分享：試樣尺寸對(duì)冷軋板拉伸曲線的影響

金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)是冷軋鋼板最重要的檢驗(yàn)項(xiàng)目之一,在試驗(yàn)過(guò)程中可以得到材料的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。但在實(shí)際進(jìn)行金屬材料拉伸試驗(yàn)過(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)許多對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成嚴(yán)重影響的因素。對(duì)有明顯屈服現(xiàn)象的冷軋材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其在均勻塑性變形階段的拉伸曲線出現(xiàn)異常抖動(dòng)現(xiàn)象,筆者對(duì)該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析,并研究了試樣寬度對(duì)冷軋板拉伸曲線的影響,研究結(jié)果可為提高冷軋板的質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)。 

1.   試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

1.1   試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)材料選用有明顯屈服現(xiàn)象的冷連軋低合金高強(qiáng)度HC260L鋼板材料,采用全自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī),依照GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn),其縱向、橫向引伸計(jì)為接觸式高分辨率數(shù)字引伸計(jì)（0.5級(jí)精度）,試樣尺寸符合GB/T 228.1—2021對(duì)P17試樣的要求。 

1.2   試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試時(shí),發(fā)現(xiàn)屈服點(diǎn)延伸率達(dá)18.3%,實(shí)際屈服點(diǎn)延伸率為4%,明顯偏高,導(dǎo)出曲線發(fā)現(xiàn)縱向應(yīng)變?yōu)?2%,應(yīng)變?yōu)?8%處出現(xiàn)明顯抖動(dòng)（見(jiàn)圖1）。屈服點(diǎn)延伸終止點(diǎn)約為18%應(yīng)變處,同時(shí)在對(duì)應(yīng)位置的n（加工硬化指數(shù)）值曲線也出現(xiàn)明顯抖動(dòng)（見(jiàn)圖2）。正常情況下,該階段拉伸曲線應(yīng)平滑上升,n值曲線在很小范圍內(nèi)波動(dòng)。 

圖  1  拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖  2  拉伸試驗(yàn)n值曲線

影響屈服點(diǎn)延伸率測(cè)定的因素主要為：試驗(yàn)材料本身特性,試驗(yàn)機(jī)軟件參數(shù)的設(shè)定及硬件狀態(tài)。分析本次試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)試樣夾持段無(wú)打滑痕跡,液壓夾具未泄壓。將拉伸曲線轉(zhuǎn)換為速率-時(shí)間曲線,橫梁位移控制曲線（見(jiàn)圖3黑色曲線）無(wú)明顯波動(dòng),說(shuō)明速率控制無(wú)異常。進(jìn)一步分析引伸計(jì)跟蹤速率曲線（見(jiàn)圖3紅色曲線）,發(fā)現(xiàn)在時(shí)間約為95,105,115 s處,曲線有明顯波動(dòng)。將曲線轉(zhuǎn)換為應(yīng)力-時(shí)間曲線（見(jiàn)圖4）,發(fā)現(xiàn)在時(shí)間約為95,105,115 s處,應(yīng)力出現(xiàn)明顯波動(dòng)。 

圖  3  拉伸試驗(yàn)橫梁位移-時(shí)間曲線

圖  4  拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-時(shí)間曲線

按同規(guī)格尺寸重新加工試樣,更換到另外一臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：屈服點(diǎn)延伸率為8.16%,實(shí)際屈服點(diǎn)延伸率約為4%,屈服點(diǎn)延伸終止點(diǎn)仍然在曲線均勻塑性變形階段的異常波動(dòng)最低點(diǎn)上,結(jié)果仍然偏高,在異常抖動(dòng)部位對(duì)應(yīng)的n值曲線也發(fā)生劇烈波動(dòng)。因此可以排除設(shè)備力值傳感器及引伸計(jì)等硬件因素的影響。 

圖  5  另一臺(tái)設(shè)備下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及n值曲線

2.   試樣尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

王必磊等[1]發(fā)現(xiàn)低碳鋼屈服延伸現(xiàn)象的影響因素包括碳元素含量、晶粒尺寸、合金元素、熱處理工藝參數(shù)和應(yīng)變等。選取帶有不同形態(tài)明顯屈服和無(wú)明顯屈服的5個(gè)試樣,按GB/T 228.1—2021、EN ISO 6892-1—2019 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》、JIS Z-2241:2011 《金屬材料 拉伸試驗(yàn)方法》,GB/T 5028—2008 《金屬材料 薄板和薄帶 拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)(n值) 的測(cè)定》,將5個(gè)試樣分別加工成7種尺寸（見(jiàn)表1）,使用同臺(tái)拉伸試驗(yàn)機(jī),按GB/T 228.1—2021進(jìn)行試驗(yàn),采用控制試樣平行長(zhǎng)度應(yīng)變速率的方式來(lái)控制試驗(yàn)速率。結(jié)合文獻(xiàn)[2]中瞬時(shí)拉伸應(yīng)變硬化曲線方法進(jìn)行分析[2]。 

不同尺寸的試樣1（無(wú)明顯屈服）應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n4-6（應(yīng)變?yōu)?%~6%時(shí)的加工硬化指數(shù)平均值）值曲線如圖6所示,試樣1的n4-6值及屈服點(diǎn)延伸率的標(biāo)準(zhǔn)差如表2所示。由圖6和表2可知：試樣1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n4-6值曲線無(wú)異常,n4-6值及屈服點(diǎn)延伸率的標(biāo)準(zhǔn)差無(wú)明顯差異。 

圖  6  不同尺寸的試樣1應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n4-6值曲線

不同尺寸的試樣2（單次明顯屈服）應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n4-6值曲線如圖7所示,試樣2的n4-6值及屈服點(diǎn)延伸率的標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果如表3所示。由圖7和表3可知：對(duì)于尺寸1和尺寸2的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n4-6值曲線,當(dāng)應(yīng)變約為2%時(shí),試樣完成屈服到抗拉的速率切換,在均勻塑性變形階段,應(yīng)變?yōu)?%~7%處曲線出現(xiàn)異常波動(dòng),尺寸7的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n4-6值曲線無(wú)異常波動(dòng)；尺寸1和尺寸2的n4-6均值偏低,屈服點(diǎn)延伸率均值無(wú)明顯異常,但n4-6值和屈服點(diǎn)延伸率的標(biāo)準(zhǔn)差明顯增大。 

圖  7  不同尺寸的試樣2應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n4-6值曲線

不同尺寸的試樣3（多次明顯屈服）應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n5-10（應(yīng)變?yōu)?%~10%時(shí)的加工硬化指數(shù)平均值)值曲線如圖8所示,試樣3的n5-10值及屈服點(diǎn)延伸率的標(biāo)準(zhǔn)差如表4所示。由圖8和表4可知：對(duì)于尺寸1和尺寸2的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n5-10值曲線,當(dāng)應(yīng)變約為4%時(shí),試樣完成屈服到抗拉的速率切換,在均勻塑性變形階段,應(yīng)變約為5%~10%處曲線出現(xiàn)異常波動(dòng),尺寸7的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n5-10值曲線無(wú)異常波動(dòng)；尺寸1和尺寸2的n5-10均值和屈服點(diǎn)延伸率均值偏高,且n5-10值和屈服點(diǎn)延伸率的標(biāo)準(zhǔn)差明顯增大。 

圖  8  不同尺寸的試樣3應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n5-10值曲線

不同尺寸的試樣4（多次明顯屈服）應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n5-10值曲線如圖9所示,試樣4的n5-10值及屈服點(diǎn)延伸率的標(biāo)準(zhǔn)差如表5所示。由圖9和表5可知：對(duì)于尺寸1和尺寸2的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n5-10值曲線,當(dāng)應(yīng)變約為4%時(shí),試樣完成屈服到抗拉的速率切換,在均勻塑性變形階段,應(yīng)變約為5%~10%處曲線出現(xiàn)異常波動(dòng),尺寸7的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n5-10值曲線無(wú)異常波動(dòng)；尺寸1和尺寸2的n5-10均值偏高,屈服點(diǎn)延伸率均值差異不明顯,但n5-10值和屈服點(diǎn)延伸率的標(biāo)準(zhǔn)差明顯增大。 

圖  9  不同尺寸的試樣4應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n5-10值曲線

不同尺寸的試樣5（多次明顯屈服）應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n15-20（應(yīng)變?yōu)?5%~20%時(shí)的加工硬化指數(shù)平均值）值曲線如圖10所示,試樣5的n15-20值及屈服點(diǎn)延伸率的標(biāo)準(zhǔn)差如表6所示。由圖10和表6可知：對(duì)于尺寸1和尺寸2的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n15-20值曲線,當(dāng)應(yīng)變約為8%時(shí),試樣完成屈服到抗拉的速率切換,在均勻塑性變形階段,應(yīng)變約為15%~20%處曲線出現(xiàn)異常波動(dòng),尺寸7的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n15-20值曲線無(wú)異常波動(dòng)；尺寸1和尺寸2的n15-20均值和屈服點(diǎn)延伸率均值偏高,且n15-20值和屈服點(diǎn)延伸率的標(biāo)準(zhǔn)差明顯增大。 

圖  10  不同尺寸的試樣5應(yīng)力-應(yīng)變曲線及對(duì)應(yīng)n15-20值曲線

綜上所述,主要是尺寸1和尺寸2（夾持與平行段寬度比值為1.2）的試樣在均勻塑性變形階段曲線發(fā)生異常波動(dòng)。試樣3,4為鋸齒型材料,可以看出試樣3,4的曲線波動(dòng)更明顯,說(shuō)明有明顯屈服現(xiàn)象材料,試樣寬度尺寸不匹配是導(dǎo)致均勻塑性變形階段曲線出現(xiàn)異常波動(dòng)的原因,且容易造成屈服點(diǎn)延伸率和n值波動(dòng)。 

3.   綜合分析

拉伸試驗(yàn)過(guò)程中,材料從受力到斷裂是閉環(huán)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,材料從相對(duì)薄弱、橫截面積最小的部位開(kāi)始變形。尺寸6未開(kāi)肩,試樣橫截面積不發(fā)生波動(dòng),變形過(guò)程無(wú)明顯差異,因此曲線無(wú)異常波動(dòng)。加工過(guò)的試樣從橫截面積小的平行段開(kāi)始發(fā)生變形,隨著施加力的增大,材料平行段先經(jīng)過(guò)屈服階段,然后進(jìn)入均勻塑性變形階段,平行段與夾持段的圓弧過(guò)渡段以及夾持段外露材料逐步發(fā)生明顯屈服現(xiàn)象；但平行段還未達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度,曲線上反應(yīng)出在均勻變形階段（即強(qiáng)化階段）發(fā)生力的波動(dòng),同時(shí)縱向引伸計(jì)無(wú)法跟蹤到標(biāo)距外的屈服伸長(zhǎng)變化,導(dǎo)致其跟蹤曲線上下波動(dòng)。如平行段到達(dá)抗拉強(qiáng)度,過(guò)渡段及夾持外露段未達(dá)到屈服,則不會(huì)出現(xiàn)曲線異常波動(dòng)現(xiàn)象。 

可總結(jié)出拉伸曲線在塑性變形階段波動(dòng)的條件為：材料有明顯下屈服；拉伸試樣夾持段及過(guò)渡弧外露,拉伸試樣夾持寬度與平行段寬度比值小于材料屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的某個(gè)閾值；根據(jù)GB/T 228.1—2021,可推導(dǎo)出發(fā)生曲線異常波動(dòng)的條件如式（1）所示。 

式中：ReL為屈服強(qiáng)度；a0為厚度；b0為平行段寬度；B為夾持段寬度；Rm為抗拉強(qiáng)度。 

將尺寸1和尺寸2的數(shù)據(jù)代入式（1）中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度比值小于0.83時(shí),就會(huì)發(fā)生曲線異常波動(dòng)現(xiàn)象。絕大多數(shù)冷軋產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度比值都在這個(gè)范圍。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步收集冷軋鍍錫板、硅鋼板、普板、鍍鋅板等試樣的數(shù)據(jù),經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在滿足上述條件時(shí),材料也存在曲線異常波動(dòng)現(xiàn)象。將夾持段寬度與平行段寬度的比值設(shè)置為滿足拉伸曲線在塑性變形階段不發(fā)生異常波動(dòng)條件的下限,以統(tǒng)一的試樣加工寬度,可以得到準(zhǔn)確的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。 

4.   結(jié)論及建議

對(duì)于有明顯屈服現(xiàn)象的冷軋材料,拉伸試樣夾持寬度與平行寬度比值為1.2時(shí),在拉伸試驗(yàn)均勻塑性變形階段曲線易發(fā)生異常波動(dòng)現(xiàn)象；均勻塑性變形階段曲線異常波動(dòng)會(huì)造成屈服點(diǎn)延伸率、n值等指標(biāo)產(chǎn)生不同程度的波動(dòng),進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。 

建議拉伸試驗(yàn)機(jī)廠家在測(cè)試軟件界面增加金屬瞬時(shí)拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)曲線。對(duì)于有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料,應(yīng)對(duì)拉伸曲線均勻塑性變形階段進(jìn)行辨識(shí),如曲線出現(xiàn)異常波動(dòng),可采用增大加持段與平行段寬度比值的取樣方式,也可以增大夾具夾持面積,以避免試樣夾持段外露。

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