GB/T 228.1—2010中最大力塑性延伸率測量新方法及其驗證

莫明珍, 劉健斌, 樊志維, 李俊杰, 陳 明, 曹 標

(廣州海關技術中心, 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 第1部分：室溫試驗方法》中表征金屬材料力學性能的一個重要指標，其基本定義是最大力時原始標距的塑性延伸與引伸計標距之比的百分率。標準給出的測量方法為：在用引伸計得到的力-延伸曲線上，從最大力時的總延伸中扣除彈性延伸部分，即得到最大力時的塑性延伸，將其除以引伸計標距得到Ag。計算公式為

式中：ΔLm為最大力時的總延伸長度；Le為引伸計標距；Rm為抗拉強度；mg為應力-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變。

先在拉伸試驗過程中的拉伸曲線的最大力處讀出引伸計給出的伸長率，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變εe，再根據式(1)計算出最大力塑性延伸率。這一方法通常被稱為引伸計法，雖然該方法直觀、科學、準確，但容易受到引伸計的引伸距離不夠長、測試時不夠安全，以及測量時操作人員精力分散的影響。

依據金屬材料變形的物理原理及卸載定律，建立了一個新的材料最大力塑性延伸率的測量方法，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法測量的各種缺點，實現科學有效、簡便安全的測量。

1 測量原理

材料在外力的作用下會產生變形，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

如果當應力小于彈性極限時停止加載，并將載荷逐漸減小至零，即卸去載荷，則可以看到，在卸載過程中，應力-應變曲線將沿著原路徑aO回到O點(見圖1)，變形完全消失；如果在超過彈性極限后，如在硬化階段，某一點c的載荷逐漸減小，則卸載過程中的應力-應變曲線如圖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變，即彈性應變εe；而線段OO1則代表應力減小至零時殘留的應變，即塑性應變或殘余應變εp。由此可見，當應力超過彈性極限后，材料的應變包括彈性應變εe和塑性應變εp，但在卸載過程中，應力與應變之間仍保持線性關系，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到最大應力處立即停止施加外力并卸載，然后取下試樣，根據卸載定律，當卸載后，彈性變形部分消失，只保留了塑性變形部分。這樣，最大力處卸載后測量的試樣的伸長即為塑性伸長，按GB/T 228.1—2010給出的定義，即可計算出Ag。即

式中:ΔLg為最大力時的塑性延伸長度；Le為引伸計標距。

該方法的創新之處為：科學利用材料變形的物理原理及卸載定律，結合最大力塑性延伸率的定義，建立了一個科學有效、簡便安全的材料最大力塑性延伸率的直接測量方法。

2 測量方法

2.1 試樣

以牌號分別為HRB400，HRB400E，HRB600，HRB500E，HRBF400，HRBF500E的國產熱軋螺紋鋼為試驗對象，每10個試樣為一組(具有相同的牌號和規格)，試樣來自不同的生產廠家和爐批號。測量結果與已有足夠引伸距離引伸計的直接測量結果進行比較。螺紋鋼試樣表面狀態符合GB/T 228.1—2010的有關要求，試樣夾具間的最小自由長度如表1所示。

表1 螺紋鋼試樣夾具間的最小自由長度 mm

在試樣的自由長度范圍內，均勻劃分為10 mm或5 mm的等距標距，標距的劃分和測量應符合GB/T 228.1—2010的有關規定。

2.2 測量方法

按照GB/T 228.1—2010進行螺紋鋼的拉伸試驗，當應力-應變曲線達到應力最大值時，立即停止加載并卸載，然后取下試樣并進行測量。

以試樣自由長度處的100 mm為初始長度L0，測量試樣最大力時的伸長Lp。按照材料拉伸時的卸載定律，卸載后測量到的伸長Lp即為最大力時的塑性伸長，按照式(2)即可計算出螺紋鋼的最大力塑性延伸率Ag。

3 測量結果及驗證

利用上述方法，采用電子拉力試驗機(INSTRON 5500R)和萬能材料試驗機(INSTRON 5592)以相同的速率對不同牌號螺紋鋼的最大力塑性延伸率進行了測量，并與引伸計直接讀數法的測量結果進行比較，結果如表2所示。

表2 螺紋鋼最大力塑性延伸率測量值與引伸計直接讀數法的測量結果比較

表2 (續)

由表2可知，該方法測量的螺紋鋼最大力塑性延伸率與引伸計法測量的結果有很好的一致性。

4 不確定度評估

依據GB/T 228.1—2010附錄L對斷后伸長率不確定度的評定，其測量不確定度主要來源于4個方面：測量重復性、試樣原始標距[2]、斷后伸長率及數值修約，其相對標準不確定度分別為1.31%，0.58%，1.32%，0.66%。斷后伸長率的相對合成不確定度為2.05%，相對擴展不確定度為4.1%。

與斷后伸長率的測量方法不同，測量螺紋鋼最大力塑性延伸率時，拉伸試驗時無法立即確定拉伸應力是否到了最高點，只有當拉伸應力不繼續上升或瞬時開始下降時才能確定拉伸應力已經到了最高點，因此在實際測量時會因為檢驗人員的經驗及能力帶來一定測量誤差。筆者認為這部分的不確定度屬于測量重復性。依據GB/T 28900—2012 《鋼筋混凝土用鋼材試驗方法》，測量重復性帶來的偏離值約為0.2%，將該數值加到測量重復性的相對標準不確定度中，并依據GB/T 228.1—2010附錄L，可計算出測量重復性相對不確定度為1.833%，其他試樣的原始標距、斷后伸長及數值修約的相對標準不確定度不變。這樣就可計算出上述方法測量Ag的相對合成不確定度為2.42%，相對擴展不確定度為4.84%。

5 結語

依據材料變形的物理原理及卸載定律，并結合GB/T 228.1—2010給出的Ag的定義，建立了一種新的金屬材料Ag的測量方法，與引伸計法的測量結果具有很好的一致性，在實際測量中具有很好的操作性。

理論和驗證試驗證明該方法可以作為大生產檢驗的輔助方法，但建議仲裁試驗時使用引伸計法。