Page 42 - 理化检验-物理分册2024年第八期

沈 勇，等：Zr 61 Ti 2 Cu 25 Al 12 非晶态合金在四点弯曲加载模式下的弯曲弹性极限

点处最外表层产生0.01%残余应变对应的残余挠度 （4）采用线性内插法得到残余挠度δ 对应的
p0.01
δ p0.01 的计算公式为 载荷P ，其计算公式为
p
0.000 1 L 2 2 )  P -P 
( 3 -4a
δ = （9） = P n +P  n n -1 ( - δ ⋅  δ n ) （10）
p0.01 12h p -1  δ n -δ n -1  p -1
按ZT1 合金四点弯曲试样的名义厚度1.5 mm 式中：P 和δ 分别为最后一次加载的最大载荷和残
n
n
和L=20 mm、a=5 mm，可计算出残余挠度δ p0.01 非 余挠度；P 和δ n-1 分别为之前一次加载的最大载荷
n-1
常微小，仅为6.1 μm，显然这对测量系统（载荷、位 和残余挠度。
移）精度和试验装置对齐都提出了很高的要求。在 （5）计算弯曲弹性极限σ ，将P 代入弹性阶
p0.01 p
Instron 5848型材料试验机上进行四点弯曲试验。试 段最外表层应力计算公式，得到
验机载荷传感器满量程为2 kN，载荷测量误差是读 3aP
σ = （11）
数的±0.5%，保证测量精度的载荷为 4~2 000 N。 bh 2

夹具下跨距为20 mm，上跨距为10 mm，压辊和支承 采用激光共聚焦显微镜观察测试后试样的外侧
辊的直径为2.5 mm，压辊和支承辊均可自由转动， 表面形貌。
以减少摩擦力的影响。使用特制的专用工具辅助夹 测量四点弯曲试样跨中挠度y，在线弹性阶段用
具对中和试样对齐。采用GA-1型回弹式LVDT（直 载荷增量ΔP和相应的挠度增量Δy计算弯曲弹性模
线位移传感器），测量四点弯曲试样在跨中位置处的 量E的计算公式为
挠度y。LVDT的量程为2 mm，分辨力为0.01 μm， ∆ P 11L 3
测量误差为±1 μm。LVDT顶端从下夹具中心孔穿 E = ∆ y ⋅ 64bh 3 （12）
过，接触试样在跨中位置处的最外表层。LVDT的
对应最外表层应变ε的计算公式为
电压输出信号经标定后与试验机软件兼容，保证“载
荷-跨中挠度”数据的同步输出与记录。弯曲试验开 ε = 48hy （13）
始前，在四点弯曲夹具上先放置宽度为5 mm、厚度 11L 2
测量四点弯曲试样加载点挠度y′时，在线弹性
为8 mm、长度为30 mm的马氏体不锈钢厚板，加载
阶段用载荷增量ΔP和相应的挠度增量Δy′计算弯曲
至ZT1试样预期最大载荷，保持60 s后卸载，反复执
弹性模量E的计算公式为
行该操作3次后取下厚板，以消除试验机系统缝隙的
影响。 E = ∆ P ⋅ L 3 （14）
参考ASTM E855-21和YB/T 5349—2014中规 ∆ y′ 8bh 3
定的循环加载-卸载试验方法，ZT1合金弯曲弹性极 与之对应最外表层应变ε 的计算公式为
限测量的主要步骤如下所述。 6hy′
ε = （15）
（1）先进行一次单调加载弯曲试验，预估弯曲弹 L 2
性极限σ 。因为试样尺寸很小，因此机架系统的接
p 2 试验结果与讨论
触变形可忽略不计，此处可采用横梁位移近似评价
2.1 单调加载试验
试样在加载点处的弯曲挠度。
ZT1 合金四点弯曲试样单调加载模式下的载
（2）循环加载-卸载试验前，先将试样对称地安
荷-挠度曲线如图3所示，横坐标采用横梁位移近似
放于四点弯曲试验装置上，再安装LVDT，试样对齐
评价试样在加载点处的弯曲下压挠度。当挠度达到
后加载至相当于大约6%σ 的预载荷P ，以避免系统
0
p
在零点附近的非线性响应。 4.9 mm时（图3中C点）卸载。试验机横梁的位移速
（3）从P 加载至约 70%σ ，保持 15 s后卸载至 率为0.09 mm/min，对应纯弯曲段在线弹性阶段最
0 p
P ，测量跨距中点处的残余挠度。加载和卸载速率 外表层的应变速率为3.5×10 −5 s −1 。
0
均为15 N/min，对应最外表层的应变速率约为1× 曲线呈明显的非线性，表明试样在弯曲载荷模
10 −5 s −1 。逐渐递增载荷，直至卸载后最外表层产 式下发生了明显的塑性变形。按照曲线的表观形状，
生对应0.01%残余应变的残余挠度δ 。残余挠度 可大致划分为3个阶段。
p0.01
δ 的数值由式（9）计算获得。 Ⅰ阶段：从起始载荷至A点（650 N），曲线基本
p0.01
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