(jī)，其拉伸系統(tǒng)柔度（或剛度）是有差異的。但是每臺試驗機(jī)盡管采用不同的橫梁位移速率，其各自的Ke值和Ky值，分別在彈性變形階段、屈服階段則是基本一致的。

第一組試驗選用的是MTS C5.105 100 kN試驗機(jī)，外套移動液壓夾具，試驗機(jī)剛度較大，試驗機(jī)拉力系統(tǒng)柔度較小。在彈性變形階段，試樣LC估計的應(yīng)變速率與引伸計應(yīng)變速率之比值系數(shù)Ke為3.85；在屈服階段試樣LC估計的應(yīng)變速率與引伸計應(yīng)變速率之比值系數(shù)Ky為1.16。

第二組試驗選用的是ZWICK Z600試驗機(jī)，其試驗機(jī)為600 kN，平推式液壓夾具，試驗機(jī)整機(jī)剛度大，600 kN的試驗機(jī)拉力系統(tǒng)，相對拉伸鈦合金5 mm直徑小試樣，試樣LC估計的應(yīng)變速率與引伸計應(yīng)變速率之比值系數(shù)K小。在彈性變形階段試樣LC估計的應(yīng)變速率與引伸計應(yīng)變速率之比值系數(shù)Ke為2.15；在屈服階段試樣LC估計的應(yīng)變速率與引伸計應(yīng)變速率之比值系數(shù)Ky為1.04。

第三組試驗選用的是ZWICK Z250試驗機(jī)，250 kN試驗機(jī)，平推液壓夾具，在彈性變形階段試樣LC估計的應(yīng)變速率與引伸計應(yīng)變速率之比值系數(shù)Ke為2.57；在屈服階段試樣LC估計的應(yīng)變速率與引伸計應(yīng)變速率之比值系數(shù)Ky為1.08。

將表1中的K值測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，對于同一試驗設(shè)備，相同試樣，相同感興趣點（即同一性能點）情況，K值測量結(jié)果的分散性見表2。

表2 K值的分散性（相對標(biāo)準(zhǔn)偏差）

從表2中K值的分散性來看，相同試樣和相同試驗設(shè)備，采用不同的橫梁位移速率的試驗，對于相同感興趣點的比值K其值分散性在4%以內(nèi)，差別并不大（無本質(zhì)上的差別），而橫梁位移速率試驗范圍從0.000 25LC/s至0.002LC/s，相差8倍。據(jù)此可以認(rèn)為：對于相同感興趣點，K值基本不隨橫梁位移速率的變化而變化，是近似恒定值。這為后續(xù)采用A2法考慮試驗機(jī)系統(tǒng)變形情況對橫梁位移速率補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ於嘶A(chǔ)。

3 試驗討論

3.1 K值的變化趨向和取值范圍

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，采用方法A2進(jìn)行的拉伸試驗，試驗初始階段中K值處于較高的值，隨著試驗進(jìn)行其值逐漸降低，如果呈現(xiàn)平臺屈服，其值接近1[1-2]，如果呈現(xiàn)連續(xù)屈服，例如在屈服強(qiáng)度Rp0.2附近其值呈現(xiàn)大于1。試驗最初始階段K值較高，是因為此階段橫梁位移較大部分用于消除試樣與連接件之間的間隙，造成平行長度的應(yīng)變速率與目標(biāo)應(yīng)變速率相差較大。進(jìn)入屈服階段K值較低，甚至接近1，是因為進(jìn)入屈服階段，力的增加速率比彈性直線階段的低，試驗機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)變速率分量增速相對降低，而平行長度的應(yīng)變速率分量增速相對較快，而且逐漸接近目標(biāo)應(yīng)變速率。

表1中的K值，其取值范圍為K≥1，較高的值表示試驗機(jī)系統(tǒng)應(yīng)變速率分量較大。K=1，在理論上表示試驗機(jī)系統(tǒng)應(yīng)變速率分量為零，換句話說，試驗機(jī)系統(tǒng)剛度無限大，柔度變形為零，但在實踐上不可能存在剛度無限大柔度為零的情況。但在金屬材料拉伸試驗中，當(dāng)試樣呈現(xiàn)不連續(xù)的平臺屈服狀態(tài)時，在平臺屈服范圍內(nèi)會出現(xiàn)K=1情況，這是因為屈服平臺區(qū)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率m值為零而導(dǎo)致ISO 6892—1:2016[8]中公式（F.2）右邊括號內(nèi)第1項的值為零，由此而產(chǎn)生橫梁位移速率全部轉(zhuǎn)移成平行長度的伸長速率，此時平行長度的應(yīng)變速率與平行長度估計的應(yīng)變速率相同，即。實際試驗也已測量得平臺屈服區(qū)K=1或K?1情況。鑒于這種情況存在，對于呈現(xiàn)單一平臺屈服狀態(tài)的材料試驗，測定屈服強(qiáng)度時可以不做橫梁位移速率的補(bǔ)償。

3.2 K值補(bǔ)償應(yīng)用于彈性階段以縮短試驗總耗時

當(dāng)感興趣點是在彈性階段，K值一般都比屈服階段的高許多，所以對于該點的橫梁位移速率補(bǔ)償也高許多。這意味著在該點之前的試驗耗時將縮短許多。如果為了縮短試驗耗時為目的的，建議預(yù)備試驗時測量K值的點選在材料屈服強(qiáng)度Rp0.2的80%附近處，以便有足夠區(qū)間能將橫梁位移速率平滑轉(zhuǎn)換至屈服階段所需的橫梁位移速率。

4 結(jié)束語

1）相同試樣和相同試驗設(shè)備，對于相同感興趣點，K值基本不隨橫梁位移速率的變化而變化，是近似恒定值。

2）采用方法A2進(jìn)行的拉伸試驗，試驗初始階段中K值處于較高的值，隨著試驗進(jìn)行其值逐漸降低；進(jìn)入屈服階段K值較低，甚至接近1。

3）將Ke值補(bǔ)償應(yīng)用于彈性階段可以縮短試驗總耗時。