金屬薄板塑性應變比測量方法評價

樂 瑋, 南群智, 王建霞

[英斯特朗(上海)試驗設備貿(mào)易有限公司 中國應用測試技術(shù)中心, 上海 200041]

隨著汽車業(yè)、消費品業(yè)和航空業(yè)對材料要求的不斷升級，相應的材料測試標準也逐漸與之適應。其中，塑性應變比(r值)是評價冷軋薄板深沖性能較為常用的力學性能指標，可以用來反映金屬塑性的各向異性，是材料成型性能的一種度量。r值是指金屬薄板在某平面內(nèi)承受拉力或壓力時，其抵抗變薄或變厚的能力。由這個概念可知，r值是金屬薄板受力時，其寬度和厚度方向的應變比。由于厚度的變化難以測量，所以由體積不變原理，通常測量試樣標距內(nèi)的軸向應變和橫向應變，以表征長度和寬度方向的尺寸變化。

對于r值的測量，現(xiàn)行的方案是橫向引伸計與軸向引伸計配合使用。大多數(shù)橫向引伸計僅提供“單線接觸”的測量方式，即在一個固定位置測量橫向應變；也有些橫向引伸計可提供2個或者4個固定位置的平均橫向應變。這幾種橫向引伸計的測量方式可以反映具有“均勻應變”特點(即在被加載至抗拉強度的過程中，呈現(xiàn)出均勻應變分布)試樣的真實橫向變形。但是，r值的測量結(jié)果較敏感，很小的數(shù)據(jù)誤差也會導致r值發(fā)生很大變化。如果試樣的應變不均勻，可能導致每次得到的試驗數(shù)據(jù)存在巨大差異，金屬材料的鋸齒屈服現(xiàn)象[1]是這背后的主要原因之一。鋸齒屈服現(xiàn)象是金屬在塑性變形過程中，擴散的溶質(zhì)原子和運動中的位錯發(fā)生交互作用的結(jié)果[2]，是在一定的溫度、應變率和預變形下，某些合金材料在拉伸試驗中出現(xiàn)的一種不規(guī)則的塑性流動，其表現(xiàn)為連續(xù)的應力-時間曲線上的鋸齒狀起伏和應變-時間曲線上的階梯狀上升。在空間上, 這種不規(guī)則的塑性流動導致了應變局部化現(xiàn)象，表現(xiàn)為在試件表面上出現(xiàn)靜止的、跳躍的或連續(xù)傳播的局部變形帶。

由于軸向引伸計覆蓋了大部分平行長度，因此測量結(jié)果受鋸齒屈服現(xiàn)象的影響不大，但采用一個或幾個橫向應變代表整個試樣平行長度的橫向應變時，受鋸齒屈服現(xiàn)象的影響會很大。針對這一問題，ISO 10113：2020MetallicMaterials-SheetandStrip-DeterminationofPlasticStrainRatio增加了橫向應變多線測量的建議。 橫向引伸計應在軸向長度上至少測量3個位置寬度的變化，然后將這3個位置平均為一個橫向應變值，以計算r值。為了解不同橫向引伸計所產(chǎn)生的測試效果，筆者用3種不同的橫向引伸計來測量均勻塑性應變和不均勻塑性應變材料的r值。

1 試樣制備和試驗方法

試驗設備為Instron 68TM-30型電子材料萬能試驗機(見圖1)，該設備配備了Bluehill Universal軟件和手動楔形夾具，所有測試過程均使用對應的標準測試方法測試。為了消除操作人員對測量結(jié)果的影響，分別采用了AutoXbiax型全自動接觸式橫向引伸計和AVE2型非接觸式雙軸視頻引伸計。 其中，AVE2型非接觸式雙軸視頻引伸計的AverEdge32橫向測量技術(shù)(見圖2)可提供在軸向標距之間均勻間隔32個橫向測量點的平均值，且不需要對試樣進行橫向標記。

圖1 Instron 68TM-30型電子材料萬能試驗機外觀

圖2 AverEdge32橫向測量技術(shù)示意

在同一規(guī)格冷軋薄板的同一部位連續(xù)切取6組，共計60根平行試樣，其中3組(30根)平行試樣的尺寸均滿足ISO 6892-1：2019MetallicMaterials-TensileTestingPart1:MethodofTestatRoomTemperature的要求，另外3組(30根)平行試樣的尺寸均滿足ASTM E8/E8M—2021StandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials的要求。采用千分尺測量及滿足標準對應的應變速率控制試驗方法，r值應變?nèi)≈迭c為10%。分別利用橫向引伸計的接觸式單線、非接觸式單線和非接觸式多線橫向測量3種不同方式進行測量。

第二次測量時選取國內(nèi)鋼標委組織提供的BUSD-A鋼板、BUSD-B鋼板和6082 T6態(tài)鋁合金試樣。這些試樣均不存在明顯的鋸齒屈服現(xiàn)象，每種材料各6根試樣。采用千分尺進行測量時，橫梁位移速率由2 mm/min換到5 mm/min，也使用單點r值的計算結(jié)果。利用橫向引伸計的非接觸式單線和非接觸式多線測量兩種模式。

2 試驗結(jié)果和討論

利用Bluehill Universal軟件實時計算每個數(shù)據(jù)點的r值，整個測試過程中的r值與應變的關系如圖3～8所示。測試材料是5000系列鋁合金(含鎂)，由于該材料不均勻，因此鋸齒屈服現(xiàn)象明顯。在軸向應變?yōu)?0%時，去除彈性應變，采用單點計算產(chǎn)生r值，由于數(shù)據(jù)太多，僅顯示最終的統(tǒng)計結(jié)果(見表1)。圖3和圖6為采用全自動接觸式的單線橫向測量方式的測量結(jié)果，橫向測量點在軸向標距中間。ISO試樣和ASTM試樣曲線上清晰地顯示出鋸齒屈服效應造成的影響，曲線有非常明顯的波峰和波谷，任一試樣的r值受波峰與波谷的時間差影響均較大，所以當某些試驗結(jié)果正好在波峰或者波谷附近時，測量結(jié)果會明顯偏高或偏低，從而導致試驗失敗。圖4和圖7同樣采用單線測量的方式，只是測量寬度的方式是基于標記點，并不是實際試樣寬度的變化，同樣鋸齒屈服效應造成的影響非常明顯，測量結(jié)果誤差較大，變異系數(shù)也較大。相比之

表1 5000系鋁合金全自動法測量r值(r10)結(jié)果

圖3 采用AutoXbiax型全自動接觸式橫縱向引伸計測量r值與應變關系(ISO試樣)

圖4 采用AVE2型非接觸視頻引伸計橫向標記點測量r值與應變關系(ISO試樣)

圖5 采用AVE2型非接觸視頻引伸計AverEdge32測量r值與應變關系(ISO試樣)

圖6 采用AutoXbiax型全自動接觸式橫縱向引伸計測量r值與應變關系(ASTM試樣)

圖7 采用AVE2型非接觸視頻引伸計橫向標記點測量r值與應變關系(ASTM試樣)

圖8 采用AVE2型非接觸視頻引伸計AverEdge32測量r值與應變關系(ASTM試樣)

下，圖5和圖8是采用多線平均測量方式的測量結(jié)果，結(jié)果差異明顯。從曲線上可以看到，r值的實時結(jié)果在試驗過程的任意點幾乎相同，試驗結(jié)果重復性大大提高。另外，兩組不同尺寸試樣的測量結(jié)果也有差異，這也反映了試樣類型對于r值測量穩(wěn)定性的影響[3]。

第二次試驗時采用BUSD-A鋼板(簡稱為BUSD-A)、BUSD-B鋼板(簡稱為BUSD-B)和6082 T6態(tài)鋁合金(簡稱6082 T6)試樣，結(jié)果沒有明顯的鋸齒屈服效應。光學非接觸引伸計法計算r值(標記點法)結(jié)果如表2所示，光學非接觸引伸計法計算r值(多線測量法)結(jié)果如表3所示。

表2 光學非接觸引伸計法計算r值(標記點法)結(jié)果

表3 光學非接觸引伸計法計算r值(多線測量法)結(jié)果

3 結(jié)論及建議

(1) 針對不均勻塑性應變的金屬材料，如5000系鋁合金材料，使用多線測量方式得到r值的重復性明顯提高，用戶無需進行重復試驗即可得到理想的r值。

(2) 針對均勻塑性應變的金屬試樣，使用多線測量技術(shù)也可提高部分測量結(jié)果的重復性，但并不明顯。

(3) 不同金屬材料對r值的測量也有影響。

(4) 通過以上分析不難發(fā)現(xiàn)，帶多線測量技術(shù)的橫向引伸計的r值測量結(jié)果重復性在不同程度上有所提高，驗證了采用ISO 10113:2020規(guī)定的全自

動測量方法對存在不均勻塑性應變現(xiàn)象的金屬試樣進行測試的必要性。