Page 30 - 理化检验-物理分册 2021年第六期
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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


            跟随名义速率变化, 但各挡名义速率对应下的试样                            头内构件呈现回复趋势, 反噬给试样, 导致引伸计测
            上应变速率变化规律则明显不同。                                    量到的试样上应变速率呈现加速增大状 态。再往
                 在弹性变形段, 试样上应变速率很低, 仅为名义                       后, 颈缩开始, 力下降加快, 反噬现象更加显著, 试样
            速率的 10% 。接近屈服变形阶段, 试样上应变速率                         上的应变速率提高更快。
            快速提升, 达到名义速率的 50% 左右。屈服之后,                        2.2.2 S31042 不锈钢
            试验机又经历了 4 次换挡, 试样上应变速率随之提                              由图3 可见, 拉伸试验中 S31042 不锈钢试样的
            高, 总体呈平台状。最大力( 抗拉强度) 附近, 试样上                       名义速率呈阶梯平台状, 试样上应变速率总体上跟
            应变速率呈现加速增大趋势。                                      随名义速率变化, 且在最大力附近出现明显的柔性
                 试样上应变速率明显低于横梁名义速率, 归因                         反噬现象, 试样上应变速率呈加速增大趋势。
            于试验装置柔性( 刚度) 影响。试验开始后, 横梁十                             与 13MnNiMoR 低合金钢相比, 在弹性阶段和
            字头按名义速率分离, 此时系统柔性较大, 除试验装                          屈服初期, 不锈钢试样上的应变速率变化特征明显
            置本身柔性外, 还存在诸如连接间隙、 试样和拉杆弯                          不同, 呈现缓慢提升状态, 如图 3c ) 所示, 未发生如

            曲、 对中偏差等附加柔性。在力的作用下, 都将转换                          图 2c ) 所示的快速提升现象。导致这一现象的原因

            为位移或变形, 抵消一部分横梁分离位移, 剩余部分                          是不锈钢材料的应力 - 应变特征。大体上, 面心立方
            传递给试样, 被引伸计测量到。随着试验进行, 力持                          材料的晶体滑移面多, 线弹性阶段过程很短, 甚至不
            续增加, 附加柔性趋近于零, 试验装置柔性 呈线弹                          存在绝对的线弹性阶段。试验开始后不久, 与弹性
            性。试样处于弹性段时, 引伸计实时测得的试样上                            模量相似的应力 - 应变曲线的斜率持续趋缓, 应力 -

            应变速率近似平台状, 如图 2c ) 中 30s之前。                        应变曲线的增长非线性, 如图3a ) 所示, 未发生如图

                 弹性段末期, 或者屈服开始之后, 位错源开动,                      2a ) 所示的力值突然( 或快速) 停滞且试样变形迅速
            试样变形相对容易, 与弹性模量相似的应力 - 应变曲                         增加现象, 致使柔性反噬现象的作用明显减弱。

            线的斜率[ 图 2a ) 中的斜线] 发生转折, 力的增长出                        S31042不锈钢试样上应变速率的持续提升, 恰
            现减速甚至下跌, 符合胡克定律的系统刚度引起的                            恰也证实了柔性反噬现象一直存在。随着试验进行,

            变形增长速率衰减, 除引伸计标距( 50 mm 试样平                        当与形变强化指数相关的应力 - 应变曲线斜率较为平
            行段) 的十字头范围内的变形将减速、 停滞, 甚至在                         缓时, 试样上的应变速率才稳定下来, 形成平台状。
            力值下跌时出现变形回复。与此同时, 十字头位移                                同一演示速率下, 不锈钢试样在屈服强度附近
            速率恒定, 十字头范围内的总位移仍然匀速增加, 引                          的应变速率低于低合金钢试样约 20% 。笔者认为,
            伸计标距内的试样平行段将承担更多变形, 反馈给                            这是由两种类型材料的不同拉伸性能特征造成的。
            引伸计, 表现为试样上应变速率的大幅提升。之后,                           要接近目标值, S31042 不锈钢试样还需要进一步提
            与材料形变强化指数有关的应力 - 应变曲线斜率趋                           高第 1 挡名义速率。

            于缓和, 试样引伸计标距范围内平行段与系统刚度                           2.2.3 GB / T228.1-2010 中的刚度修正方法
            重新达成平衡, 形成新的应变速率平台, 如图 2c ) 中                          GB / T228.1-2010 的附录 F 给出了横梁位移


            35~45s所示。简单来说, 弹性阶段结束后, 试样上                        速率的刚度修正方法, 其核心是把试验装置柔性看

            的力与变形不再保持线性关系, 十字头范围内的总                            作等效试样平行段长度, 同比例估算为修正速率。
            位移( 变形) 重新分配, 表现为引伸计测量到的试样                         然而, 准确测定试验装置刚度非常困难, 其与不同试
            上应变速率的大幅提升。观察发现, 很多材料均存                            验机的机架本身、 夹持方式、 试样形状和大小、 材料
            在这样的现象, 有时甚至在瞬时惯性作用下形成一                            特性等均有关系。此外, 试验者的认知和复杂的计
            个脉冲状应变速率高峰, 笔者暂将之称为柔性反噬                            算过程, 亦可能导致较大的误差。
            现象。着重指出, 反噬现象的本质是试样变形加速,                               演示试验中, 同一名义速率试验方案的不锈钢
            导致试验装置系统( 引伸计范围之外) 弹性变形减速                          试样上的应变速率与期望值误差 20% , 表明对于不
            或回复, 甚至反过来进一步促进试样的变形。                              同类型材料, 将刚度问题简单处理为等效试样平行
                 在最大力( 抗拉强度) 附近, 如图2d ) 所示, 柔性                 长度的修正方法, 值得商榷。附录 F 引发的争议较

            反噬现象再次发生, 其原理与屈服初期一样。力的                            多, 不一一列举, 代表性观点如文献[ 4 ], 认为刚度修
            增加出现停滞或开始下降, 与系统刚度关联的十字                            正把仅适用弹性段的胡克定律借用到测试屈服强度
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