Page 28 - 理化检验-物理分册 2021年第六期

敬仕煜, 等: 横梁位移模式下的拉伸试验速率控制与验证测试方案

型电子拉伸试验机, 最大力为 250kN 。测试软件为 ( 即 60mm )。

TW Elite , 版 本 号 4.3.1.375 。 引 伸 计 型 号 为 试验中, 引伸计持续跟踪试样, 计算机自动读取

635.25F-24 , 标距为 50mm 。 变形。过了最大力, 取下引伸计, 这样做的目的是使
试验 材 料 为 13MnNiMoR 钢 和 S31042 钢 两 引伸计尽可能地跟踪试验全部过程。
种, 前者为低合金钢, 体心立方晶体结构, 后者为奥 1.2 演示试验结果
氏体不锈钢, 面心立方晶体结构。选择两种类型材 试验结束后, 从试验机的计算机系统导出原始
料进行拉伸试验, 除有利于观察试验装置柔性对应 数据 Excel表, 包括时间、 横梁位移、 引伸计变形、 力
变速率的影响外, 还可使这种观察具有较好的代表 值 / 应力等。很容易发现, 设置的横梁名义速率和横

性意 义。 试 样 为 直 径 10 mm 的 圆 棒, 平 行 段 长 梁实时位移速率基本完全等效, 表明试验机准确地
60mm , 标距长 50mm , M18 双头螺纹。试样与试 执行了试验方案命令。

验机采用拉杆连接方式, 如图 1 所示。 对原始数据进行处理, 计算实时的名义速率 D
和试样上应变速率 ε , 并以时间为横坐标绘图, 计算
式如下
D =ΔL / Δt / 60 ( 1 )
ε=Δl / Δt / 50 ( 2 )
式中: Δ L 为单位时间内横梁位移增量; Δl 为单位
时间内引伸计变形增量; Δ t 为单位时间。
图 2 和图 3 为两种材料的拉伸试验结果。由图
2可见, 对 13MnNiMoR 低合金钢, 测定屈服强度和
图 1 试样夹持方式示意图

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抗拉强度时, 试样上应变速率分别为 0.00024s
Fi g 1 Schematicdia g ramofsam p leclam p in gmode

和0.0068s , 与目标值吻合良好。而图3 表明, 对

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演示 试 验 的 应 变 速 率 控 制 目 标 为 屈 服 阶 段

0.00025s , 抗 拉 强 度 阶 段 0.0067s , 这 也 是 S31042 不锈钢, 测定屈服强度和抗拉强度时, 试样

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上应变速率分别为 0.0002s 和 0.0070s , 屈服
GB / T228.1-2010 的推荐速率之一。试验方案按
强度时的应变速率比目标值低了约 20% 。
横梁位移速率设置, 共 5 挡, 依次是:

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第1挡, 1.8mm · min ( 名义速率 0.0005s ), 2 分析与讨论

横梁位移终点1.5mm ;
2.1 试验速率对主要拉伸性能指标的影响
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第2挡, 5.0mm · min ( 名义速率 0.0014s ),
金属材料拉伸试验过程中, 在弹性变形阶段, 弹
横梁位移终点2.5mm ;
性波的传播速率等同于声波, 试验速率( 应变或应力
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第3 挡, 10mm · min ( 名义速率0.0028s ),
速率) 几乎没有影响; 在屈服和均匀塑性变形阶段,
横梁位移终点 3.5mm ;
位错的移动行为与时间相关, 速率增加意味着与原
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第4 挡, 25mm · min ( 名义速率0.0069s ),
子扩散有关的位错运动阻力增加, 对材料屈服强度
横梁位移终点 4.5mm ;
影响较大; 在聚集塑性变形( 颈缩) 和断裂阶段, 速率
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第5 挡, 50mm · min ( 名义速率0.0139s ),
对裂纹萌生和扩展的影响又不同于屈服阶段的位错
至断裂。
要说明的是, 上述 5 挡速率的设置仅适用于笔 大规模滑移 [ 8 ] , 表现为对抗拉强度影响转而减小。

者所在的试验室, 其他试验室采用这一方案可能会 ASTM E8-16aStandard Test Methodsf or

得到不同的结果。演示试验旨在揭示名义速率与试 TensionTestin go f MetallicMaterials 指出, 应变
样上应变速率之间的关联, 其他试验室设置的任意 速率的改变可影响屈服强度、 抗拉强度和断后伸长
速率, 尽管结果不同, 但不会对相关讨论造成实质性 率, 尤其对应变速率敏感性较高的材料。通常, 屈服
影响。演示试验方案的第 1 挡速率和第 5 挡速率颇 强度和抗拉强度会随应变速率增加而增加, 而抗拉
强度影响相对较小, 伸长率值一般随应变速率增加
为重要, 预计将分别对应屈服强度和抗拉强度测定,
中间 3 挡则可使速率提升过程相对平稳。名义速率 而减小。国内研究 [ 9-11 ] 也认为应变速率对屈服强度
等 于 横 梁 位 移 速 率 除 以 试 样 平 行 段 长 度 的影响较大, 对抗拉强度和断后伸长率的影响较小。
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