ISO 10113：2020標(biāo)準(zhǔn)中若干技術(shù)問(wèn)題的驗(yàn)證

凃應(yīng)宏, 李榮鋒, 尚 倫

(1.寶鋼股份武鋼有限技術(shù)中心， 武漢 430080；2.東莞材料基因高等理工研究院， 東莞 523808)

塑性應(yīng)變比(r值)與拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)(n值)均可以用來(lái)表征金屬材料的成形能力。r值反映了材料在長(zhǎng)度、寬度和厚度3個(gè)方向的變形能力；n值表征材料的形變強(qiáng)化能力。在實(shí)踐中，這兩個(gè)指標(biāo)往往是用同一件試樣在單向加載條件下測(cè)定的，但數(shù)據(jù)表明：作為材料特性參數(shù)，n值具有較好的一致性，而r值卻有明顯的離散性。相關(guān)工作人員為提高r值測(cè)試的準(zhǔn)確性也在不懈地探索和努力[1-4]。

長(zhǎng)期實(shí)踐表明，影響金屬薄板r值測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素眾多，除了材料本身性能的差異外，試樣的取向、平整度、加工/形位公差、試樣夾持方式、尺寸測(cè)試、引伸計(jì)、加載過(guò)程的平順性等因素也會(huì)影響最終的測(cè)試結(jié)果。r值測(cè)試的核心應(yīng)該是真實(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)試出試樣的縱向變形和橫向變形，并且在測(cè)試的同時(shí)不扭曲兩者之間的(幾何上以及邏輯上)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在r值測(cè)試技術(shù)的發(fā)展初期，受制于當(dāng)時(shí)的科技發(fā)展水平(引伸計(jì)未得到廣泛普及)，在實(shí)際操作過(guò)程中需要停機(jī)、卸載，再取下試樣，由人工利用比長(zhǎng)儀或其他量具對(duì)試樣的縱向變形和橫向變形分別進(jìn)行測(cè)試。該方法對(duì)試樣的縱向變形測(cè)試精確，但效率非常低下，難以滿(mǎn)足大生產(chǎn)條件下批量測(cè)試的要求。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是較為輕便的電子引伸計(jì)的逐步應(yīng)用，r值測(cè)試技術(shù)進(jìn)入到第二階段，即半自動(dòng)加載測(cè)試階段。該階段試樣的縱向變形由縱向引伸計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)試，當(dāng)達(dá)到約定值后停機(jī)(但不卸載)，因?yàn)橥C(jī)時(shí)試樣的縱向變形已知，此時(shí)僅需人工利用千分尺在加載條件下對(duì)橫向變形進(jìn)行測(cè)試。r值測(cè)試從該階段起需在加載條件下進(jìn)行。為了驗(yàn)證加載測(cè)試的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，早在制定國(guó)標(biāo)GB/T 5027—1984 《金屬材料 薄板和薄帶 塑性應(yīng)變比(r值)的測(cè)定》時(shí)，國(guó)內(nèi)就開(kāi)展了相關(guān)研究工作[5]，當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)已經(jīng)表明，加載、卸載階段所測(cè)得的r值沒(méi)有顯著差異。

為了解決數(shù)據(jù)的離散性問(wèn)題，r值測(cè)試技術(shù)也在不斷地發(fā)展和完善。在新頒布的ISO 10113:2020MetallicMaterials-SheetandStrip-DeterminationofPlasticStrainRatio,theInternationalOrganizationforStandardization標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)試樣的橫向變形測(cè)試問(wèn)題也給出了新的解決方案。與此同時(shí)，將ISO 10113：2006中r值計(jì)算公式的修改提上日程。ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)的修訂者認(rèn)為：既然r值是反映材料塑性變形能力的參數(shù)，那么在計(jì)算公式中可以扣除彈性變形；從具體的操作層面看，受離散性影響的加載測(cè)試方式也可以轉(zhuǎn)變?yōu)樾遁d測(cè)試方式。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5027—2016的修訂者對(duì)上述觀點(diǎn)持保留態(tài)度[6]，這是因?yàn)槟壳皉值測(cè)試的主要問(wèn)題在于數(shù)據(jù)的過(guò)度離散，通過(guò)彈性扣除無(wú)法解決該問(wèn)題。利用軟件扣除彈性變形僅是一種形式上的虛擬性卸載，與真實(shí)的人工卸載測(cè)試有著本質(zhì)上的區(qū)別。只有經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，證明新算法的結(jié)果與人工測(cè)試值更加接近，才能消除工作人員的疑慮。

1 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了對(duì)ISO 10113：2020的技術(shù)內(nèi)容有一個(gè)準(zhǔn)確、客觀的認(rèn)識(shí)，2020年12月至2021年4月，全國(guó)鋼標(biāo)委力學(xué)分技術(shù)委員會(huì)組織國(guó)內(nèi)相關(guān)單位開(kāi)展了《金屬材料 薄板和薄帶 塑性應(yīng)變比(r值)的測(cè)定》的驗(yàn)證活動(dòng)。該項(xiàng)活動(dòng)主要針對(duì)人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)3種測(cè)試方式的準(zhǔn)確性和一致性進(jìn)行驗(yàn)證，并圍繞試樣的不均勻變形、是否扣除彈性應(yīng)變等問(wèn)題進(jìn)行了討論。這是數(shù)十年來(lái)，國(guó)內(nèi)組織的最大規(guī)模的涵蓋3種測(cè)試方式的r值測(cè)試驗(yàn)證活動(dòng)，共計(jì)有15家實(shí)驗(yàn)室參加了該工作(見(jiàn)表1)，這些實(shí)驗(yàn)室均長(zhǎng)期從事金屬薄板r值的測(cè)試工作，在業(yè)界具有廣泛的代表性。參與驗(yàn)證活動(dòng)的設(shè)備也基本上代表了當(dāng)前國(guó)內(nèi)的主流水平。

表1 參加驗(yàn)證活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備概況

驗(yàn)證試驗(yàn)使國(guó)內(nèi)相關(guān)單位對(duì)ISO 10113:2020標(biāo)準(zhǔn)中的一些關(guān)鍵條文有了更加清晰、全面的認(rèn)識(shí)，為下一步啟動(dòng)修訂GB/T 5027的工作打下了良好基礎(chǔ)。同時(shí)驗(yàn)證工作對(duì)推動(dòng)國(guó)內(nèi)r值測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)國(guó)內(nèi)設(shè)備水平的提高也具有重大意義。

試驗(yàn)主要對(duì)BUSD-A、BUSD-B、430不銹鋼以及6082鋁合金等4種不同規(guī)格的試樣進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)(其中BUSD-A和BUSD-B取自同一塊鋼板)。4種試樣的外形尺寸和標(biāo)距各異，約定應(yīng)變水平也存在不同(見(jiàn)表2，其中a0為試樣原始厚度，b0為試樣原始寬度，L0為原始標(biāo)距，Lc為試樣平行段長(zhǎng)度，Lt為試樣總長(zhǎng)度)。試樣的加工公差和形位公差均滿(mǎn)足ISO 10113:2020標(biāo)準(zhǔn)的要求。4種試樣的約定應(yīng)變水平為r5,r15,r8。

表2 驗(yàn)證試驗(yàn)試樣的參數(shù) mm

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 對(duì)人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)3種方式測(cè)試結(jié)果的分析

15家實(shí)驗(yàn)室中有10家參加了3種測(cè)試方式的驗(yàn)證，5家僅參加了全自動(dòng)方式的驗(yàn)證。由于各個(gè)實(shí)驗(yàn)室參與驗(yàn)證的項(xiàng)目和試樣數(shù)量均存在差異，因此后文各圖表中所列的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)存在8～35組不等的情況。2.1節(jié)至2.4節(jié)中所指的自動(dòng)測(cè)試方式均未扣除彈性變形。

BUSD-A試樣的數(shù)據(jù)分布如圖1所示(L0=80 mm)。從圖1整體上看，除了存在一個(gè)明顯異常的半自動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)3.40以外，大部分?jǐn)?shù)據(jù)為2.27～2.99。如果進(jìn)一步細(xì)分，自動(dòng)測(cè)試結(jié)果為2.40～2.99，平均值為2.617；人工測(cè)試結(jié)果的收斂性?xún)?yōu)于自動(dòng)測(cè)試結(jié)果的收斂性,人工測(cè)試結(jié)果為2.40～2.70，平均值為2.537；而半自動(dòng)測(cè)試結(jié)果為2.27～3.40。人工測(cè)試結(jié)果比自動(dòng)測(cè)試結(jié)果整體偏低。如果在自動(dòng)測(cè)試時(shí)對(duì)彈性變形進(jìn)行扣除，則結(jié)果偏高0.15左右。

圖1 BUSD-A試樣的數(shù)據(jù)分布

BUSD-B試樣的數(shù)據(jù)分布如圖2所示(L0=50 mm)。由圖2可知,全自動(dòng)測(cè)試結(jié)果仍然為2.39～3.06，平均值為2.635；人工測(cè)試結(jié)果明顯收斂，為2.41～2.77，平均值為2.542；半自動(dòng)測(cè)試結(jié)果為2.38～2.65。整體看，BUSD-B試樣與BUSD-A試樣的數(shù)據(jù)分布規(guī)律是類(lèi)似的，雖然存在數(shù)據(jù)波動(dòng)，但人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)測(cè)試結(jié)果的均值基本一致,其中人工和半自動(dòng)測(cè)試結(jié)果約為2.55，全自動(dòng)測(cè)試結(jié)果約為2.65。如果在自動(dòng)測(cè)試時(shí)對(duì)彈性變形進(jìn)行扣除，則測(cè)試結(jié)果更加遠(yuǎn)離人工測(cè)試結(jié)果。

圖2 BUSD-B試樣的數(shù)據(jù)分布

另外兩種材料的數(shù)據(jù)分布規(guī)律與BUSD試樣的數(shù)據(jù)分布規(guī)律基本一致。430不銹鋼試樣的數(shù)據(jù)分布如圖3所示(L0=50 mm)。6082鋁合金試樣的數(shù)據(jù)分布如圖4所示(L0=35 mm)。

圖3 430不銹鋼試樣的數(shù)據(jù)分布

圖4 6082鋁合金試樣的數(shù)據(jù)分布

對(duì)ISO 10113：2020標(biāo)準(zhǔn)中所列人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)3種測(cè)試方式進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論。

(1) 雖然存在數(shù)據(jù)的波動(dòng)，但人工、半自動(dòng)和全自動(dòng)3種測(cè)試結(jié)果的平均值較為接近。對(duì)于BUSD材料試樣，其人工和半自動(dòng)測(cè)試值約為2.55，全自動(dòng)測(cè)試值約為2.65，三者之間的差異小于0.10；對(duì)于430不銹鋼試樣，三者差異小于0.10；對(duì)于6082鋁合金試樣，三者差異小于0.04。

(2) 由于BUSD-A和BUSD-B試樣截取自同一塊鋼板，雖然其外形尺寸和應(yīng)變不同，但人工測(cè)試結(jié)果卻是基本一致的。這進(jìn)一步說(shuō)明r值作為一個(gè)材料特征參數(shù)，在塑性變形期間控制著材料的縱向和橫向變形，試樣形狀和應(yīng)變不會(huì)對(duì)r值造成影響。

(3) 半自動(dòng)和全自動(dòng)測(cè)試結(jié)果都存在明顯的離群數(shù)據(jù)；相對(duì)而言，人工測(cè)試結(jié)果不存在明顯的離群數(shù)據(jù)，這是因?yàn)楹笳呤艿降挠绊懸蛩叵鄬?duì)較少。

2.2 視頻引伸計(jì)測(cè)試結(jié)果分析

一般情況下，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為人工測(cè)試r值結(jié)果偏低是試樣的不均勻變形造成的。這是由于人工測(cè)試時(shí)，測(cè)量部位除了試樣中間區(qū)域外，還包含了標(biāo)距兩端，受過(guò)渡弧的約束，標(biāo)距兩端的變形量有時(shí)會(huì)低于中間區(qū)域。為了盡可能降低試樣不均勻變形的影響，GB/T 5027—2016標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)確保Lc≥(L0+2b0)，而ISO 10113:2020標(biāo)準(zhǔn)除了要求進(jìn)一步增加試樣平行段長(zhǎng)度Lc外，還提出了基于視頻引伸計(jì)的“多線測(cè)試”解決方案。

參加驗(yàn)證試驗(yàn)的15家實(shí)驗(yàn)室中有4家配備了視頻引伸計(jì)，其中2家實(shí)驗(yàn)室另外還提供了單線和多線之間的比對(duì)數(shù)據(jù)，視頻引伸計(jì)的測(cè)試結(jié)果如圖5～7所示。由圖5～7可知：視頻引伸計(jì)中的多線測(cè)試結(jié)果仍然呈現(xiàn)出較大的離散性，BUSD-A試樣的多線測(cè)試結(jié)果為2.40～3.00，三線測(cè)試結(jié)果為2.20～2.55；BUSD-B試樣的多線測(cè)試結(jié)果為2.40～3.10，三線測(cè)試結(jié)果為2.40～2.50。從兩家實(shí)驗(yàn)室提供的三線和多線測(cè)試結(jié)果看，BUSD材料試樣的三線測(cè)試結(jié)果多數(shù)情況下比多線測(cè)試結(jié)果低0.10左右，少數(shù)情況下兩者基本一致。對(duì)6082鋁合金試樣而言，三線測(cè)試結(jié)果偏高。

圖5 BUSD-A試樣的視頻引伸計(jì)測(cè)試結(jié)果(L0=80 mm)

圖6 BUSD-B試樣的視頻引伸計(jì)測(cè)試結(jié)果(L0=50 mm)

圖7 6082鋁合金視頻引伸計(jì)測(cè)試結(jié)果(L0=35 mm)

從視頻引伸計(jì)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果看，多線測(cè)試方式同樣無(wú)法有效避免數(shù)據(jù)的離散性問(wèn)題。實(shí)際上驗(yàn)證試驗(yàn)中大部分的離散數(shù)據(jù)都來(lái)源于視頻引伸計(jì)，這需要引起足夠重視。雖然在理論上，該方案有其科學(xué)性和先進(jìn)性的一面，但現(xiàn)階段測(cè)試的準(zhǔn)確性尚有待提高。三線測(cè)試結(jié)果有時(shí)比多線測(cè)試結(jié)果低，有時(shí)卻偏高,這一點(diǎn)也預(yù)示著試樣的不均勻變形問(wèn)題僅是一個(gè)可能性事件，而非確定性事件。

2.3 試樣不均勻變形的驗(yàn)證

為了證實(shí)試樣是否普遍存在不均勻變形，驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)試樣變形前后的尺寸進(jìn)行了人工實(shí)測(cè)，測(cè)試部位分別位于試樣中部以及靠近過(guò)渡弧的標(biāo)距兩端。有10家實(shí)驗(yàn)室參與了該項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如圖8～10所示。

圖8 BUSD-A試樣不同部位的橫向應(yīng)變(b0=20 mm)

圖9 BUSD-B試樣不同部位的橫向應(yīng)變(b0=12.5 mm)

從BUSD-A試樣的數(shù)據(jù)看，在應(yīng)變水平為5%時(shí)，有少部分實(shí)驗(yàn)室的兩端測(cè)試值偏低，但大部分實(shí)驗(yàn)室的中部測(cè)試值偏低。從BUSD-B試樣的數(shù)據(jù)看，在應(yīng)變水平為15%時(shí)，兩端測(cè)試值偏低。圖10中，部分實(shí)驗(yàn)室的兩端測(cè)試值偏低，但也有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室得出了相反的結(jié)果，即中部測(cè)試值偏低。

圖10 430不銹鋼試樣不同部位的橫向應(yīng)變(b0=12.5 mm)

總體上看，不同部位橫向應(yīng)變的差異并不明顯，標(biāo)距兩端的橫向應(yīng)變也并不總是偏低。一方面可能是受到人工測(cè)試的準(zhǔn)確度限制，另一方面也說(shuō)明試樣的不均勻變形并不確定。

試樣的橫向不均勻變形對(duì)r值的影響可以通過(guò)理論分析進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(1)r值對(duì)橫向應(yīng)變的測(cè)試極其敏感，實(shí)測(cè)r值與理論值的偏離、橫向應(yīng)變的偏離均呈正相關(guān)。這種偏離的程度越低，則實(shí)測(cè)r值曲線收斂程度越理想(見(jiàn)圖11)。對(duì)一個(gè)r值為2.6的理想試樣而言，在應(yīng)變水平為5%時(shí)：如果橫向應(yīng)變eb實(shí)測(cè)值存在±0.02%的偏離，則r值為2.55～2.65；如果eb實(shí)測(cè)值存在±0.05%的偏離，則r值為2.46～2.74；隨著應(yīng)變的增加，這種影響將逐步減弱，在應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)，r值為2.55～2.65。

圖11 橫向應(yīng)變eb不同偏離對(duì)r值為2.60的影響

(2) 隨著材料沿厚度方向變形能力的減弱(r的理論值降低)，橫向應(yīng)變測(cè)試對(duì)r值的影響將整體性減弱。對(duì)于一個(gè)r=1.7的理想試樣(見(jiàn)圖12)，在應(yīng)變水平為5%時(shí)：如果eb實(shí)測(cè)值存在±0.01%的偏離，則r值為1.68～1.72；如果eb實(shí)測(cè)值存在±0.05%的偏離，則r值將擴(kuò)大到1.62～1.78；隨著應(yīng)變水平的增加，這種影響將逐步減弱，在應(yīng)變水平為15%時(shí)，r值可縮小到1.66～1.74。

圖12 橫向應(yīng)變eb不同偏離對(duì)r值為1.70時(shí)的影響

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，即使標(biāo)距兩端和中間部位的橫向應(yīng)變(三者平均值)比單純?cè)谥胁繙y(cè)得的應(yīng)變低，兩者間的偏離在多數(shù)情況下也小于0.02%。結(jié)合圖11，12可知，這么小的差異不會(huì)對(duì)r值的測(cè)試結(jié)果造成太大影響。這至少說(shuō)明r值的人工測(cè)試結(jié)果整體性偏低不單純是試樣的不均勻變形造成的，可能還存在其他原因。

2.4 人工測(cè)試與自動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)存在差異的其他原因

如前所述，隨著可變標(biāo)距全自動(dòng)引伸計(jì)測(cè)試技術(shù)的引進(jìn)和普及，r值的測(cè)試進(jìn)入到一個(gè)全新的發(fā)展階段。但應(yīng)該注意該類(lèi)引伸計(jì)存在著結(jié)構(gòu)性缺陷：首先,對(duì)橫向引伸計(jì)而言，除了監(jiān)測(cè)范圍過(guò)窄之外，還存在自適應(yīng)問(wèn)題，即當(dāng)試樣縱軸與加載系統(tǒng)縱軸存在偏離時(shí)，引伸計(jì)測(cè)得的橫向變形偏大；其次,縱向引伸計(jì)標(biāo)距Le存在準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性問(wèn)題。

一般情況下，如果采用人工裝夾方式，試樣的縱軸與加載系統(tǒng)的縱軸難以重合，具體如圖13所示。

圖13 試樣縱軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)示意(以試樣寬度變形量Δb為例)

進(jìn)行人工測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)前b0=2×LFJ，卸載后測(cè)得Δb1卸=2×LIJ，因此人工橫向應(yīng)變?yōu)?/p>

(1)

當(dāng)采用橫向引伸計(jì)測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)前Le=2×LFJ，停機(jī)時(shí)刻Δb1加=2×LTK，因此引伸計(jì)的橫向應(yīng)變?yōu)?/p>

(2)

如果將彈性變形LTH扣除，則Δb1加-Δb彈性=2×LHK，引伸計(jì)橫向應(yīng)變可修正為

(3)

可見(jiàn)，在試樣縱軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況下，即便扣除彈性應(yīng)變，由于

(4)

在理論上都無(wú)法確保eb塑性=eb人工,如果不扣除彈性應(yīng)變，則

(5)

與此同時(shí)，試樣的偏轉(zhuǎn)不會(huì)對(duì)縱向引伸計(jì)的測(cè)試造成類(lèi)似影響，這是由于縱向、橫向應(yīng)變測(cè)試對(duì)原始標(biāo)距Le的定義不同，因此卸載后人工測(cè)得的試樣長(zhǎng)度方向應(yīng)變eL人工與引伸計(jì)測(cè)得的試樣長(zhǎng)度方向應(yīng)變eL引伸計(jì)較為接近。但對(duì)于橫向應(yīng)變，人工測(cè)得的eb人工比引伸計(jì)測(cè)得的縱向應(yīng)變eb引伸計(jì)低，即使考慮彈性應(yīng)變的影響，大部分的eb人工也比eb引伸計(jì)低0.1%左右。圖14為卸載后測(cè)得BUSD-B試樣的eb人工與eb引伸計(jì)。

圖14 卸載后測(cè)得BUSD-B試樣的eb人工與eb引伸計(jì)(L0=50 mm)

理論分析表明：對(duì)于BUSD-B試樣，如果試樣縱軸的偏轉(zhuǎn)角度超過(guò)6°，那么人工測(cè)得的Δb1卸可能比引伸計(jì)測(cè)得的Δb1加偏低0.007 mm左右，這會(huì)造成人工測(cè)得的r值整體偏低0.05；偏轉(zhuǎn)角度如果超過(guò)8°，那么人工測(cè)得的Δb1卸偏低0.012 mm，這會(huì)造成人工測(cè)得的r值整體偏低0.10。因此，除非試樣縱軸與加載系統(tǒng)縱軸完全重合，否則人工測(cè)試r值整體偏低。

綜上所述，人工測(cè)試r值偏低的原因除了試樣的不均勻變形外，還有可能是橫向引伸計(jì)無(wú)法適應(yīng)試樣的偏轉(zhuǎn)。除非采用自動(dòng)裝夾機(jī)械手，否則對(duì)于人工裝夾試樣，全自動(dòng)引伸計(jì)未能很好地解決這一問(wèn)題。

除了橫向測(cè)試外，自動(dòng)引伸計(jì)還存在縱向標(biāo)距Le的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性問(wèn)題。為了靈活地調(diào)節(jié)標(biāo)距Le，該類(lèi)引伸計(jì)采用了特殊的杠桿式平衡結(jié)構(gòu)。客觀地說(shuō)，Le的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性并沒(méi)有帶插銷(xiāo)的手動(dòng)引伸計(jì)高，只要縱向標(biāo)距Le與理想值存在偏離，就會(huì)產(chǎn)生縱向變形的測(cè)試誤差，更嚴(yán)重的是會(huì)造成指向性錯(cuò)誤，從而扭曲縱向和橫向變形兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這也是r值數(shù)據(jù)波動(dòng)的原因之一。

為了說(shuō)明縱向引伸計(jì)標(biāo)距Le偏差對(duì)r值測(cè)定的影響，假設(shè)存在編號(hào)為B～F的5支縱向引伸計(jì)，其名義標(biāo)距Le均為50 mm，其中C，E為0.5級(jí)引伸計(jì)，B，F(xiàn)為1級(jí)引伸計(jì)。如果使用的是編號(hào)F的1級(jí)引伸計(jì)，由于標(biāo)距存在負(fù)偏差-1.0%，那么其實(shí)際標(biāo)距Le″為49.5 mm。經(jīng)推算可知，編號(hào)F引伸計(jì)測(cè)得的15%應(yīng)變與實(shí)際情況存在一定偏離，此時(shí)試樣的實(shí)際變形應(yīng)為15.15%(見(jiàn)表3，ΔL為試樣長(zhǎng)度變形量)。

表3 縱向引伸計(jì)Le偏差所導(dǎo)致的指向異常

但即使編號(hào)為F的縱向引伸計(jì)所指向的15%應(yīng)變與試樣實(shí)際產(chǎn)生的15.15%應(yīng)變存在偏離，測(cè)試系統(tǒng)也無(wú)法識(shí)別并修正這種偏離。這種指向性錯(cuò)誤將導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生“邏輯錯(cuò)位”，即縱向引伸計(jì)所指向的15%應(yīng)變水平與橫向引伸計(jì)感知的15.15%實(shí)際應(yīng)變水平不對(duì)應(yīng)，但系統(tǒng)仍錯(cuò)誤地將兩者認(rèn)定為一對(duì)數(shù)據(jù)組代入公式，計(jì)算出一個(gè)錯(cuò)誤的結(jié)果。與此類(lèi)似，可以將表3中編號(hào)為B～F的引伸計(jì)依次裝夾到理想試樣上，上述關(guān)系錯(cuò)位造成的影響如表4所示。

從表4可以看出，不考慮其他影響因素，如果試樣裝夾的是編號(hào)分別為C，E的0.5級(jí)引伸計(jì)，則r值為2.56～2.65；如果試樣裝夾的是編號(hào)分別為B，F(xiàn)的1級(jí)引伸計(jì)，r值為2.52～2.69。從這些數(shù)據(jù)可以看出，只要縱向引伸計(jì)的標(biāo)距Le與理想值存在偏離，那么r值的波動(dòng)將不可避免。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，肯定還疊加有其他的影響因素，r值的波動(dòng)性有可能緩解也可能進(jìn)一步加劇。

表4 測(cè)試系統(tǒng)邏輯性錯(cuò)位對(duì)r值的影響

r值的準(zhǔn)確性完全取決于試樣的縱向變形和橫向變形能否被準(zhǔn)確地測(cè)試出來(lái)，并且在測(cè)試的同時(shí)，不扭曲兩者之間(幾何上以及邏輯上)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，目前廣泛采用的全自動(dòng)引伸計(jì)可能存在著如下幾個(gè)問(wèn)題。

(1) 對(duì)人工裝夾試樣而言，試樣縱軸的偏轉(zhuǎn)是不可避免的，如果引伸計(jì)無(wú)法適應(yīng)這種偏轉(zhuǎn)，就可能扭曲了縱向變形和橫向變形之間的幾何關(guān)系，引伸計(jì)測(cè)得的橫向變形偏高。由于r值對(duì)試樣的橫向變形極其敏感，并且兩者呈正相關(guān)，因此自動(dòng)測(cè)試得到的r值存在被高估的風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 縱向引伸計(jì)實(shí)際上擔(dān)負(fù)著“測(cè)試”和“指向”的雙重職責(zé)，如果縱向標(biāo)距Le與理想值存在偏離，則不僅會(huì)產(chǎn)生測(cè)試誤差，更嚴(yán)重的是“指向性錯(cuò)誤”扭曲了縱向和橫向變形兩者間的邏輯關(guān)系，這也是r值數(shù)據(jù)波動(dòng)的主要原因之一。如果想減小這種負(fù)面影響，就要提高縱向引伸計(jì)標(biāo)距Le的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性，這對(duì)設(shè)備生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

(3) 對(duì)設(shè)備使用者而言，在日常工作中，應(yīng)該注意采取措施對(duì)自動(dòng)引伸計(jì)標(biāo)距Le進(jìn)行維護(hù)和主動(dòng)修正，否則其計(jì)量特性超出規(guī)定是完全有可能的。

2.5 彈性變形對(duì)r值的理論影響

在r值的計(jì)算公式中扣除彈性變形最早始于標(biāo)準(zhǔn)ISO 10113：2006，這種扣除僅是一種形式上的虛擬性卸載，其與真實(shí)的人工卸載測(cè)試有著本質(zhì)上的區(qū)別。為了便于后續(xù)開(kāi)展對(duì)驗(yàn)證數(shù)據(jù)的分析，首先利用ISO 10113：2020的新公式進(jìn)行理論推算，找出彈性變形對(duì)r值的一些理論性影響。

(1) 扣除彈性變形后，r值曲線自上而下隨應(yīng)變水平的增加逐步向理想加載值收斂。材料的屈服強(qiáng)度等級(jí)越低，則彈性變形越小，r值曲線的分布更靠近內(nèi)側(cè)，曲線收斂得越早，收斂程度越理想。

(2) 應(yīng)變水平越小，彈性扣除對(duì)r值造成的理論影響就越大。以BUSD-A試樣為例，一個(gè)r值為2.6的理想試樣在應(yīng)變?yōu)?%時(shí)：如果材料的屈服強(qiáng)度等級(jí)為200 MPa，則r值將偏高0.10；如果屈服強(qiáng)度提高到600 MPa，則r值將偏高0.35；隨著應(yīng)變水平的增加，這種影響將逐步減弱，在應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)，兩者間的理論差異可減小到小于0.05(見(jiàn)圖15)。

圖15 BUSD-A試樣屈服強(qiáng)度等級(jí)對(duì)r值的理論影響

上述規(guī)律是基于ISO 10113：2020標(biāo)準(zhǔn)中鋼鐵材料泊松比ν為0.3推導(dǎo)出的。如果在軟件中采用實(shí)測(cè)的泊松比ν，將使彈性變形扣除的問(wèn)題更加復(fù)雜化。泊松比越大，曲線的收斂性越好，泊松比越小，曲線的收斂性越差。

6082鋁合金試樣強(qiáng)度等級(jí)對(duì)r值的理論影響如圖16所示，曲線在更低的應(yīng)力下會(huì)向理想值收斂。在應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，即使材料的強(qiáng)度等級(jí)高達(dá)2 000 MPa，經(jīng)過(guò)扣除后的r值理論上也僅偏高0.015。

圖16 6082鋁合金試樣強(qiáng)度等級(jí)對(duì)r值的理論影響

驗(yàn)證試驗(yàn)的數(shù)據(jù)與上述理論推算結(jié)果基本相符。BUSD材料試樣彈性變形對(duì)r值實(shí)際影響如圖17～18所示。由圖17～18可知，扣除彈性變形后，r值會(huì)整體性偏高，5%小變形情況下偏大0.15左右；在15%大變形情況下，偏大值<0.05?？梢?jiàn)，應(yīng)變水平越低，則彈性扣除對(duì)r值造成的影響就越大。但隨著應(yīng)變的增大，這種影響將明顯減弱，對(duì)強(qiáng)度級(jí)別低于400 MPa的材料，15%應(yīng)變下兩者間的理論差值通常可減小到0.05以?xún)?nèi)。但在圖17～18中，也有少量數(shù)值與上述規(guī)律存在差異，這一方面可能是因?yàn)閺椥远涡甭蕀E存在差異，另一方面可能是因?yàn)椴糠周浖脤?shí)測(cè)泊松比計(jì)算。

圖17 BUSD-A試樣彈性變形對(duì)r值的實(shí)際影響

圖18 BUSD-B試樣彈性變形對(duì)r值的實(shí)際影響

6082鋁合金試樣彈性變形對(duì)r值的實(shí)際影響如圖19所示。由圖19可知，6082鋁合金試樣扣除彈性變形后的r值僅偏高0.01左右。這也證實(shí)，如果材料沿厚度方向的變形能力有所減弱，那么彈性變形扣除對(duì)r值的影響將整體減弱。對(duì)r為0.6的理想試樣而言，彈性變形的影響基本可以忽略。

圖19 6082鋁合金試樣彈性變形對(duì)r值的實(shí)際影響

ISO 10113：2020標(biāo)準(zhǔn)希望借助計(jì)算公式對(duì)彈性變形進(jìn)行扣除，通過(guò)這樣的虛擬性卸載，可在理論上保證全自動(dòng)、半自動(dòng)和人工測(cè)試方式的統(tǒng)一，即經(jīng)過(guò)軟件扣除彈性變形后的r值與人工測(cè)試值更加接近，但驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如下所述。

(1) 加載條件下的r值與人工測(cè)試值較為接近，經(jīng)軟件扣除彈性變形后的r值反而有整體偏高的趨勢(shì)，在低應(yīng)變時(shí)這種差異尤為明顯。這說(shuō)明在真實(shí)卸載的情況下，彈性變形僅是影響r值結(jié)果的眾多因素之一。

(2) 結(jié)合BUSD-A和BUSD-B材料的人工測(cè)試數(shù)據(jù)可知：r值是一個(gè)控制材料縱向或橫向變形的特征參數(shù)，在5%～15%的整個(gè)塑性變形區(qū)間，可以保持一個(gè)相對(duì)恒定的r值2.55，如果在5%的低應(yīng)變下對(duì)彈性變形進(jìn)行扣除，r值將提高到2.70，這會(huì)對(duì)試驗(yàn)人員造成誤導(dǎo)。

3 結(jié)語(yǔ)及建議

(1) 雖然r值有波動(dòng)，但人工、半自動(dòng)和自動(dòng)3種測(cè)試結(jié)果的均值較為接近。整體上看自動(dòng)測(cè)試結(jié)果的離散性最大，人工測(cè)試結(jié)果的離散性最小。人工測(cè)試結(jié)果雖然在橫向尺寸的測(cè)試精度上比自動(dòng)測(cè)試結(jié)果略差，但在縱向尺寸測(cè)試精度上有明顯優(yōu)勢(shì)，并且在測(cè)試的同時(shí)不會(huì)扭曲縱向和橫向之間的(幾何以及邏輯上)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2) 在自動(dòng)測(cè)試時(shí)，縱向引伸計(jì)實(shí)際擔(dān)負(fù)著“測(cè)試”和“指向”的雙重職責(zé)，由于縱向引伸計(jì)存在的“指向性”錯(cuò)誤會(huì)造成縱向和橫向變形兩者間的邏輯關(guān)系錯(cuò)位，這也是r值波動(dòng)的主要原因之一。

(3) 從視頻引伸計(jì)的實(shí)際應(yīng)用效果看，無(wú)論是視頻引伸計(jì)的三線法或是多線法，都無(wú)法有效避免數(shù)據(jù)的離散性問(wèn)題。

(4) 人工測(cè)試雖然效率低，且難以適應(yīng)大生產(chǎn)條件下的批量測(cè)試，但其準(zhǔn)確性和可靠性是半自動(dòng)和全自動(dòng)方式無(wú)法比擬的。

(5) 在加載條件下不扣除彈性變形測(cè)得的r值與人工測(cè)試r值更加接近，而扣除彈性變形后的r值反而有整體偏高的趨勢(shì)，那么在國(guó)標(biāo)GB/T 5027—2016中保留傳統(tǒng)的r值計(jì)算公式還是有必要的。

(6) 需要了解引伸計(jì)縱向標(biāo)距Le的重要性。

(7) 結(jié)合半自動(dòng)(卸載)測(cè)試方式對(duì)試樣的變形尺寸開(kāi)展檢查是非常有意義的，借助這種可重復(fù)、可再現(xiàn)的方式，可以便捷地確定影響r值測(cè)定的關(guān)鍵因素。

致謝

全國(guó)鋼標(biāo)委董莉教授和侯慧寧工程師組織了此次能力驗(yàn)證比對(duì)活動(dòng)，參加驗(yàn)證的單位有：寶鋼股份武鋼有限技術(shù)中心、寶鋼股份武鋼有限質(zhì)檢中心、寶鋼股份中央研究院、寶鋼股份檢化驗(yàn)中心、廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院、本鋼技術(shù)研究院、西南鋁業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)中心、廣州海關(guān)技術(shù)中心、山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心、國(guó)標(biāo)(北京)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司、首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院、力試(上海)科學(xué)儀器有限公司、深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司、英斯特朗試驗(yàn)貿(mào)易(上海)有限公司、茲韋克羅睿試驗(yàn)機(jī)科技(上海)有限公司。

寶鋼股份湛江鋼鐵、北京有色院和太鋼不銹為驗(yàn)證工作提供了試驗(yàn)樣品，武鋼有限質(zhì)檢中心也給予了大力支持，在此一并致謝！