摘 要:根據(jù) GB/T228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)中金屬材料最大力塑性延伸率的定義及公式,結(jié)合材料變 形的物理原理及卸載定律,建立了一種新的金屬材料最大力塑性延伸率測(cè)量方法。結(jié)果表明:該方 法既符合 GB/T228.1—2010標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)最大力塑性延伸率的定義,又克服了引伸計(jì)測(cè)量法的缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:拉伸試驗(yàn);測(cè)量方法;最大力塑性延伸率;標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號(hào):TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2022)06-0075-03

最大力塑性延伸率 Ag 是 GB/T228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》中 表征金屬材料力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo),其基本定 義是最大力時(shí)原始標(biāo)距的塑性延伸與引伸計(jì)標(biāo)距之 比的百分率。標(biāo)準(zhǔn)給出的測(cè)量方法為:在用引伸計(jì) 得到的力-延伸曲線上,從最大力時(shí)的總延伸中扣除 彈性延伸部分,即得到最大力時(shí)的塑性延伸,將其除 以引伸計(jì)標(biāo)距得到Ag。計(jì)算公式為

式中:ΔLm 為最大力時(shí)的總延伸長度;Le 為引伸計(jì) 標(biāo)距;Rm 為抗拉強(qiáng)度;mg 為應(yīng)力-延伸率曲線彈性 部分的斜率;Agt 為最大力總延伸率;εe 為力-延伸 曲線上彈性部分的應(yīng)變。

先在拉伸試驗(yàn)過程中的拉伸曲線的最大力處 讀出引伸計(jì) 給 出 的 伸 長 率,將 該 值 作 為 材 料 的 最 大力總延伸率,然后在力-延伸曲線上求出彈性應(yīng) 變?chǔ)舉,再根據(jù)式(1)計(jì)算出最大力塑性延伸率。這 一方法通常被稱為引伸計(jì)法,雖然該方法直觀、科 學(xué)、準(zhǔn)確,但 容 易 受 到 引 伸 計(jì) 的 引 伸 距 離 不 夠 長、 測(cè)試時(shí)不夠 安 全,以 及 測(cè) 量 時(shí) 操 作 人 員 精 力 分 散 的影響。

依據(jù)金屬材料變形的物理原理及卸載定律,建 立了一個(gè)新的材料最大力塑性延伸率的測(cè)量方法, 該方法既能符合 GB/T228.1—2010給出的最大力 塑性延伸率的定義,又能克服利用引伸計(jì)法測(cè)量的 各種缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)科學(xué)有效、簡便安全的測(cè)量。

1 測(cè)量原理

材料在外力的作用下會(huì)產(chǎn)生變形,且隨著外力 的增加,材料的變形增加,直至斷裂。典型的金屬材 料拉伸曲線如圖1所示。

如果當(dāng)應(yīng)力小于彈性極限時(shí)停止加載,并將載荷逐漸減小至零,即卸去載荷,則可以看到,在卸載 過程中,應(yīng)力-應(yīng)變曲線將沿著原路徑aO 回到O 點(diǎn) (見圖1),變形完全消失;如果在超過彈性極限后, 如在硬化階段,某一點(diǎn)c的載荷逐漸減小,則卸載過 程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1中的cO1 所示,該直線 與Oa 幾乎平行。線段O1O2 代表隨卸載而消失的 應(yīng)變,即彈性應(yīng)變?chǔ)舉;而線段OO1 則代表應(yīng)力減小 至零時(shí)殘留的應(yīng)變,即塑性應(yīng)變或殘余應(yīng)變?chǔ)舙。由 此可見,當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后,材料的應(yīng)變包括彈 性應(yīng)變?chǔ)舉 和塑性應(yīng)變?chǔ)舙,但在卸載過程中,應(yīng)力與 應(yīng)變之間仍保持線性關(guān)系,即 Δσ=Δε,這稱為卸載 定律[1]。

該方法的基本思路是在金屬材料拉伸曲線上達(dá) 到最大應(yīng)力處立即停止施加外力并卸載,然后取下 試樣,根據(jù)卸載定律,當(dāng)卸載后,彈性變形部分消失, 只保留了塑性變形部分。這樣,最大力處卸載后測(cè) 量的試樣的伸長即為塑性伸長,按 GB/T228.1— 2010給出的定義,即可計(jì)算出Ag。即

式中:ΔLg 為最大力時(shí)的塑性延伸長度;Le 為引伸 計(jì)標(biāo)距。

該方法的創(chuàng)新之處為:科學(xué)利用材料變形的物 理原理及卸載定律,結(jié)合最大力塑性延伸率的定義, 建立了一個(gè)科學(xué)有效、簡便安全的材料最大力塑性 延伸率的直接測(cè)量方法。

2 測(cè)量方法

2.1 試樣

以牌號(hào)分別為 HRB400,HRB400E,HRB600, HRB500E,HRBF400,HRBF500E的國產(chǎn)熱軋螺紋 鋼為試驗(yàn)對(duì)象,每10個(gè)試樣為一組(具有相同的牌 號(hào)和規(guī)格),試樣來自不同的生產(chǎn)廠家和爐批號(hào)。測(cè) 量結(jié)果與已有足夠引伸距離引伸計(jì)的直接測(cè)量結(jié)果 進(jìn) 行 比 較。 螺 紋 鋼 試 樣 表 面 狀 態(tài) 符 合 GB/T228.1—2010的有關(guān)要求,試樣夾具間的最小自由 長度如表1所示。

在試樣的自由長度范圍內(nèi),均勻劃分為10mm 或5mm 的 等 距 標(biāo) 距,標(biāo) 距 的 劃 分 和 測(cè) 量 應(yīng) 符 合 GB/T228.1—2010的有關(guān)規(guī)定。

2.2 測(cè)量方法

按照 GB/T228.1—2010進(jìn)行螺紋鋼的拉伸試 驗(yàn),當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到應(yīng)力最大值時(shí),立即停止 加載并卸載,然后取下試樣并進(jìn)行測(cè)量。

以試樣自由長度處的100mm 為初始長度L0, 測(cè)量試樣最大力時(shí)的伸長Lp。按照材料拉伸時(shí)的 卸載定律,卸載后測(cè)量到的伸長 Lp 即為最大力時(shí) 的塑性伸長,按照式(2)即可計(jì)算出螺紋鋼的最大力 塑性延伸率Ag。

3 測(cè)量結(jié)果及驗(yàn)證

利 用 上 述 方 法,采 用 電 子 拉 力 試 驗(yàn) 機(jī) (INSTRON5500R)和萬能材料試驗(yàn)機(jī)(INSTRON 5592)以相同的速率對(duì)不同牌號(hào)螺紋鋼的最大力塑 性延伸率進(jìn)行了測(cè)量,并與引伸計(jì)直接讀數(shù)法的測(cè) 量結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果如表2所示。

由表2可知,該方法測(cè)量的螺紋鋼最大力塑性 延伸率與引伸計(jì)法測(cè)量的結(jié)果有很好的一致性。

4 不確定度評(píng)估

依據(jù) GB/T228.1—2010附錄 L對(duì)斷后伸長率 不確定度的評(píng)定,其測(cè)量不確定度主要來源于4個(gè) 方面:測(cè)量重復(fù)性、試樣原始標(biāo)距[2]、斷后伸長率及 數(shù)值 修 約,其 相 對(duì) 標(biāo) 準(zhǔn) 不 確 定 度 分 別 為 1.31%, 0.58%,1.32%,0.66%。斷后伸長率的相對(duì)合成不 確定度為2.05%,相對(duì)擴(kuò)展不確定度為4.1%。

與斷后伸長率的測(cè)量方法不同,測(cè)量螺紋鋼最 大力塑性延伸率時(shí),拉伸試驗(yàn)時(shí)無法立即確定拉伸 應(yīng)力是否到了最高點(diǎn),只有當(dāng)拉伸應(yīng)力不繼續(xù)上升 或瞬時(shí)開始下降時(shí)才能確定拉伸應(yīng)力已經(jīng)到了最高 點(diǎn),因此在實(shí)際測(cè)量時(shí)會(huì)因?yàn)闄z驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)及能 力帶來一定測(cè)量誤差。筆者認(rèn)為這部分的不確定度 屬于測(cè)量重復(fù)性。依據(jù) GB/T28900—2012 《鋼筋 混凝土用鋼材試驗(yàn)方法》,測(cè)量重復(fù)性帶來的偏離值 約為0.2%,將該數(shù)值加到測(cè)量重復(fù)性的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn) 不確定度中,并依據(jù) GB/T228.1—2010附錄 L,可 計(jì)算出測(cè)量重復(fù)性相對(duì)不確定度為1.833%,其他 試樣的原始標(biāo)距、斷后伸長及數(shù)值修約的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn) 不確定度不變。這樣就可計(jì)算出上述方法測(cè)量 Ag 的相對(duì)合成不確定度為2.42%,相對(duì)擴(kuò)展不確定度 為4.84%。

5 結(jié)語

依據(jù)材料變形的物理原理及卸載定律,并結(jié)合 GB/T228.1—2010給出的 Ag 的定義,建立了一種 新的金屬材料 Ag 的測(cè)量方法,與引伸計(jì)法的測(cè)量 結(jié)果具有很好的一致性,在實(shí)際測(cè)量中具有很好的 操作性。

理論和驗(yàn)證試驗(yàn)證明該方法可以作為大生產(chǎn)檢 驗(yàn)的輔助方法,但建議仲裁試驗(yàn)時(shí)使用引伸計(jì)法。

參考文獻(xiàn):

[1] 蘇振超.材料力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2016.

[2] 羅五四.冷軋薄鋼板拉伸試樣尺寸對(duì)斷后伸長率和最 大力總伸長率影響的對(duì)比[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)), 2011,47(8):469-475.

<文章來源>材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 58卷 > 6期 (pp:75-77)>