利用改進(jìn)的引伸計(jì)自動(dòng)測(cè)量鈹材的斷后伸長(zhǎng)率

李美歲, 張子富, 李志年, 張健康, 呂一格, 李樹(shù)榮, 黃旭剛, 代彥明

(西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司 稀有金屬特種材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 石嘴山 753000)

金屬材料的力學(xué)性能中，斷后伸長(zhǎng)率是反映金屬材料塑性的一個(gè)重要指標(biāo)，其值越大，表示金屬材料的塑性越好。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》中規(guī)定的斷后伸長(zhǎng)率測(cè)試方法有兩種，一種是采用人工測(cè)量的常規(guī)方法，用25 mm標(biāo)距塊壓住試樣兩側(cè)，用刻刀輕刻兩條平行線，將刻畫后的試樣放在顯微鏡下進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出原始標(biāo)距長(zhǎng)度Lo。安裝試樣到試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)直至試樣被拉斷，根據(jù)ASTM E8：2016aStandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials的技術(shù)要求，將試樣斷口配接在一起，使軸線處于同一直線上，測(cè)量斷后標(biāo)距長(zhǎng)度Lu，然后根據(jù)公式A=(Lu-Lo)/Lo×100%，計(jì)算出斷后伸長(zhǎng)率A[1-3]；第二種方法是使用帶有引伸計(jì)測(cè)定斷后伸長(zhǎng)率功能的試驗(yàn)機(jī),引伸計(jì)標(biāo)距Le應(yīng)等于試樣原始標(biāo)距Lo,無(wú)需標(biāo)記出試樣原始標(biāo)距。

由于鈹材拉伸試驗(yàn)時(shí)兩夾具間的距離太小，無(wú)法直接安裝設(shè)備原裝標(biāo)距為25 mm的引伸計(jì)，為了滿足GB/T 228.1-2010對(duì)引伸計(jì)使用的技術(shù)要求，筆者對(duì)引伸計(jì)刀口進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。但其測(cè)量精度尚不清楚，為此筆者采用配備改進(jìn)引伸計(jì)的拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)斷后伸長(zhǎng)率進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量試驗(yàn)，并將測(cè)量結(jié)果與常規(guī)人工測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 228.1-2010的技術(shù)要求，取直徑為6 mm，抗拉強(qiáng)度為460～560 MPa的鈹材圓棒試樣78個(gè)，試樣標(biāo)距為25 mm，試樣形狀及尺寸如圖1所示。在INSTRON 5582型拉伸試驗(yàn)機(jī)上安裝改進(jìn)后的引伸計(jì)，改進(jìn)后的引伸計(jì)刀口長(zhǎng)度在原有基礎(chǔ)上增加了10 mm，捆綁皮筋用的溝槽加深并向前延長(zhǎng)，如圖2所示。引伸計(jì)標(biāo)距Le=Lo=25 mm。在拉伸速度為0.2 mm·min-1條件下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，全程使用引伸計(jì)跟蹤測(cè)量標(biāo)距內(nèi)的縱向變形直至試樣斷裂。同時(shí)在試驗(yàn)完成后，采用常規(guī)的方法對(duì)斷后伸長(zhǎng)率進(jìn)行人工測(cè)量，并與自動(dòng)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較[4-5]。

圖1 試樣形狀和尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of shape and size of the sample

圖2 改進(jìn)后的引伸計(jì)夾持示意圖Fig.2 Schematic diagram of clamping the improved extensometer

2 試驗(yàn)結(jié)果

斷后伸長(zhǎng)率的測(cè)量結(jié)果如表1所示，結(jié)合圖3所示的試樣斷裂前、后宏觀形貌可以看出鈹材的斷后伸長(zhǎng)率較低，屬于脆性材料。

表1 兩種方法測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率Tab.1 The percentage elongation after fracture determing by two methods %

續(xù)表1 %

圖3 鈹材試樣斷裂前、后的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of beryllium samples before and after fracture

從表1可以看出，兩種方法測(cè)量結(jié)果的絕對(duì)誤差均在±0.5%以內(nèi)[6-7]，結(jié)果非常接近。絕對(duì)誤差為負(fù)值的出現(xiàn)概率為82%，表明引伸計(jì)自動(dòng)測(cè)量的斷后伸長(zhǎng)率高于人工測(cè)量值。最高絕對(duì)誤差為-0.36%，最低絕對(duì)誤差為0，誤差波動(dòng)僅0.36%。

為提高試驗(yàn)結(jié)果的可比性，將表1數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖，如圖4所示?？梢?jiàn)對(duì)于同一試樣，引伸計(jì)自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)普遍高于人工測(cè)量值。

圖4 A25和A的散點(diǎn)圖Fig.4 The scatter plot of A25 and A

由于計(jì)算得到的數(shù)據(jù)會(huì)有誤差，不能只根據(jù)簡(jiǎn)單的樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果下結(jié)論，必須使用嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)假設(shè)試驗(yàn)方法才能得出準(zhǔn)確的判斷結(jié)論[8]。為提高試驗(yàn)結(jié)果的可比性，了解利用人工測(cè)量和引伸計(jì)自動(dòng)測(cè)量的斷后伸長(zhǎng)率是否相同，并得出較準(zhǔn)確的判斷結(jié)果，采用假設(shè)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

將檢驗(yàn)人工測(cè)量的斷后伸長(zhǎng)率均值與引伸計(jì)自動(dòng)測(cè)量的是否相等的兩樣本均值問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為檢驗(yàn)人工測(cè)量的斷后伸長(zhǎng)率與引伸計(jì)自動(dòng)測(cè)量的差值的均值是否為0的雙樣本T檢驗(yàn)。首先做出如下假設(shè)。原假設(shè)(H0)：A25-A=0, 備擇假設(shè)(H1)：A25-A≠0。用MINITAB軟件計(jì)算A25與A(數(shù)據(jù)見(jiàn)表1)兩個(gè)總體均值之差的置信區(qū)間，來(lái)判斷來(lái)自兩個(gè)相互獨(dú)立的總體均值之間是否有顯著差異，進(jìn)行雙樣本T檢驗(yàn)[9]得到A25和A的單值圖和箱體圖，如圖5和圖6所示，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。平均差的95%置信區(qū)間: (-0.549, 0.301)；平均差=0(與≠0)的T檢驗(yàn):T=-0.58，P=0.565。

圖5 A25和A的單值圖Fig.5 Single valued graph of A25 and A

通過(guò)圖5和圖6可以看出，A25和A的數(shù)據(jù)一致性較好，均值連線接近水平。

P值是指當(dāng)原假設(shè)為真時(shí)所得到的樣本觀察結(jié)果或更極端結(jié)果出現(xiàn)的概率，并由FISHER R A首先提出P值取0.05來(lái)表示發(fā)生的概率非常小，因此P值越大，接受原假設(shè)的理由越充分。從MINITAB軟件分析結(jié)果可知，P=0.565>0.05，故接受原假設(shè)H0(A25-A=0)，即認(rèn)為人工測(cè)量的斷后伸長(zhǎng)率A25與引伸計(jì)自動(dòng)測(cè)量的斷后伸長(zhǎng)率A的均值之差為0的假設(shè)成立；置信區(qū)間為(-0.549,0.301)，區(qū)間包含0，表示兩個(gè)總體均值沒(méi)有明顯差異。

圖6 A25和A的箱體圖Fig.6 Boxgraph of A25 and A

表2 兩種方法測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率配對(duì)T檢驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Paired T test results for the percentage elongation after fracture measured by two methods

3 結(jié)論

(1) 利用改進(jìn)的引伸計(jì)自動(dòng)測(cè)量鈹材的斷后伸長(zhǎng)率，可得到準(zhǔn)確可靠的結(jié)果，可以替代常規(guī)的人工測(cè)量方法。

(2) 采用引伸計(jì)法無(wú)需標(biāo)出試樣原始標(biāo)距，可以減少由于繪制標(biāo)距所帶來(lái)的鈹粉塵危害；無(wú)需使用顯微鏡測(cè)量標(biāo)距，可以減少人為誤差和眼部疲勞，因此可推薦應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)檢驗(yàn)，有利于減少對(duì)試驗(yàn)操作人員的健康損害，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，在一定程度上可減少檢驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)人員操作造成的偶然誤差，使斷后伸長(zhǎng)率的測(cè)試更快捷、數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

(3) 采用改進(jìn)的引伸計(jì)自動(dòng)測(cè)量的斷后伸長(zhǎng)率值較人工測(cè)量的偏高，在試樣斷后伸長(zhǎng)率要求余量較小的情況下，使用引伸計(jì)法可能更滿足測(cè)試要求。