塑性應(yīng)變比(r值)反映了金屬薄板在拉伸加載過(guò)程中抵抗變薄破斷的能力，不同取樣方向測(cè)得的r值可以反映材料自身的各向異性。在單軸拉伸力的作用下，將試樣拉伸到均勻塑性變形階段，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的工程應(yīng)變水平時(shí)，測(cè)試并計(jì)算試樣的長(zhǎng)度和寬度變化，再利用塑性變形前后體積不變?cè)韺?dǎo)出的公式計(jì)算得到r值。
常見的影響r值測(cè)試結(jié)果的因素有：不同的測(cè)試方式和評(píng)估方法、試樣(彎、扭、弓形等異常)的對(duì)中性、試樣制備(試樣表面和邊緣質(zhì)量)、實(shí)驗(yàn)室的條件、縱向和橫向引伸計(jì)測(cè)試、試樣的非均勻變形等。其中縱向和橫向引伸計(jì)直接與試樣接觸，是最關(guān)鍵的因素。來(lái)自武鋼有限質(zhì)檢中心的張宏嶺、向前等研究人員選取了縱向和橫向引伸計(jì)抖動(dòng)、夾持不良、下垂、定位不準(zhǔn)等異常導(dǎo)致r值測(cè)試結(jié)果偏差的案例，并對(duì)其進(jìn)行了深入分析，找到了一些處理措施，以供業(yè)內(nèi)人士參考。
一、試驗(yàn)材料及試驗(yàn)條件
試驗(yàn)材料為冷軋?zhí)丶?jí)超深沖鋼；GB-P6樣(標(biāo)距80mm、寬度20mm)，JIS-5樣(標(biāo)距50mm、寬度25mm)；采用Z050、 Z100型全自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)(0.5級(jí)精度)和接觸式縱向、橫向高分辨率數(shù)字引伸計(jì)(0.5級(jí)精度)；采用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》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試；橫梁位移控制等效應(yīng)變速率為0.00025 s-1，屈服后應(yīng)變速率為0.0067s-1。
二、試驗(yàn)案例
2.1 案例1(橫向引伸計(jì)抖動(dòng))
在自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)一件DC06牌號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)P6試樣進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，測(cè)試參數(shù)設(shè)置滿足標(biāo)準(zhǔn)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》要求，r值測(cè)試結(jié)果為8.463，而該類鋼材的r值一般為2.6~3.0，結(jié)果明顯偏高。
圖1 寬度方向塑性變形y 軸存在正向偏離的
r 值-應(yīng)力關(guān)系曲線(案例1)
寬度方向塑性變形y軸存在正向偏離的r值-應(yīng)力關(guān)系曲線如圖1所示，寬度方向塑性變形有明顯突變的r 值-應(yīng)力關(guān)系曲線如圖2所示。
圖2 寬度方向塑性變形有明顯突變的r值-應(yīng)力關(guān)系曲線(案例1)
經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：在塑性應(yīng)變?yōu)?0.6%~0.6%時(shí)，寬度方向塑性變形的y軸存在正向偏離；在塑性應(yīng)變?yōu)?10%~10%時(shí)，應(yīng)力達(dá)到158MPa時(shí)寬度方向塑性變形有明顯突變。
圖3 伸長(zhǎng)率-寬度關(guān)系曲線(案例1)
由伸長(zhǎng)率-寬度變化曲線(見圖3)可知，曲線存在明顯突變點(diǎn)，說(shuō)明橫向引伸計(jì)發(fā)生抖動(dòng)。經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橫向引伸計(jì)的一組接觸柱的固定螺釘出現(xiàn)輕微松動(dòng)，測(cè)試過(guò)程中接觸柱與試樣滑動(dòng)時(shí)出現(xiàn)異常抖動(dòng)，導(dǎo)致橫向引伸計(jì)跟蹤錯(cuò)誤。
2.2 案例2(引伸計(jì)夾持不良)
在自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)一組WEDQ牌號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)5號(hào)試樣進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，測(cè)試參數(shù)設(shè)置滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010要求，r值測(cè)試結(jié)果為0或大于100，而該類鋼材的r測(cè)試值一般為2.8~3.2，測(cè)試結(jié)果明顯異常。
圖4 測(cè)試時(shí)間-寬度關(guān)系曲線(案例2)
測(cè)試時(shí)間-寬度關(guān)系曲線如圖4所示，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：測(cè)試時(shí)間為3s時(shí)，縱向及橫向引伸計(jì)跟蹤曲線都出現(xiàn)異常抖動(dòng)。經(jīng)過(guò)調(diào)查可知，這是因?yàn)闄M向引伸計(jì)在初始夾持試樣時(shí)，夾持位置在夾持柱外側(cè)，在拉伸過(guò)程中，橫向引伸計(jì)抖動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)縱向引伸計(jì)抖動(dòng)。
2.3 案例3(橫向引伸計(jì)下垂)
在自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)一件WDQ牌號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)5號(hào)試樣進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，測(cè)試參數(shù)設(shè)置滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010要求，r值測(cè)試結(jié)果為3.35，而該類鋼材的r值一般為2.7~3.2，測(cè)試結(jié)果偏高。
圖5 寬度、長(zhǎng)度方向塑性變形的r值-應(yīng)力關(guān)系曲線(案例3)
寬度、長(zhǎng)度方向塑性變形的r值-應(yīng)力關(guān)系曲線如圖5所示。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：隨著應(yīng)變的增大，r值逐步增大。經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，寬度引伸計(jì)輕微下垂，5號(hào)試樣標(biāo)距僅50mm，在拉伸過(guò)程中，寬度引伸計(jì)與縱向引伸計(jì)夾持臂發(fā)生接觸，導(dǎo)致縱向引伸計(jì)跟蹤不良。
2.4 案例4(縱向引伸計(jì)定位不準(zhǔn))
在自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)一件DC06牌號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)P6試樣進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，測(cè)試參數(shù)設(shè)置滿足要求，r值測(cè)試結(jié)果為3.25，而該類鋼材的r值一般為2.6~3.0，測(cè)試結(jié)果異常。
圖6 寬度、長(zhǎng)度方向塑性變形的r值-塑性應(yīng)變和應(yīng)力-塑性應(yīng)變關(guān)系曲線(案例4)
寬度、長(zhǎng)度方向塑性變形的r值-塑性應(yīng)變和應(yīng)力-塑性應(yīng)變關(guān)系曲線如圖6所示，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：r值衰減幅度較大，經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，縱向引伸計(jì)的原始標(biāo)距定位明顯小于設(shè)定值。
三、 異常數(shù)據(jù)理論分析
測(cè)試r值時(shí)，使用式(1)進(jìn)行計(jì)算，由于r值的評(píng)估只針對(duì)塑性變形階段，因此試驗(yàn)機(jī)采集厚度、寬度、標(biāo)距等數(shù)據(jù)時(shí)不考慮彈性階段的影響，使用式(2)~(3)進(jìn)行計(jì)算。
引伸計(jì)狀態(tài)直接影響r值的檢測(cè)結(jié)果，比如：試樣寬度方向的真實(shí)變形與引伸計(jì)測(cè)得數(shù)值之間的差異、引伸計(jì)長(zhǎng)度、裝夾部位和形式(更靠近過(guò)渡弧還是在標(biāo)距正中)、引伸計(jì)刀口與試樣表面的相對(duì)滑動(dòng)、寬度測(cè)試裝置的裝夾效應(yīng)等。蘇大雄等發(fā)現(xiàn)標(biāo)距長(zhǎng)度和寬度的測(cè)試位置，會(huì)影響r值的檢測(cè)準(zhǔn)確度。
案例1中，在測(cè)試初始階段，因橫向引伸計(jì)裝夾不良，引伸計(jì)信號(hào)顯示出一些正向應(yīng)變， r 值降低，Δb減少量很小，對(duì)r值影響不大；工程應(yīng)力達(dá)到158MPa時(shí)，橫向引伸計(jì)出現(xiàn)異常抖動(dòng)造成寬度Δb異常偏高，從而r值異常高。
案例2中，寬度引伸計(jì)異常抖動(dòng)造成Δb異常偏高，從而導(dǎo)致r值異常高。
案例3中，橫向引伸計(jì)阻礙了縱向引伸計(jì)的跟蹤變形，縱向引伸計(jì)的測(cè)試滯后于寬度引伸計(jì)的，使Δb測(cè)試值偏大，r值也偏大。
案例4中，縱向引伸計(jì)的測(cè)試長(zhǎng)度L0小于設(shè)定原始標(biāo)距，測(cè)試時(shí)試樣的實(shí)際塑性伸長(zhǎng)大于理論值，導(dǎo)致試樣寬度Δb增大，r值異常偏高。
上述案例進(jìn)一步說(shuō)明r值測(cè)試是否準(zhǔn)確與縱、橫向引伸計(jì)測(cè)試是否準(zhǔn)確有關(guān)，對(duì)檢測(cè)同步性也提出了要求，即r值測(cè)試偏差的本質(zhì)就是縱、橫向引伸計(jì)測(cè)試反饋不同步。
四、 處理措施
鑒于材料的多樣性及復(fù)雜性、受力后試樣變形的不均勻性及測(cè)試條件變化，處理r值測(cè)試異常時(shí)，可充分利用各類圖形排查原因?？赏ㄟ^(guò)縱向引伸計(jì)的變形-時(shí)間曲線、寬度-時(shí)間關(guān)系曲線確認(rèn)引伸計(jì)運(yùn)行情況，通過(guò)寬度及長(zhǎng)度塑性變形-應(yīng)力圖形查看雙向引伸計(jì)測(cè)試期間對(duì)應(yīng)關(guān)系是否正常，通過(guò)瞬時(shí)r值與時(shí)間相關(guān)性曲線跟蹤r值測(cè)試結(jié)果是否異常，逐項(xiàng)分析排查，準(zhǔn)確查找異常產(chǎn)生的原因。
日常維護(hù)時(shí)，要注意做好引伸計(jì)、測(cè)試臺(tái)等機(jī)械部位日常維護(hù)；測(cè)試時(shí)通常只進(jìn)行引伸計(jì)的跟蹤過(guò)程變化值確認(rèn)，但是縱向引伸計(jì)的原始標(biāo)距因不斷定位會(huì)產(chǎn)生累積偏移，要注意如果不能直接測(cè)試標(biāo)定，可將引伸計(jì)夾頭涂覆印泥測(cè)試刀刃在試樣上留下的印痕距離間接標(biāo)定原始標(biāo)距。
金屬薄板和薄帶的r值測(cè)試影響因素很多，還可以通過(guò)以下方式做好測(cè)試工作：定期測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)樣品，結(jié)合控制圖等手段跟蹤結(jié)果；設(shè)置不同材料的r值，利用試驗(yàn)機(jī)或管理手段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控等。
五、結(jié)論及建議
案例中r值測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏差是縱、橫向引伸計(jì)測(cè)試反饋不同步造成的。橫向引伸計(jì)抖動(dòng)、接觸角柱變形磨損、閉合彈簧失效、裝夾不良、縱向原始標(biāo)距定位偏小、夾持在試樣過(guò)渡弧處等均造成Δb異常偏大，破壞了其與ΔL的對(duì)應(yīng)關(guān)系，導(dǎo)致r值偏大，反之會(huì)導(dǎo)致r值偏小。引伸計(jì)、測(cè)試臺(tái)等機(jī)械部位的日常保養(yǎng)和維護(hù)至關(guān)重要。
建議設(shè)備制造商先升級(jí)軟件功能，應(yīng)能顯示拉伸試驗(yàn)過(guò)程中各測(cè)試通道，特別是縱向、橫向引伸計(jì)變形與時(shí)間、載荷的關(guān)系曲線,以監(jiān)控引伸計(jì)工作狀態(tài)；再升級(jí)硬件功能，解決縱向引伸計(jì)原始標(biāo)距定位偏移、缺乏直接檢定手段等問(wèn)題,以獲得可靠的測(cè)試結(jié)果。
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