不同方法測量金屬薄板塑性應變比的結果比較

薛 凱, 歷 妍, 王毅磊

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司 制造管理部, 湛江 524072)

在單軸拉伸應力作用下，試樣寬度方向真實塑性應變和厚度方向真實塑性應變之比稱為塑性應變比，即r值，其是表征金屬薄板板面上受到拉力或壓力后抵抗變薄或變厚能力的一個參數[1]。目前最常見的測量方法為拉伸法，但其測量精度會受試樣形狀、變形量、試樣加工品質、量具精度、測量方式等因素的影響[2-4]。ISO 10113:2020MetallicMaterials-SheetandStrip-DeterminationofPlasticStrainRatio(簡稱ISO標準)中增加了對試樣平行長度的要求和半自動測量方法，在人工測量時，應在試樣標距部分均勻測量至少3處的寬度，包括需在標距長度兩端各測量一次。r值的測量也逐漸向全自動測量方向發展，由于激光、視頻等光學引伸計具備在試樣平行段內多個位置測量的能力，國內外實驗室已開始采用光學引伸計替代以往的機械式引伸計[5]。

筆者開展了比對試驗，分析了采用機械接觸式引伸計和激光非接觸式引伸計全自動測量r值結果的差異，再通過試驗論證了ISO標準中人工、半自動、全自動等方法測量金屬薄板不同類型試樣r值的結果差異。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

按相應標準要求制備試樣，取3組平行試樣，每組試樣的測量信息如表1所示(表1中，a0為試樣原始厚度，b0為試樣原始寬度，L0為原始標距，Lc為試樣平行段長度)。試樣制備完畢后，在其上用激光標記記號，標記的位置如圖1所示，其中：0為試樣平行段中心點；1，2分別為距平行段中心位置距離相等的點，間距長度為30 mm；3，4均為原始標距端點，間距為L0；5，6均為平行段Lc端點。

表1 每組試樣的測量信息

圖1 試樣上激光標記位置示意

1.2 試驗設備

采用一臺配備有機械接觸式引伸計的全自動拉伸試驗機(Z1)和一臺配備有激光引伸計的全自動拉伸試驗機(Z5)，引伸計測量精度為0.5級；橫截面測量儀的精度為±1.0 μm。

1.3 試驗方法

1.3.1 不同測量方法比較試驗

(1) 人工測量：試驗前采用游標卡尺人工測量表1中第一組試樣上標記為0，3，4位置的寬度，計算平均寬度，同時測量標記為3與4間的距離，即為原始標距L0，然后在Z5上將試樣拉伸至表1指定的應變量后，停止試驗，將試樣從拉伸機上取下后，采用游標卡尺測量寬度b1和標距L1，并計算r值。

(2) 半自動測量：在試驗前后，人工用游標卡尺測量第一組試樣寬度b0和b1，測量位置與人工測量法相同。用Z5上激光引伸計測量L0和L1，計算r值。

(3) 全自動測量：采用橫截面測量儀測量第一組試樣3點的寬度b0，使用激光引伸計測量寬度方向和厚度方向的真實塑性應變，計算r值。測量寬度方向的真實塑性應變時，用引伸計測量標記為0，1，2位置的寬度塑性應變。

1.3.2 不同設備間的比較試驗

為分析不同類型的引伸計測量結果是否存在差異，采用全自動測量方法，將表1中第2組和第3組試樣分別在Z1和Z5上進行r值測量試驗。測量應變量在8%，12%，15%時的r值。

2 試驗結果與討論

2.1 不同測量方法比較分析

在Z5拉伸試驗機上，分別采用人工測量、半自動測量、全自動測量方法測量同一個試樣的r值。對不同類型的試樣分別采用3種方法測量的結果如圖2～4所示。

圖2 不同測量方法和試樣類型對于DC07+ZE牌號試樣的r15測量結果

圖3 不同測量方法和試樣類型對于DC06A牌號試樣的r12測量結果

圖4 不同測量方法和試樣類型對于HC340/590DP牌號試樣的r8測量結果

雖然采用了3種不同測量方法測量P5，P6，P7試樣，而且不同方法測量寬度塑性應變的位置不同，但測量結果比較接近，無顯著系統差異。

采用人工和半自動方法測得的JIS5試樣的r值明顯低于全自動測量結果，對r值水平在中、高區間的試樣，這種差異尤為明顯。由試驗設計可知，全自動方法采用的標距為30 mm(測量點為0，1，2)，而人工和半自動方法采用的標距為50 mm(測量點為0，3，4)，這可能是結果存在差異的主要原因。

ISO標準對試樣形狀的要求為：為確保各種規格的試樣均能獲得平行段內的均勻塑性變形，試樣的形狀應滿足Lc≥L0+2b0。比較幾種規格試樣形狀的差異，發現JIS5試樣的平行段長度Lc不滿足ISO標準對試樣的要求，其L0/Lc也最大，這意味著JIS5試樣的原始標距端點最接近圓弧段，人工和半自動方法的測量位置也更接近圓弧段。有研究表明，JIS5試樣在50 mm標距范圍內的變形是不均勻的。

針對不均勻塑性變形是否導致r值測量結果偏低的問題，筆者進行了驗證試驗。分別采用兩種不同長度的標距進行測量，即測量點分別為標記點0，3，4和 0，1，2，結果如表2所示。由表2可以得到以下結論。

表2 不同寬度測量方式所得r值計算結果

(1) 對于P5，P6，P7試樣，當采用不同標距時，人工、半自動、全自動測量方法測量r值的差異較小，3者極差小于0.1。

(2) 對于JIS5試樣，采用50 mm標距得到的r值明顯小于30 mm標距，而采用30 mm標距時得到的r值與其他類型試樣的r值結果接近，這驗證了前文的推斷，即采用JIS5試樣進行r值測量時，若取50 mm標距進行測量，在拉伸過程中，靠近過渡圓弧的試驗段存在不均勻塑性應變，導致r值測量結果偏低。為獲得平行段內的均勻塑性變形，應盡量降低L0/Lc的比值，可縮短標距L0，推薦采用20～30 mm標距，或者增大平行段長度Lc，推薦為100 mm。有研究表明，JIS5試樣采用20～30 mm標距時, 尤其是采用20 mm標距時, 能精確地測量r值[6]。

當采用30 mm標距進行試驗時，對不同類型的試樣，采用人工、半自動、全自動測量方法測量的r值接近。將同一個試樣采用不同測量方法測得的r值進行F檢驗和t檢驗，結果如表3所示。由表3可知：對于不同r值區間的試樣，采用不同測量方法測量的r值不存在顯著性差異，其中全自動測量方法測量結果的標準差最低，測量精度最高。

2.2 不同設備間的比較分析

為了討論不同測量設備對r值測量結果的影響,采用全自動測量方法分別在Z1和Z5拉伸試驗機上進行試驗，對不同設備、應變量和不同r值水平的試驗結果進行分析，結果如圖5～7所示，由箱線圖上下限和箱體可知，不同設備和應變量測得的r值比較接近，但由于Z1采用機械接觸式引伸計，測量r值時，對引伸計的標距，引伸計的彈簧、彈簧片及引伸計前后爪的使用狀態等有比較高的要求，需要定期核查和維護保養，在實際測量中，Z5的測量精度要優于Z1。

表3 不同測量方法r值F檢驗和t檢驗統計結果

圖5 不同設備測量DC07+ZE牌號試樣r值的箱線圖

圖6 不同設備測量DC06A牌號試樣r值的箱線圖

圖7 不同設備測量HC340/590DP牌號試樣r值的箱線圖

3 結論及建議

(1) 采用人工、半自動、全自動方法測量的r值不存在顯著性差異，其中全自動測量方法測量r值的精度最高。

(2) 激光非接觸式引伸計與機械接觸式引伸計測量r值的結果接近，但前者的精度更高。

(3) 當采用JIS5號試樣進行r值測量時，應避免采用50 mm標距，推薦采用20～30 mm 標距。

(4) 建議在修訂GB/T 5027—2016標準時，對試樣形狀進行規定：為獲得平行段內的均勻塑性變形，精確地測量塑性應變比，應盡量降低L0/Lc的比值，可縮短標距L0，或者增大平行段長度Lc，試樣的形狀應滿足Lc≥L0+2b0。