GB/T 228.1—2010中最大力塑性延伸率測(cè)量新方法及其驗(yàn)證

莫明珍, 劉健斌, 樊志維, 李俊杰, 陳 明, 曹 標(biāo)

(廣州海關(guān)技術(shù)中心, 廣州 510623)

最大力塑性延伸率Ag是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》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(zhǎng)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(guò)程中的拉伸曲線的最大力處讀出引伸計(jì)給出的伸長(zhǎng)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(zhǎng)、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/T 228.1—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(jiǎn)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。

圖1 典型的金屬材料拉伸曲線

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(guò)程中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線將沿著原路徑aO回到O點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，變形完全消失；如果在超過(guò)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(guò)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(jiàn)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)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(guò)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(zhǎng)即為塑性伸長(zhǎng)，按GB/T 228.1—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(zhǎng)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(jiǎn)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(guó)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(lái)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/T 228.1—2010的有關(guān)要求，試樣夾具間的最小自由長(zhǎng)度如表1所示。

表1 螺紋鋼試樣夾具間的最小自由長(zhǎng)度 mm

在試樣的自由長(zhǎng)度范圍內(nèi)，均勻劃分為10 mm或5 mm的等距標(biāo)距，標(biāo)距的劃分和測(cè)量應(yīng)符合GB/T 228.1—2010的有關(guān)規(guī)定。

2.2 測(cè)量方法

按照GB/T 228.1—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(zhǎng)度處的100 mm為初始長(zhǎng)度L0，測(cè)量試樣最大力時(shí)的伸長(zhǎng)Lp。按照材料拉伸時(shí)的卸載定律，卸載后測(cè)量到的伸長(zhǎng)Lp即為最大力時(shí)的塑性伸長(zhǎng)，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)(INSTRON 5500R)和萬(wàn)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。

表2 螺紋鋼最大力塑性延伸率測(cè)量值與引伸計(jì)直接讀數(shù)法的測(cè)量結(jié)果比較

表2 (續(xù))

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/T 228.1—2010附錄L對(duì)斷后伸長(zhǎng)率不確定度的評(píng)定，其測(cè)量不確定度主要來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)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(kāi)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(lái)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/T 28900—2012 《鋼筋混凝土用鋼材試驗(yàn)方法》，測(cè)量重復(fù)性帶來(lái)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/T 228.1—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(zhǎng)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(yǔ)

依據(jù)材料變形的物理原理及卸載定律，并結(jié)合GB/T 228.1—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。