ISO/TC164技術(shù)委員會對所負責(zé)的試驗方法標(biāo)準進行了改進和修訂，其中對于拉伸試驗方法標(biāo)準的一些研究和修改影響較大。在執(zhí)行這些標(biāo)準時，會遇到一些問題需要分析和選擇。例如：拉伸試驗方法標(biāo)準對于應(yīng)力速率的規(guī)定存在不同的理解，根據(jù)不同的理解會采用不同的拉伸速率，從而影響測量結(jié)果。所以，需要分析產(chǎn)生的各種理解的原因和問題，為合理選擇測量條件提供依據(jù)。
拉伸試驗機
1.對于拉伸標(biāo)準中應(yīng)力速率的不同理解而引起的問題
室溫拉伸試驗方法廣泛用于測量金屬材料的力學(xué)性能，拉伸速度對于很多材料的測量結(jié)果有顯著的影響。過去，由于試驗設(shè)備控制能力限制，標(biāo)準上規(guī)定的拉伸速率范圍的上下限之比通常為10倍，如ISO 6892-1998規(guī)定的測量上屈服的應(yīng)變速率范圍的上下限之比都是10倍；對于只規(guī)定最大速率沒有寫明速率范圍的情況，ASTM A370中進一步規(guī)定，“在任何情況下，測量屈服點或者屈服強度和抗拉強度的最小實驗速率不應(yīng)低于規(guī)定的最大速率的1/10”。
而隨著傳感器和計算機控制技術(shù)應(yīng)用到拉伸機中，速率控制精度可以大幅度提高，已經(jīng)有條件把拉伸速率控制在較小的范圍內(nèi)。另一方面，拉伸速率會顯著影響很多材料的測量結(jié)果，允許的速率范圍太大不利于測量結(jié)果的再現(xiàn)性。
為了改善測量結(jié)果的再現(xiàn)性，一些鋼鐵和汽車企業(yè)采用了在標(biāo)準規(guī)定的范圍內(nèi)規(guī)定了一個指定的速率，如規(guī)定測量屈服強度采用5%Lc/min。這個指定的速率既在ASTM A370標(biāo)準規(guī)定的范圍之內(nèi)，又在ISO 6892標(biāo)準規(guī)定的范圍之內(nèi)，并且因為采用指定速度，排除了在標(biāo)準規(guī)定范圍內(nèi)采用不同速率引起測量結(jié)果變化，改善了拉伸試驗結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性。
另一方面，為了解決同樣的問題，歐洲鋼鐵標(biāo)準化委員會的第一技術(shù)委員會第一工作組（ECISS/TC1/WG1）提出了用應(yīng)變速率定義拉伸試驗的速率，并提出測量上屈服強度和非比例伸長0.2%的屈服強度采用0.00025/s±20%速率，測量下屈服強度采用0.0002/s-0.002/s速率。ECISS/TC1/WG1把研究結(jié)果和建議提交到國際標(biāo)準化組織拉伸試驗分技術(shù)委員會，ISO 6892新標(biāo)準采用了保留原來標(biāo)準的規(guī)定作為方法B，新提出方法A，在方法A中推薦測量屈服強度采用名義應(yīng)變量0.00025/s±20%速率，測量抗拉強度采用名義應(yīng)變量0.0067/s±20%速率。
上述兩種改善測量結(jié)果再現(xiàn)性的方法，采用測量抗拉強度的速率相同，而測量屈服的速率卻存在顯著差別，兩種速率比達到3.3:1，對于拉伸速率敏感的材料，兩種速率的測量結(jié)果會由顯著差異。
之所以出現(xiàn)兩種測量屈服強度的速率，來源于對標(biāo)準中應(yīng)力速率的不同理解。ISO 6892中規(guī)定測量鋼鐵的應(yīng)力速率為6MPa/s—60 MPa/s，ASTM A 370中規(guī)定測量的應(yīng)力速率為1.15MPa/s—11.5 MPa/s。對于應(yīng)力速率，可以有三種理解：
（1）從試驗開始到測出屈服強度采用閉環(huán)控制方法的實時應(yīng)力速率。
（2）實際采用應(yīng)變或者橫梁位移控制方式條件下線彈性段的應(yīng)力速率。
（3）采用橫梁位移或者應(yīng)變控制方式下從速度穩(wěn)定開始到測出屈服強度時間段的平均應(yīng)力速率。
從字面上看，第一種理解最符合標(biāo)準的字面含義。可是ASTM E8標(biāo)準注明，在許多情狀下，這種控制方法是不可行的。ASTMA 370中注明，采用閉環(huán)控制的拉伸機不應(yīng)采用應(yīng)力速率控制方式，也就是說，拉伸試驗不應(yīng)采用實時應(yīng)力速率控制方式。
第二種理解方法雖然便于實施，但是在理論和試驗中都存在缺陷，主要存在4個方面的問題：（1）理論上，在線彈性階段試樣只發(fā)生彈性變形，力的傳播速度與聲波相同，拉伸速度達不到聲波速度，所以拉伸速率不影響測量結(jié)果；而過了彈性段到測出屈服強度的彈性范圍的速率卻會影響測量結(jié)果，而按照第二種理解，標(biāo)準在不需要控制應(yīng)力速率的范圍要求控制應(yīng)力速率而在需要控制的范圍反而不按照標(biāo)準要求控制應(yīng)力速率，顯得不合理。(2)在試驗方法標(biāo)準中同時規(guī)定了不同的控制方式時，這種理解方法會使同一個標(biāo)準中不同的控制方法測量結(jié)果不一致。比如說，按照ASTM A 370中7.4.1規(guī)定，從屈服強度的一半到測出屈服強度的范圍采用位移速率1/160Lc/min-1/16Lc/min（對應(yīng)的應(yīng)變速率為0.0001/s-0.001/s），而該標(biāo)準7.4.3規(guī)定，如果采用應(yīng)力速率（只適用于不具備閉環(huán)控制的拉伸機），同樣的范圍采用的應(yīng)力速率為70MPa/min-690MPa/min。把應(yīng)力速率按照第二種理解方法換算為應(yīng)變速率，僅為0.000006/s-0.00006/s。應(yīng)變速率差別這么大，對于速率敏感的材料，測量結(jié)果會有應(yīng)力速率的歷史不符。因為在拉伸機還不能進行閉環(huán)控制的時候，拉伸試驗標(biāo)準規(guī)定應(yīng)力速率。當(dāng)時的應(yīng)力速率控制是先通過拉伸機的進油閥門，調(diào)整試驗機速率適當(dāng)后，不再調(diào)整油閥，記錄穩(wěn)定速率后到測出屈服的時間和載荷差，計算這個過程的平均應(yīng)力速率，那時候的拉伸機不能夠測量和記錄線彈性階段的應(yīng)力速率。（4）這樣理解“應(yīng)力速率”難以解釋標(biāo)準的一些條款，比如：ISO 6892-1998的10.1.1.4中規(guī)定，應(yīng)力速率應(yīng)在表3規(guī)定范圍之內(nèi)，又規(guī)定“在塑性范圍和直至規(guī)定強度應(yīng)變速率不應(yīng)超過0.0025/s”；而按照第二種理解方法，表3規(guī)定的應(yīng)力速率對應(yīng)的應(yīng)變速率不到0.0003/s，絕不會超過0.0025/s，這樣的理解與標(biāo)準條文的規(guī)定出現(xiàn)了矛盾。
第三種理解方法，雖然沒有第二種理解的那些問題，但是在ISO 6892標(biāo)準中沒有明確的表述，只有ASTM A370的7.4節(jié)給出了較明確的表述，而且也存在規(guī)定的應(yīng)力速率范圍不清晰、實際測量結(jié)果的再現(xiàn)性較差等缺陷。
正因為應(yīng)力速率存在這些問題，采用名義應(yīng)變速率規(guī)定拉伸速率成了共識；但是由于對于應(yīng)力速率理解的不同，導(dǎo)致了采用不同的應(yīng)變速率。
ASTM E8在7.6.2.2條中給出了“應(yīng)力速率”的定義，按照這個定義，“應(yīng)力速率”應(yīng)該是實時的應(yīng)力速率而對于不具備實時測控應(yīng)力速率的拉伸機，“應(yīng)力速率”可以是平均應(yīng)力速率。但是，在這個標(biāo)準的注18中，又注明采用實時應(yīng)力速率在很多情況下不可行，可行的簡單方法是采用橫梁位移速率控制方式，既舉了一個控制橫梁位移速率使彈性段應(yīng)力速率達到規(guī)定值的例子，又舉了通過控制橫梁位移速率使屈服前的應(yīng)力速率接近想要的應(yīng)力速率的另一個例子，這使不同理解下的不同做法都有理由。ASTM A370中7.4節(jié)規(guī)定的主要是橫梁位移速率，應(yīng)力速率只是不具備閉環(huán)控制功能的拉伸機可采用的速率控制方法，是指從屈服強度的一半到屈服強度的平均應(yīng)力速率。ISO 6892國際標(biāo)準中沒有明確應(yīng)力速率是指彈性段的應(yīng)力速率還是指平均應(yīng)力速率，但是方法A的起草人是把應(yīng)力速率理解為彈性段應(yīng)力速率而規(guī)定應(yīng)變速率的。
2.不同速率對于屈服強度的測量結(jié)果的影響
表1：不同名義速率下的實際速率和測量結(jié)果
從表1中的結(jié)果看，60MPa/s應(yīng)力速率測量的屈服強度低于名義應(yīng)變速率0.00083/s條件下測量的結(jié)果。為了查明原因，導(dǎo)出應(yīng)力速率控制方式的原始數(shù)據(jù)文件分析，發(fā)現(xiàn)“應(yīng)力速率”控制條件下是彈性應(yīng)力速率（Se），只是在拉伸曲線的彈性范圍內(nèi)的直線部分基本符合設(shè)定的應(yīng)力速率，實際的應(yīng)力速率在拉伸曲線直線部分終點到屈服強度對應(yīng)點的范圍內(nèi)應(yīng)力速率迅速下降，分別計算開始拉伸到屈服強度的平均應(yīng)力速率（Sm）和從屈服強度的一半到屈服強度的平均應(yīng)力速率（Smh），也列于表1。分析不同的“應(yīng)力速率”可以找到“60MPa/s應(yīng)力速率測量的屈服強度低于應(yīng)變速率0.00083/s條件下測量的結(jié)果”的原因，實際影響測量結(jié)果的不是彈性應(yīng)力速率（Se），而是從屈服強度的一半到屈服強度的平均應(yīng)力速率（Smh）。設(shè)計Se為60MPa/s，實際的Smh只有14.2MPa/s，低于設(shè)定應(yīng)變速率0.00083/s條件下的Smh(19.2MPa/s)，表1中的strain m表示平均應(yīng)變速率。
因為這次演示試驗采用的是普通的冷軋板試樣，測量結(jié)果除了速率的影響之外，還有材料不均勻的因素存在。為了進一步降低材料的不均勻性的影響，采用均勻性和穩(wěn)定性都非常好的“GSB03-2526-2009金屬材料薄板拉伸標(biāo)準樣品”重復(fù)了演示試驗四種條件下拉伸試驗，結(jié)果也列在表1中。因為“無時效薄板拉伸標(biāo)樣”經(jīng)過多個實驗室連續(xù)六年多每月測量，證明這種標(biāo)樣均勻性很好而且性能長期不變，所以，可以認為用這種標(biāo)樣驗證的測量結(jié)果變化是速率變化引起的。
為了驗證彈性段的應(yīng)力速率Se是否影響屈服強度的測量結(jié)果，采用GSB03-2526-2009金屬材料薄板拉伸標(biāo)準樣品，分別設(shè)定Se為6MPa/s和60MPa/s，并設(shè)定應(yīng)力達到100MPa時，切換為名義應(yīng)變速率0.00083/s的橫梁位移控制方式，測量結(jié)果如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可見，彈性段速率不影響測量結(jié)果。
表2：采用無時效薄板拉伸標(biāo)樣驗證
ASTM和ASME鋼鐵產(chǎn)品的標(biāo)準所引用的拉伸試驗標(biāo)準主要是ASTM A 370，ASTM A 370規(guī)定的測量屈服強度的位移對應(yīng)的名義應(yīng)變速率為0.0001/s-0.001/s。ISO 6892規(guī)定同時測量上下屈服強度的應(yīng)變速率范圍是0.00025/s-0.0025/s。一些鋼鐵和汽車企業(yè)采用名義應(yīng)變速率0.00083/s測量各項屈服指標(biāo)，兼顧不同標(biāo)準的要求。ISO 6892新標(biāo)準新增方法A，推薦測量屈服強度的應(yīng)變速率是0.00025/s。為了驗證新增方法A測量結(jié)果與原方法測量結(jié)果的偏差，用無時效薄板拉伸標(biāo)樣按照方法A進行測量，測得屈服強度Rp0.2為148.5MPa，比這種標(biāo)樣的標(biāo)準值（采用0.00083/s應(yīng)變速率測量）低4.5MPa，相對誤差約3%。
在采用同時給出了方法A和方法B的ISO 6892或者GB 228新標(biāo)準之前需要注意到兩種測量方法測量的屈服強度存在的差異和原因，測量時也要根據(jù)測量對象選擇適用的方法。否則，突然改變測量速率，會誤導(dǎo)用戶。
來源：天氏庫力 發(fā)布日期
2019-01-14 瀏覽：
