DC03冷軋鋼板斷后伸長率測試結果的影響因素及其不確定度評定

吳 偉, 楊宏飛

(1. 攀鋼集團研究院有限公司, 釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室, 攀枝花 617000; 2. 攀鋼集團 西昌鋼釩有限公司, 西昌 615000)

試驗技術與方法

DC03冷軋鋼板斷后伸長率測試結果的影響因素及其不確定度評定

吳 偉1, 楊宏飛2

(1. 攀鋼集團研究院有限公司, 釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室, 攀枝花 617000; 2. 攀鋼集團 西昌鋼釩有限公司, 西昌 615000)

通過對DC03冷軋鋼板的斷后伸長率進行測試，分析了斷后標距測量位置對斷后伸長率測試結果的影響，以及手工測量與引伸計自動測量兩種方式的差異，最后對手工測量的斷后伸長率A50 mm和A80 mm測試結果的不確定度進行了評定。結果表明：試樣的原始標距越長則測得的斷后伸長率越小，原始標距越短則測得的斷后伸長率越大；采用引伸計自動測量斷后伸長率得到的測試結果小于手工測量的測試結果；當包含因子k=2時，該DC03冷軋鋼板手工測量得到的斷后伸長率測試結果為A50 mm=49.0%±2.0%，A80 mm=40.5%±2.0%。

DC03冷軋鋼板；斷后伸長率；原始標距；斷后標距；影響因素；測量不確定度

斷后伸長率是衡量金屬材料塑性的重要指標，很多標準中都將斷后伸長率作為判定金屬材料是否合格的重要判據。GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》規定，斷后伸長率按下式計算求得[1]：

(1)

式中：A為斷后伸長率，%，金屬材料薄板的原始標距一般選擇50 mm和80 mm的定標距，因此A可為A50 mm和A80 mm；Lu為試樣斷裂后的標距長度，mm；L0為試樣的原始標距長度，mm。

拉伸試驗時，要測得斷后伸長率需經過下面3個步驟：①原始標距的標記；②試驗后斷后標距的測量；③斷后伸長率的計算。

通常情況下，斷后伸長率的大小取決于金屬材料自身的化學成分、組織均勻性、拉伸試驗時試驗參數的設定、試樣的尺寸規格等因素。但在日常的檢驗中，原始標距的標記、斷后標距的測量對斷后伸長率測定結果的影響也不可忽略。筆者根據GB/T 228.1-2010的要求，以DC03冷軋鋼板為例，對其斷后伸長率進行了測試。不考慮材料的自身因素、試驗參數設定和試樣尺寸規格對測試結果的影響，只結合日常檢測實際情況，并通過一些試驗數據探討分析金屬材料室溫拉伸試驗斷后伸長率的測量過程，最后通過數學模型推導計算，對手工測量斷后伸長率A50 mm和A80 mm的不確定度進行了評定。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用某廠生產的DC03冷軋鋼板，板厚0.8 mm，在同一鋼板寬度1/4處橫向截取8支P6號矩形試樣。

1.2 試驗方法

GB/T 228.1-2010規定，室溫拉伸試驗在10～35 ℃進行，對于溫度要求十分嚴格的試驗，試驗溫度應為(23±5) ℃[1]。此次試驗溫度為23 ℃，溫度波動較小。

試驗前首先在試樣的平行長度上標記原始標距L0，然后根據GB/T 228.1-2010的要求，在INSTRON5569型電子拉力試驗機上按照GB/T228A224試驗條件對試樣進行拉伸試驗，直至試樣完全斷裂。試驗結束后，分別以20，30，40，50，60，70，80，90，100 mm為定標距長度，用游標卡尺測量斷后標距Lu，并根據式(1)計算斷后伸長率。試驗所使用的試驗機、量具均經計量部門檢定合格，其中游標卡尺量程為0～150 mm，允許誤差為±0.02 mm。

2 試驗結果

表1為DC03冷軋鋼板不同原始標距的斷后伸長率測試結果。可以看出，在相同的試驗條件下，斷后伸長率具有明顯的趨勢性，即原始標距越長則斷后伸長率越小，原始標距越短則斷后伸長率越大。因此，試驗時必須按照標準規定確定試樣的原始標距，避免其對斷后伸長率的測試結果產生影響。從A20 mm到A50 mm的測試結果下降較快，A50 mm之后的測試結果下降較慢，這是由于測量斷后標距時，所測量的原始標距標記點與試樣斷口之間的距離不同。

表1 DC03冷軋鋼板不同原始標距下斷后伸長率的測試結果

3 分析與討論

3.1 斷后標距測量位置對斷后伸長率測試結果的影響

圖1 斷后標距測量位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring positions of gauge length after fracture

GB/T 228.1-2010規定，測量斷后標距時，原則上只有斷裂處與最接近的標距標記的距離不小于原始標距1/3的情況下方為有效[1]。圖1為斷后標距測量位置示意圖，試樣上原始標距標記兩劃痕之間的距離為10 mm。以試驗中1號試樣的斷后伸長率A80 mm為例，將A段距離作為斷后標距測量段，試樣斷口位于測量段的中部，測得的斷后標距為113.65 mm，計算出A80 mm=42.0%；將游標卡尺向右移動一格，將B段距離作為A80 mm的斷后標距測量段，此時斷口未在測量段中部，測得B段斷后標距為114.35 mm，計算出A80 mm=43.0%。上述兩個測量段均滿足國家標準要求，計算出的斷后伸長率也均有效，但B段測得的斷后伸長率比A段測得的高1%，那么應該選擇哪個值作為斷后伸長率A80 mm的最終測試結果呢？筆者認為，可以從以下幾方面來考慮。一是參考同一組其他試樣測得的斷后伸長率來選擇，一般情況下，同一組試樣的取樣方向、取樣部位和加工方式都是相同的，斷后伸長率的大小對兩者之間的選擇具有一定的參考價值。若同一組其他試樣測得的斷后伸長率偏大，那么可以選擇較大的斷后伸長率;若同一組其他試樣測得的斷后伸長率偏小，那么可以選擇較小的斷后伸長率。二是從材料自身來選擇，斷后伸長率是判定材料塑性的重要指標，斷后伸長率越大，說明材料的塑性越好，因此可以統一將較大的斷后伸長率作為最終的斷后伸長率測得值[2]。

3.2 手動測量與引伸計自動測量對斷后伸長率測試結果的影響

GB/T 228.1-2010規定，能用引伸計測定斷裂延伸的拉伸試驗機，在自動測量斷后伸長率時，引伸計標距應等于試樣的原始標距，無需在試樣上標出原始標距的標記。原則上，斷裂發生在引伸計標距以內方為有效，但若斷后伸長率等于或大于規定值，不管斷裂位置處于何處均為有效。筆者查閱了DC03冷軋鋼板采用引伸計自動測量斷后伸長率A80 mm的試驗記錄，該試驗與此次試驗試樣取自同一DC03冷軋鋼板卷，取樣部位、加工方式和試驗速率均與此次試驗完全相同，試驗使用的是Zwick公司生產的全自動電子拉伸試驗機，最大力為100 kN，引伸計標距等于試樣原始標距。表2為此次試驗中手工測量和采用引伸計自動測量的斷后伸長率A80 mm測試結果。從測試結果來看，手工測量與引伸計自動測量的斷后伸長率之間的差異是客觀存在的，引伸計自動測量斷后伸長率的測試結果小于手工測量的測試結果，產生這種差異的主要原因是這兩種測量方式存在明顯不同。

表2 手工測量與引伸計自動測量DC03冷軋鋼板斷后伸長率的測試結果 %

引伸計自動測量是以斷裂時的總延伸作為伸長量，并從總延伸中扣除了彈性延伸部分。扣除的彈性延伸越長，引伸計自動測量的斷后伸長率測試結果越小；扣除的彈性延伸越短，引伸計自動測量的斷后伸長率測試結果越大。不同材料彈性延伸部分的長短是不一致的，在測試中，不能簡單地以某一段距離作為彈性延伸，因此對彈性延伸部分的識別成為引伸計自動測量斷后伸長率需要解決的問題之一。另外，自動測量時引伸計在試樣平行長度上的位置是固定的，測量得到的伸長不會因試樣的斷裂位置發生改變，當試樣沒有斷裂在引伸計標距的中部時，自動測量就有可能產生誤差。在設備沒有問題的情況下，往往斷裂位置就是決定手工測量與自動測量結果之間差異大小的決定性因素。

手工測量時，首先在試樣的平行長度上標記出原始標距標記點，試驗后，將斷后的兩部分試樣緊密地對接在一起，兩部分軸線位于同一直線上，確保試樣斷裂部分適當接觸后測量試樣的斷后標距。因而無論試樣的斷裂位置在何處，都會接近于某一段原始標距標記點的中間位置，如采用移位法，這樣就可以最大程度測量出試樣在標距范圍內的最大伸長，從而得出材料真實的斷后伸長率。

引伸計自動測量與手工測量結果的極差為9.0%，從測量不確定度、結果再現性等因素考慮，引伸計自動測量和手工測量斷后伸長率測試結果之間的差異是可以接受的。當要求斷后伸長率的測量結果比較精確穩定,或者相關科研單位進行斷后伸長率測試時，可優先考慮采用手工測量的方式;而對于生產企業大批量檢測時，則可選擇引伸計自動測量方式，這樣可以大大提高生產效率，降低企業成本。

不論從理論還是實際來看，引伸計自動測量和手工測量的斷后伸長率結果之間的差異是客觀存在的，還沒有好的方法去消除它，這一點需要引起試驗人員高度重視。隨著科技進步和社會經濟的發展，試驗設備的自動化程度會越來越高，引伸計自動測量取代手工測量是未來發展的一種趨勢。但目前良好的引伸計和位移測量精度并不能完全保證得到精確的斷后伸長率，有學者提出通過完善試驗機的配套軟件功能和以其他指標代替斷后伸長率評價材料的塑性性能，到目前為止這些嘗試結果還不理想，值得科研人員進一步深入研究[3]。

4 斷后伸長率測量的不確定度評定

為了了解斷后伸長率測量過程的影響因素，為今后斷后伸長率的測量提供參考，筆者以手工測量A50 mm和A80 mm為例，進行了斷后伸長率的測量不確定度評定。

4.1 測量不確定度來源分析

對于此次試驗，溫度在室溫范圍(10～35 ℃)變化不大，因而溫度對試驗結果的影響可以忽略不計。與試驗有關的因素還有試驗人員、試驗方法、材料均勻性、試樣彎曲度、試樣夾持方式等，但目前筆者還沒有足夠的定量數據，可以忽略[4-5]。結合DC03冷軋鋼板在同一試驗條件下8次手工測量的實際情況，將影響該試驗結果的不確定度來源列入表3中。

表3 斷后伸長率的測量不確定度來源

4.2 建立數學模型

斷后伸長率是斷后標距的殘余伸長(Lu-L0)與原始標距(L0)之比的百分率，見式(1)。GB/T 228.1-2010規定斷后伸長(Lu-L0)應精確到±0.25 mm。在評定測量不確定度的時候數學模型應表達為：

(2)

ΔL與L0互不相關，則：

(3)

式中：ucrel(A)為合成標準不確定度。

4.3 試驗結果

經過8次測試，斷后伸長率A50 mm和A80 mm的測試結果見表4，可知DC03冷軋鋼板的斷后伸長率A50 mm=49.0%，A80 mm=40.5%。表4中單次試驗標準偏差由貝塞爾公式計算得到：

(4)

表4 DC03冷軋鋼板斷后伸長率計算結果

4.4 相對標準不確定度的評定

(1) 測量重復性引入的相對標準不確定度分量urel(rep)

斷后伸長率測量重復性所引入的標準不確定度分量為：urel(rep)50 mm=S=1.716%，urel(rep)80 mm=S=2.255%。

(2) 試樣原始標距標記引入的相對標準不確定度分量urel(L0)

(3) 斷后伸長引入的相對標準不確定度分量urel(ΔL)

(4) 試驗結果數據修約引入的相對標準不確定度分量urel(off)

4.5 相對合成標準不確定度的評定

4.6 擴展不確定度的評定

取包含概率p=95%，按包含因子k=2，則斷后伸長率A50 mm和A80 mm的相對擴展不確定度為：Urel(A50 mm)=kucrel(A50 mm)=2×1.925 6%=3.85%，則擴展不確定度U(A50 mm)=2.0%；Urel(A80 mm)=kucrel(A80 mm)=2×2.396 1%=4.79%，取U(A80 mm)=2.0%。

5 結論

(1) 試樣的原始標距長度對斷后伸長率的測定結果有著重要的影響，并具有明顯的趨勢性，原始標距越大則測得的斷后伸長率越小，原始標距越小則測得的斷后伸長率越大。試驗時必須按照標準規定確定試樣的原始標距，盡量減小其對斷后伸長率的測試結果產生影響。斷后標距的測量位置可根據同組試樣斷后伸長率的大小來選擇，也可統一將高值作為斷后伸長率的測定結果。

(2) 引伸計自動測量的斷后伸長率測試結果小于手工測量的測試結果，產生這種差異的主要原因是測量方式的不同。當要求斷后伸長率的測試結果比較精確穩定時，可優先考慮采用手工測量的方式，而對于生產企業大批量檢測時，則可選擇引伸計自動測量的方式，兩者測試結果存在的差異也是可以接受的。

(3)DC03冷軋鋼板手工測量斷后伸長率的不確定度評定結果為：A50 mm=49.0%±2.0%，k=2；A80 mm=40.5%±2.0%，k=2。在分析測量不確定度的評定過程中，影響試驗的各因素都考慮為是在標準規定的范圍內正常工作。因此在日常檢測中，應對設備、量具進行定期的期間核查和檢定校準，以確保設備、量具保持良好的狀態。

[1] GB/T 228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法[S].

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

[3] 李和平,周星.拉伸試驗機自動測量斷后伸長率面臨的難題及解決辦法[J].理化檢驗-物理分冊,2008,44(1):7-10,13.

[4] 王俊.金屬材料室溫拉伸試驗的不確定度的評定[J].理化檢驗-物理分冊,2013,49(7):448-456,471.

[5] 吳益文,張霽菁,華沂.斷后伸長率A測量結果的不確定度評定[J].物理測試,2007,25(5):51-52,58.

Influence Factors and Uncertainty Evaluation for Measuring Results of Percentage Elongation after Fracture of DC03 Cold Rolled Steel Plates

WU Wei1, YANG Hongfei2

(1. State Key Laboratory of Vanadium and Titanium Resources Comprehensive Utilization, Pangang Group Research Institute Co., Ltd., Panzhihua 617000, China; 2. Xichang Iron and Steel Vanadium Co., Ltd., Pangang Group, Xichang 615000, China)

Through the measurement of percentage elongation after fracture of DC03 cold rolled steel plates, the influence of measuring positions of gauge length after fracture on the measuring results of percentage elongation after fracture was analyzed. The difference between two methods of manual measurement and automatic extensometer measurement was also analyzed. Finally the measurement uncertainty of percentage elongation after fractureA50 mmandA80 mmobtained by manual measurement was evaluated. The results show that: the larger the original gauge length was, the smaller the measured percentage elongation after fracture was; the smaller the original gauge length range was, the larger the measured percentage elongation after fracture was; the measuring results of the percentage elongation after fracture obtained by automatic extensometer were less than those obtained by manual measurement; when the coverage factorkwas 2, the percentage elongation after fracture of DC03 cold rolled steel plates obtained by manual measurement wasA50 mm=49.0%±2.0%,A80 mm=40.5%±2.0%.

DC03 cold rolled steel plate; percentage elongation after fracture; original gauge length; gauge length after fracture; influence factor; measurement uncertainty

10.11973/lhjy-wl201705003

2016-06-02

吳 偉(1985-)，男，助理工程師，主要從事金屬材料力學性能檢測工作，wukun_00@sina.com

TG115.5+2

A

1001-4012(2017)05-0314-05