TC11鈦合金幾種不同橫梁位移速率下拉伸試驗的K值關系分析

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]標準發布實施已有近十年的時間，相關的討論和爭論不斷[2-5]，主要的關注焦點集中在方法A2上，方法A2是橫梁位移速率控制，對于試樣的實際應變速率是處于一種開環控制狀態，并不像方法A1那樣的閉環控制狀態。試樣的應變速率受到試驗機系統的柔度變形影響，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，因此，在拉伸試驗的初始階段，橫梁位移的相當部分被用于消除試樣鏈系統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進行拉伸試驗。

科學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]國際標準于2016年正式發布，國家標準制修訂小組針對目前關注的焦點問題，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 “考慮試驗機剛度（或柔度）后估算的橫梁位移速率”進行修訂。擬通過相關理論推導和試驗驗證找到“考慮試驗機系統變形情況對橫梁位移速率進行補償的方法”，也就是修正后的A2方法。

通過選取3種不同的拉伸試驗機針對TC11鈦合金棒樣進行不同位移速率下的室溫拉伸試驗，發現了彈性階段和屈服階段試驗機系統K值的變化規律，為修訂GB/T 228.1—2010標準做好了相應的試驗驗證工作。

1 拉伸試驗及試驗結果

選取直徑為5 mm的TC11鈦合金標準圓棒拉伸試樣，見圖1。分別在3個單位，用MTS C5.105、ZWICK 600和ZWICK Z250 3種不同規格型號的電子拉伸試驗機進行試驗。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進行。在試樣上裝夾引伸計，通過繪制載荷-時間曲線和應變-時間曲線，分別測量Fp0.2感興趣點處和彈性階段的80%Fp0.2處試樣上的真實應變速率p,m，通過比較試樣平行長度LC估計的應變速率LC與相應感興趣點處試樣上真實應變速率p,m的比值分別得到Ke和Ky，試驗結果詳見表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橫梁位移速率vc 與K值試驗數據1)-2)

2 拉伸試驗結果分析

從表1中的試驗結果可以看出在試樣LC估計的應變速率與彈性階段 8 0%Fp0.2處試樣上測量的應變速率的比值Ke和試樣LC估計的應變速率與塑性屈服階段Fp0.2處試樣上測量的應變速率的比值Ky計算中，是有差異的。這些數據表明型號、規格、夾持方式不同的試驗機，其拉伸系統柔度（或剛度）是有差異的。但是每臺試驗機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，外套移動液壓夾具，試驗機剛度較大，試驗機拉力系統柔度較小。在彈性變形階段，試樣LC估計的應變速率與引伸計應變速率之比值系數Ke為3.85；在屈服階段試樣LC估計的應變速率與引伸計應變速率之比值系數Ky為1.16。

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

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

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

表2 K值的分散性（相對標準偏差）

從表2中K值的分散性來看，相同試樣和相同試驗設備，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，差別并不大（無本質上的差別），而橫梁位移速率試驗范圍從0.000 25LC/s至0.002LC/s，相差8倍。據此可以認為：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。這為后續采用A2法考慮試驗機系統變形情況對橫梁位移速率補償的方法奠定了基礎。

3 試驗討論

3.1 K值的變化趨向和取值范圍

從表1中的數據可以看出，采用方法A2進行的拉伸試驗，試驗初始階段中K值處于較高的值，隨著試驗進行其值逐漸降低，如果呈現平臺屈服，其值接近1[1-2]，如果呈現連續屈服，例如在屈服強度Rp0.2附近其值呈現大于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，造成平行長度的應變速率與目標應變速率相差較大。進入屈服階段K值較低，甚至接近1，是因為進入屈服階段，力的增加速率比彈性直線階段的低，試驗機系統的應變速率分量增速相對降低，而平行長度的應變速率分量增速相對較快，而且逐漸接近目標應變速率。

表1中的K值，其取值范圍為K≥1，較高的值表示試驗機系統應變速率分量較大。K=1，在理論上表示試驗機系統應變速率分量為零，換句話說，試驗機系統剛度無限大，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，當試樣呈現不連續的平臺屈服狀態時，在平臺屈服范圍內會出現K=1情況，這是因為屈服平臺區的應力-應變曲線的斜率m值為零而導致ISO 6892—1:2016[8]中公式（F.2）右邊括號內第1項的值為零，由此而產生橫梁位移速率全部轉移成平行長度的伸長速率，此時平行長度的應變速率與平行長度估計的應變速率相同，即。實際試驗也已測量得平臺屈服區K=1或K?1情況。鑒于這種情況存在，對于呈現單一平臺屈服狀態的材料試驗，測定屈服強度時可以不做橫梁位移速率的補償。

3.2 K值補償應用于彈性階段以縮短試驗總耗時

當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，建議預備試驗時測量K值的點選在材料屈服強度Rp0.2的80%附近處，以便有足夠區間能將橫梁位移速率平滑轉換至屈服階段所需的橫梁位移速率。

4 結束語

1）相同試樣和相同試驗設備，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，隨著試驗進行其值逐漸降低；進入屈服階段K值較低，甚至接近1。

3）將Ke值補償應用于彈性階段可以縮短試驗總耗時。