接觸式引伸計異常對塑性應變比測試的影響

張宏嶺, 向 前, 金 鑫, 熊立波, 陳慈輝, 王 心, 左李欣

(武鋼有限質檢中心， 武漢 430083)

塑性應變比(r值)反映了金屬薄板在拉伸加載過程中抵抗變薄破斷的能力[1]，不同取樣方向測得的r值可以反映材料自身的各向異性。在單軸拉伸力的作用下，將試樣拉伸到均勻塑性變形階段，當達到規定的工程應變水平時，測試并計算試樣的長度和寬度變化，再利用塑性變形前后體積不變原理導出的公式計算得到r值。

常見的影響r值測試結果的因素有：不同的測試方式和評估方法、試樣(彎、扭、弓形等異常)的對中性、試樣制備(試樣表面和邊緣質量)、實驗室的條件、縱向和橫向引伸計測試、試樣的非均勻變形等。其中縱向和橫向引伸計直接與試樣接觸，是最關鍵的因素。筆者選取了縱向和橫向引伸計抖動、夾持不良、下垂、定位不準等異常導致r值測試結果偏差的案例，并對其進行了深入分析，找到了一些處理措施，以供業內人士參考。

1 試驗材料及試驗條件

試驗材料為冷軋特級超深沖鋼；GB-P6樣(標距80 mm、寬度20 mm)，JIS-5樣(標距50 mm、寬度25 mm)；采用Z050、 Z100型全自動拉伸試驗機(0.5級精度)和接觸式縱向、橫向高分辨率數字引伸計(0.5級精度)；采用GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》標準測試；橫梁位移控制等效應變速率為0.000 25 s-1,屈服后應變速率為0.006 7 s-1。

2 試驗案例

2.1 案例1(橫向引伸計抖動)

在自動拉伸試驗機上，對一件DC06牌號的標準P6試樣進行自動測試，測試參數設置滿足標準GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》要求，r值測試結果為8.463，而該類鋼材的r值一般為2.6～3.0，結果明顯偏高。

寬度方向塑性變形y軸存在正向偏離的r值-應力關系曲線如圖1所示，寬度方向塑性變形有明顯突變的r值-應力關系曲線如圖2所示。經過分析發現：在塑性應變為-0.6%～0.6%時，寬度方向塑性變形的y軸存在正向偏離；在塑性應變為-10%～10%時，應力達到158 MPa時寬度方向塑性變形有明顯突變。

圖1 寬度方向塑性變形y軸存在正向偏離的r值-應力關系曲線(案例1)

圖2 寬度方向塑性變形有明顯突變的r值-應力關系曲線(案例1)

由伸長率-寬度變化曲線(見圖3)可知，曲線存在明顯突變點，說明橫向引伸計發生抖動。經過調查發現，橫向引伸計的一組接觸柱的固定螺釘出現輕微松動，測試過程中接觸柱與試樣滑動時出現異常抖動，導致橫向引伸計跟蹤錯誤。

圖3 伸長率-寬度關系曲線(案例1)

2.2 案例2(引伸計夾持不良)

在自動拉伸試驗機上，對一組WEDQ牌號的標準5號試樣進行自動測試，測試參數設置滿足標準GB/T 228.1—2010要求，r值測試結果為0或大于100，而該類鋼材的r測試值一般為2.8～3.2，測試結果明顯異常。

測試時間-寬度關系曲線如圖4所示，經分析發現：測試時間為3 s時，縱向及橫向引伸計跟蹤曲線都出現異常抖動。經過調查可知，這是因為橫向引伸計在初始夾持試樣時，夾持位置在夾持柱外側，在拉伸過程中，橫向引伸計抖動，同時帶動縱向引伸計抖動。

圖4 測試時間-寬度關系曲線(案例2)

2.3 案例3(橫向引伸計下垂)

在自動拉伸試驗機上，對一件WDQ牌號的標準5號試樣進行自動測試，測試參數設置滿足標準GB/T 228.1—2010要求，r值測試結果為3.35，而該類鋼材的r值一般為2.7～3.2，測試結果偏高。

寬度、長度方向塑性變形的r值-應力關系曲線如圖5所示。經過分析發現：隨著應變的增大，r值逐步增大。經過調查發現，寬度引伸計輕微下垂，5號試樣標距僅50 mm，在拉伸過程中，寬度引伸計與縱向引伸計夾持臂發生接觸，導致縱向引伸計跟蹤不良。

圖5 寬度、長度方向塑性變形的r值-應力關系曲線(案例3)

2.4 案例4(縱向引伸計定位不準)

在自動拉伸試驗機上，對一件DC06牌號的標準P6試樣進行自動測試，測試參數設置滿足要求，r值測試結果為3.25，而該類鋼材的r值一般為2.6～3.0，測試結果異常。

寬度、長度方向塑性變形的r值-塑性應變和應力-塑性應變關系曲線如圖6所示，經過分析發現：r值衰減幅度較大，經過調查發現，縱向引伸計的原始標距定位明顯小于設定值。

圖6 寬度、長度方向塑性變形的r值-塑性應變和應力-塑性應變關系曲線(案例4)

3 異常數據理論分析

測試r值時，使用式(1)進行計算，由于r值的評估只針對塑性變形階段，因此試驗機采集厚度、寬度、標距等數據時不考慮彈性階段的影響，使用式(2)～(3)進行計算。

(1)

(2)

(3)

式中：b0為初始試樣寬度；b1為試樣經過應變并卸載后的平均寬度；Δbplast為試樣在參考位置的橫向塑性應變；L0為引伸計的測試長度；L1為試樣經過約定應變并卸載后的標距長度；ΔL為試樣在參考位置的塑性伸長；Δb為引伸計的測試寬度；ν為泊松比，鋼鐵材料一般取0.3；E為彈性模量；σ為試樣在參考位置的抗拉強度。

引伸計狀態直接影響r值的檢測結果，比如：試樣寬度方向的真實變形與引伸計測得數值之間的差異、引伸計長度、裝夾部位和形式(更靠近過渡弧還是在標距正中)、引伸計刀口與試樣表面的相對滑動、寬度測試裝置的裝夾效應等。蘇大雄[2]等發現標距長度和寬度的測試位置，會影響r值的檢測準確度。

案例1中，在測試初始階段,因橫向引伸計裝夾不良，引伸計信號顯示出一些正向應變，r值降低，Δb減少量很小，對r值影響不大；工程應力達到158 MPa時，橫向引伸計出現異常抖動造成寬度Δb異常偏高，從而r值異常高。

案例2中，寬度引伸計異常抖動造成Δb異常偏高，從而導致r值異常高。

案例3中，橫向引伸計阻礙了縱向引伸計的跟蹤變形，縱向引伸計的測試滯后于寬度引伸計的，使Δb測試值偏大，r值也偏大。

案例4中，縱向引伸計的測試長度L0小于設定原始標距，測試時試樣的實際塑性伸長大于理論值，導致試樣寬度Δb增大，r值異常偏高。

上述案例進一步說明r值測試是否準確與縱、橫向引伸計測試是否準確有關，對檢測同步性也提出了極高要求，即r值測試偏差的本質就是縱、橫向引伸計測試反饋不同步。

4 處理措施

鑒于材料的多樣性及復雜性、受力后試樣變形的不均勻性及測試條件變化，處理r值測試異常時，可充分利用各類圖形排查原因。可通過縱向引伸計的變形-時間曲線、寬度-時間關系曲線確認引伸計運行情況，通過寬度及長度塑性變形-應力圖形查看雙向引伸計測試期間對應關系是否正常，通過瞬時r值與時間相關性曲線跟蹤r值測試結果是否異常，逐項分析排查，準確查找異常產生的原因。

日常維護時，要注意做好引伸計、測試臺等機械部位日常維護；測試時通常只進行引伸計的跟蹤過程變化值確認，但是縱向引伸計的原始標距因不斷定位會產生累積偏移，要注意如果不能直接測試標定，可將引伸計夾頭涂覆印泥測試刀刃在試樣上留下的印痕距離間接標定原始標距。

金屬薄板和薄帶的r值測試影響因素很多，還可以通過以下方式做好測試工作：定期測試標準樣品，結合控制圖等手段跟蹤結果；設置不同材料的r值，利用試驗機或管理手段進行實時監控等。

5 結論及建議

案例中r值測試結果出現偏差是縱、橫向引伸計測試反饋不同步造成的。橫向引伸計抖動、接觸角柱變形磨損、閉合彈簧失效、裝夾不良、縱向原始標距定位偏小、夾持在試樣過渡弧處等均造成Δb異常偏大，破壞了其與ΔL的對應關系，導致r值偏大，反之會導致r值偏小。引伸計、測試臺等機械部位的日常保養和維護至關重要。

建議設備制造商先升級軟件功能，應能顯示拉伸試驗過程中各測試通道，特別是縱向、橫向引伸計變形與時間、載荷的關系曲線，以監控引伸計工作狀態；再升級硬件功能，解決縱向引伸計原始標距定位偏移、缺乏直接檢定手段等問題，以獲得可靠的測試結果。