橫梁位移模式下的拉伸試驗(yàn)速率控制與驗(yàn)證測(cè)試方案

敬仕煜, 普曉明, 楊華春

(1.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司, 自貢 643001; 2.機(jī)械工業(yè)高溫高壓材料與焊接工程實(shí)驗(yàn)室, 自貢 643001)

速率控制問(wèn)題是金屬材料拉伸試驗(yàn)的核心問(wèn)題，其會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生重要影響。金屬材料拉伸試驗(yàn)的速率控制分為應(yīng)變速率控制和應(yīng)力速率控制，其中應(yīng)變速率控制又分為基于引伸計(jì)反饋的應(yīng)變速率控制和橫梁位移應(yīng)變速率控制(以下分別稱為引伸計(jì)反饋模式、橫梁位移模式)。工程實(shí)踐中，橫梁位移模式因具有易于實(shí)現(xiàn)、安全等特點(diǎn)占據(jù)絕對(duì)主流。該模式下，引伸計(jì)不參與速率控制，僅記錄變形，試樣平行段(考核段)速率是橫梁十字頭分離傳遞給試樣的近似估計(jì)[1]。與標(biāo)準(zhǔn)中優(yōu)先推薦的引伸計(jì)反饋模式相比較，橫梁位移模式存在一個(gè)不容回避的缺點(diǎn)，即受試驗(yàn)裝置柔性(剛度)影響，試樣平行段應(yīng)變速率與設(shè)置的橫梁名義速率之間存在差異。為彌補(bǔ)這一差異，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》的附錄F給出了剛度修正建議，但這一建議未得到廣泛應(yīng)用，還引發(fā)了諸多爭(zhēng)議[2-7]。為探索剛度修正新思路，筆者以圓棒試樣為例，研究了橫梁位移模式下名義速率與試樣上應(yīng)變速率在試驗(yàn)過(guò)程中的變化情況，并分析了二者之間的關(guān)聯(lián)與特征，建立了一種橫梁位移模式下的驗(yàn)證測(cè)試方案，該方案可以大幅提升橫梁位移模式下的應(yīng)變速率控制精度。

1 橫梁位移模式下的應(yīng)變速率控制演示

1.1 演示試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)設(shè)備為美特斯Criterion40系列C45.305型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，最大力為250 kN。測(cè)試軟件為T(mén)W Elite，版本號(hào)4.3.1.375。引伸計(jì)型號(hào)為635.25F-24，標(biāo)距為50 mm。

試驗(yàn)材料為13MnNiMoR鋼和S31042鋼兩種，前者為低合金鋼，體心立方晶體結(jié)構(gòu)，后者為奧氏體不銹鋼，面心立方晶體結(jié)構(gòu)。選擇兩種類(lèi)型材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，除有利于觀察試驗(yàn)裝置柔性對(duì)應(yīng)變速率的影響外，還可使這種觀察具有較好的代表性意義。試樣為直徑10 mm的圓棒，平行段長(zhǎng)60 mm，標(biāo)距長(zhǎng)50 mm， M18雙頭螺紋。試樣與試驗(yàn)機(jī)采用拉桿連接方式，如圖1所示。

圖1 試樣夾持方式示意圖Fig.1 Diagram of sample clamping mode

演示試驗(yàn)的應(yīng)變速率控制目標(biāo)為屈服階段0.000 25 s-1，抗拉強(qiáng)度階段0.006 7 s-1，這也是GB/T 228.1-2010的推薦速率之一。試驗(yàn)方案按橫梁位移速度設(shè)置，共5擋，依次是：

第1擋：1.8 mm·min-1(名義速率0.000 5 s-1)，橫梁位移終點(diǎn)1.5 mm；

第2擋：5.0 mm·min-1(名義速率0.001 4 s-1)，位移終點(diǎn)2.5 mm；

第3擋：10 mm·min-1(名義速率0.002 8 s-1)，位移終點(diǎn)3.5 mm；

第4擋：25 mm·min-1(名義速率0.006 9 s-1)，位移終點(diǎn)4.5 mm；

第5擋：50 mm·min-1(名義速率0.013 9 s-1)，至斷裂。

要說(shuō)明的是，上述5擋速率的設(shè)置僅適用于筆者所在的試驗(yàn)室，其他試驗(yàn)室采用這一方案可能會(huì)得到不同的結(jié)果。演示試驗(yàn)旨在揭示名義速率與試樣上應(yīng)變速率之間的關(guān)聯(lián)，其他試驗(yàn)室設(shè)置的任意速率，盡管結(jié)果不同，但不會(huì)對(duì)相關(guān)討論造成實(shí)質(zhì)性影響。演示試驗(yàn)方案的第1擋速率和第5擋速率頗為重要，預(yù)計(jì)將分別對(duì)應(yīng)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度測(cè)定，中間3擋則可使速率提升過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)。名義速率等于橫梁位移速度除以試樣平行段長(zhǎng)度(即60 mm)。

試驗(yàn)中，引伸計(jì)持續(xù)跟蹤試樣，計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀取變形。過(guò)了最大力，取下引伸計(jì)，這樣做的目的是使引伸計(jì)盡可能地跟蹤試驗(yàn)全部過(guò)程。

1.2 演示試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)束后，從試驗(yàn)機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)Excel表，包括時(shí)間、橫梁位移、引伸計(jì)變形、力值/應(yīng)力等。很容易發(fā)現(xiàn)，設(shè)置的橫梁名義速率和橫梁實(shí)時(shí)位移速率基本完全等效，表明試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確地執(zhí)行了試驗(yàn)方案命令。

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算實(shí)時(shí)的名義速率D和試樣上應(yīng)變速率ε，并以時(shí)間為橫坐標(biāo)繪圖,計(jì)算式如下

D=ΔL/Δt/60

(1)

ε=Δl/Δt/50

(2)

式中:ΔL為單位時(shí)間內(nèi)橫梁位移增量；Δl為單位時(shí)間內(nèi)引伸計(jì)變形增量；Δt為單位時(shí)間。

圖2和圖3為兩種材料的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可見(jiàn)，對(duì)13MnNiMoR低合金鋼，測(cè)定屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度時(shí)，試樣上應(yīng)變速率分別為0.000 24 s-1和0.006 8 s-1，與目標(biāo)值吻合良好。而圖3表明，對(duì)S31042不銹鋼，測(cè)定屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度時(shí)，試樣上應(yīng)變速率分別為0.000 2 s-1和0.007 0 s-1，屈服強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變速率比目標(biāo)值低了約20%。

圖2 13MnNiMoR低合金鋼的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Tensile test results of 13MnNiMoR low alloy steel: a) engineering stress-strain curve; b) the nominal strain rate curve and the strain rate curve on the specimen; c) local amplification drawing of yield stage; d) local amplification of tensile strength stage

圖3 S31042不銹鋼的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Tensile test results of S31042 stainless steel: a) engineering stress-strain curve; b) the nominal strain rate curve and the strain rate curve on the specimen; c) local amplification drawing of yield stage; d) local amplification of tensile strength stage

2 分析與討論

2.1 試驗(yàn)速率對(duì)主要拉伸性能指標(biāo)的影響

金屬材料拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，在彈性變形階段，彈性波的傳播速率等同于聲波，試驗(yàn)速率(應(yīng)變或應(yīng)力速率)幾乎沒(méi)有影響；在屈服和均勻塑性變形階段，位錯(cuò)的移動(dòng)行為與時(shí)間相關(guān)，速率增加意味著與原子擴(kuò)散有關(guān)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，對(duì)材料屈服強(qiáng)度影響較大；在聚集塑性變形(頸縮)和斷裂階段，速率對(duì)裂紋萌生和擴(kuò)展的影響又不同于屈服階段的位錯(cuò)大規(guī)?；芠8]，表現(xiàn)為對(duì)抗拉強(qiáng)度影響轉(zhuǎn)而減小。

ASTM E8-16aStandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials指出，應(yīng)變速率的改變可影響屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率，尤其對(duì)應(yīng)變速率敏感性較高的材料。通常，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)隨應(yīng)變速率增加而增加，而抗拉強(qiáng)度影響相對(duì)較小，伸長(zhǎng)率值一般隨應(yīng)變速率增加而減小。國(guó)內(nèi)研究[9-11]也認(rèn)為應(yīng)變速率對(duì)屈服強(qiáng)度影響較大，對(duì)抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率影響較小。

工程實(shí)踐表明，應(yīng)變速率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響與溫度的關(guān)聯(lián)特別明顯。室溫下，應(yīng)變速率主要對(duì)屈服強(qiáng)度產(chǎn)生影響。高溫下，特別是不銹鋼等面心立方金屬，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均對(duì)應(yīng)變速率更加敏感。

2.2 名義速率與試樣上應(yīng)變速率的比較

2.2.1 13MnNiMoR低合金鋼

由圖2 b),c)和d)可見(jiàn)，5擋名義速率呈階梯平臺(tái)狀，與設(shè)置值高度吻合。試樣上應(yīng)變速率總體上跟隨名義速率變化，但各擋名義速率對(duì)應(yīng)下的試樣上應(yīng)變速率變化規(guī)律明顯不同。

在彈性變形段，試樣上應(yīng)變速率很低，僅為名義速率的10%。接近屈服變形階段，試樣上應(yīng)變速率快速提升，達(dá)到名義速率的50%左右。屈服之后，試驗(yàn)機(jī)又經(jīng)歷了4次換擋，試樣上應(yīng)變速率隨之提高，總體呈平臺(tái)狀。最大力(抗拉強(qiáng)度)附近，試樣上應(yīng)變速率呈現(xiàn)加速增大趨勢(shì)。

試樣上應(yīng)變速率明顯低于橫梁名義速率，歸因于試驗(yàn)裝置柔性(剛度)影響。試驗(yàn)開(kāi)始后，橫梁十字頭按名義速率分離，此時(shí)系統(tǒng)柔性較大，除試驗(yàn)裝置本身柔性外，還存在諸如連接間隙、試樣和拉桿彎曲、對(duì)中偏差等附加柔性。在力的作用下，都將轉(zhuǎn)換為位移或變形，抵消一部分橫梁分離位移，剩余部分傳遞給試樣，被引伸計(jì)測(cè)量到。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，力持續(xù)增加，附加柔性趨近于零，試驗(yàn)裝置柔性呈線彈性。試樣處于彈性段時(shí)，引伸計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)得的試樣上應(yīng)變速率近似平臺(tái)狀，如圖2 c)中30 s之前。

彈性段末期，或者屈服開(kāi)始之后，位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)，試樣變形相對(duì)容易，與彈性模量相似的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率[圖2 a)中的斜線]發(fā)生轉(zhuǎn)折，力的增長(zhǎng)出現(xiàn)減速甚至下跌，符合胡克定律的系統(tǒng)剛度引起的變形增長(zhǎng)速率衰減，除引伸計(jì)標(biāo)距(50 mm試樣平行段)的十字頭范圍內(nèi)的變形將減速、停滯，甚至在力值下跌時(shí)出現(xiàn)變形回復(fù)。與此同時(shí)，十字頭位移速率恒定，十字頭范圍內(nèi)的總位移仍然勻速增加，引伸計(jì)標(biāo)距內(nèi)的試樣平行段將承擔(dān)更多變形，反饋給引伸計(jì)，表現(xiàn)為試樣上應(yīng)變速率大幅提升。之后，與材料形變強(qiáng)化指數(shù)有關(guān)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率趨于緩和，試樣引伸計(jì)標(biāo)距范圍內(nèi)平行段與系統(tǒng)剛度重新達(dá)成平衡，形成新的應(yīng)變速率平臺(tái)，如圖2 c)中35～45 s所示。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，彈性階段結(jié)束后，試樣上的力與變形不再保持線性關(guān)系，十字頭范圍內(nèi)的總位移(變形)重新分配，表現(xiàn)為引伸計(jì)測(cè)量到的試樣上應(yīng)變速率大幅提升。觀察發(fā)現(xiàn)，很多材料均存在這樣的現(xiàn)象，有時(shí)甚至在瞬時(shí)慣性作用下形成一個(gè)脈沖狀應(yīng)變速率高峰，筆者暫將之稱為柔性反噬現(xiàn)象。著重指出，反噬現(xiàn)象的本質(zhì)是試樣變形加速，導(dǎo)致試驗(yàn)裝置系統(tǒng)(引伸計(jì)范圍之外)彈性變形減速或回復(fù)，甚至反過(guò)來(lái)進(jìn)一步促進(jìn)試樣的變形。

在最大力(抗拉強(qiáng)度)附近，如圖2 d)所示，柔性反噬現(xiàn)象再次發(fā)生，其原理與屈服初期如出一轍。力的增加出現(xiàn)停滯或開(kāi)始下降，與系統(tǒng)剛度關(guān)聯(lián)的十字頭內(nèi)構(gòu)件呈現(xiàn)回復(fù)趨勢(shì)，反噬給試樣，導(dǎo)致引伸計(jì)測(cè)量到的試樣上應(yīng)變速率呈現(xiàn)加速增大狀態(tài)。再往后，頸縮開(kāi)始，力下降加快，反噬現(xiàn)象更加顯著，試樣上的應(yīng)變速率提高更快。

2.2.2 S31042不銹鋼

由圖3可見(jiàn)，拉伸試驗(yàn)中S31042不銹鋼試樣的名義速率呈階梯平臺(tái)狀，試樣上應(yīng)變速率總體上跟隨名義速率變化，且在最大力附近出現(xiàn)明顯的柔性反噬現(xiàn)象，試樣上應(yīng)變速率呈加速增大趨勢(shì)。

與13MnNiMoR低合金鋼比較，在彈性階段和屈服初期，不銹鋼試樣上的應(yīng)變速率變化特征明顯不同，呈現(xiàn)緩慢提升狀態(tài),如圖3 c)所示，未發(fā)生如圖2 c)所示的快速提升現(xiàn)象。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是不銹鋼材料的應(yīng)力-應(yīng)變特征。大體上，面心立方材料的晶體滑移面多，線彈性段過(guò)程很短，甚至不存在絕對(duì)的線彈性階段。試驗(yàn)開(kāi)始后不久，與彈性模量相似的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率持續(xù)趨緩，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的增長(zhǎng)非線性,如圖3 a)所示，未發(fā)生如圖2 a)所示的力值突然(或快速)停滯且試樣變形迅速增加現(xiàn)象，致使柔性反噬現(xiàn)象的作用明顯減弱。

S31042不銹鋼試樣上應(yīng)變速率的持續(xù)提升，恰恰也證實(shí)了柔性反噬現(xiàn)象一直存在。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，當(dāng)與形變強(qiáng)化指數(shù)相關(guān)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率較為緩和時(shí)，試樣上的應(yīng)變速率才穩(wěn)定下來(lái)，形成平臺(tái)狀。

同一演示速率下，不銹鋼試樣在屈服強(qiáng)度附近的應(yīng)變速率低于低合金鋼試樣約20%。筆者認(rèn)為，這是由兩種類(lèi)型材料的不同拉伸性能特征造成的。要接近目標(biāo)值，S31042不銹鋼試樣還需要進(jìn)一步提高第1擋名義速率。

2.2.3 GB/T 228.1-2010中的剛度修正方法

GB/T 228.1-2010的附錄F給出了橫梁位移速率的剛度修正方法，其核心是把試驗(yàn)裝置柔性看作等效試樣平行段長(zhǎng)度，同比例估算為修正速率。然而，準(zhǔn)確測(cè)定試驗(yàn)裝置剛度非常困難，其與不同試驗(yàn)機(jī)的機(jī)架本身、夾持方式、試樣形狀和大小、材料特性等均有關(guān)系。此外，試驗(yàn)者的認(rèn)知和復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，亦可能導(dǎo)致較大的誤差。

演示試驗(yàn)中，同一名義速率試驗(yàn)方案的不銹鋼試樣上的應(yīng)變速率與期望值誤差20%，表明對(duì)于不同類(lèi)型材料，將剛度問(wèn)題簡(jiǎn)單處理為等效試樣平行長(zhǎng)度的修正方法，值得商榷。附錄F引發(fā)的爭(zhēng)議較多，不一一列舉，代表性觀點(diǎn)如文獻(xiàn)[4]認(rèn)為，剛度修正把僅適用彈性段的胡克定律借用到測(cè)試屈服強(qiáng)度的塑性段，其理論根源是錯(cuò)誤的。

2.3 驗(yàn)證測(cè)試方案的建立

速率控制的最終目標(biāo)，是使試樣平行段(考核段)應(yīng)變速率符合預(yù)期，確保受速率影響的力學(xué)性能數(shù)據(jù)結(jié)果真實(shí)。然而工程實(shí)踐中，試驗(yàn)室通常僅考慮名義速率是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而鮮有關(guān)注試樣上的應(yīng)變速率。造成這一局面的根本原因，是缺乏簡(jiǎn)便易行且行之有效的速率控制手段，實(shí)屬無(wú)奈。

演示試驗(yàn)證實(shí)，階梯狀的名義速率平臺(tái)對(duì)應(yīng)了階梯狀的試樣上應(yīng)變速率平臺(tái)。其間，雖然存在柔性反噬現(xiàn)象干擾，但備受關(guān)注、且受應(yīng)變速率影響最大的屈服強(qiáng)度測(cè)定，例如經(jīng)常測(cè)試的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2，仍位于應(yīng)變速率平臺(tái)范圍，如圖2 c)和圖3 c)所示。

柔性反噬現(xiàn)象對(duì)試樣上應(yīng)變速率的影響程度，取決于材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征。強(qiáng)烈的柔性反噬現(xiàn)象，如脈沖狀應(yīng)變速率，經(jīng)常發(fā)生于鋸齒狀屈服平臺(tái)[如圖2 a)]或明顯下屈服的連續(xù)屈服材料，而這類(lèi)材料的屈服特征明顯，受速率波動(dòng)影響不大。同樣，抗拉強(qiáng)度附近的柔性反噬現(xiàn)象，主要發(fā)生于抗拉強(qiáng)度測(cè)定之后，且由于應(yīng)變速率對(duì)抗拉強(qiáng)度影響較小，亦不必過(guò)于關(guān)注。

總而言之，測(cè)定屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度時(shí)，試樣上應(yīng)變速率呈平臺(tái)狀，較為穩(wěn)定，這為橫梁位移模式下的應(yīng)變速率控制奠定了基礎(chǔ)條件。

歸納上述分析，可建立測(cè)試驗(yàn)證方案。具體是，針對(duì)某一類(lèi)材料、特定試驗(yàn)機(jī)以及目標(biāo)速率，通過(guò)調(diào)整名義速率去改變?cè)嚇由蠎?yīng)變速率，滿意后予以固化，稱之為驗(yàn)證測(cè)試方案，可用于同類(lèi)材料、相似試樣的日常測(cè)試。例如：演示試驗(yàn)的方案，即適用于C45.305試驗(yàn)機(jī)+碳鋼和低合金鋼類(lèi)+雙頭螺紋拉伸試樣的室溫拉伸試驗(yàn)。

驗(yàn)證測(cè)試方案的本質(zhì)，是修正試驗(yàn)裝置的剛度影響。凡是可能導(dǎo)致試驗(yàn)裝置剛度改變的重要因素，均應(yīng)考慮建立專門(mén)的驗(yàn)證測(cè)試方案。例如,①按材料類(lèi)別，可分為低合金鋼、不銹鋼等；②按試驗(yàn)溫度，可分為室溫、高溫、低溫等；③其他重要因素，如夾持方式、試樣大小等。

順便指出，按演示試驗(yàn)提供的思路和方法，亦可建立針對(duì)應(yīng)力速率控制的驗(yàn)證測(cè)試方案。所不同的是應(yīng)力速率控制為應(yīng)力和應(yīng)變的綜合控制[5]，需要先獲得彈性階段后半段的試樣上應(yīng)力速率，且把對(duì)應(yīng)橫梁位移速率保持到屈服強(qiáng)度測(cè)定之后。在某些場(chǎng)合如核電領(lǐng)域，要求苛刻的應(yīng)力速率控制，驗(yàn)證測(cè)試方案將會(huì)非常有用。

2.4 效果評(píng)價(jià)

筆者對(duì)兩臺(tái)試驗(yàn)機(jī)建立了系列驗(yàn)證測(cè)試方案，目前已完成室溫拉伸約220個(gè)試樣，短時(shí)高溫拉伸約90個(gè)試樣，主要涉及碳鋼和低合金鋼、奧氏體不銹鋼。從結(jié)果看，應(yīng)變速率控制情況良好，即使同一類(lèi)型不同強(qiáng)度級(jí)別的材料，亦未發(fā)現(xiàn)明顯偏離。

實(shí)踐表明，驗(yàn)證測(cè)試方案可大幅度提高橫梁位移模式下的應(yīng)變速率控制水平，實(shí)現(xiàn)接近于引伸計(jì)反饋模式的速率控制精度。通過(guò)建立系列的驗(yàn)證測(cè)試方案，可替代GB/T 228.1-2010中的試驗(yàn)機(jī)剛度修正。

3 結(jié)束語(yǔ)

橫梁位移應(yīng)變速率控制模式下，名義速率與試樣上應(yīng)變速率之間存在差異，歸因于試驗(yàn)裝置柔性。通過(guò)建立驗(yàn)證測(cè)試方案，于試驗(yàn)前調(diào)整名義速率以改變?cè)嚇由蠎?yīng)變速率，滿意后固化為作業(yè)文件，可以解決橫梁位移模式的應(yīng)變速率控制難題，改變?cè)囼?yàn)人員認(rèn)為其速率控制粗糙的印象。實(shí)踐證實(shí)，驗(yàn)證測(cè)試方案可大幅度提高橫梁位移下的應(yīng)變速率控制水平，實(shí)現(xiàn)接近于引伸計(jì)反饋應(yīng)變速率控制模式的精度。該方法具有可操作性，可替代GB/T 228.1-2010中的試驗(yàn)機(jī)剛度修正。