速率控制問題是金屬材料拉伸試驗的核心問題，其會對試驗結果產生重要影響。金屬材料拉伸試驗的速率控制分為應變速率控制和應力速率控制，其中應變速率控制又分為基于引伸計反饋的應變速率控制和橫梁位移應變速率控制（以下分別稱為引伸計反饋模式、橫梁位移模式）。工程實踐中，橫梁位移模式因具有易于實現、安全等特點占據絕對主流。該模式下，引伸計不參與速率控制，僅記錄變形，試樣平行段（考核段）速率是橫梁十字頭分離傳遞給試樣的近似估計。與標準中優先推薦的引伸計反饋模式相比較，橫梁位移模式存在一個不容回避的缺點，即受試驗裝置柔性（剛度）影響，試樣平行段應變速率與設置的橫梁名義速率之間存在差異。為彌補這一差異，GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的附錄F給出了剛度修正建議，但這一建議未得到廣泛應用，還引發了諸多爭議。為探索剛度修正新思路，來自東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司和機械工業高溫高壓材料與焊接工程實驗室的敬仕煜、普曉明和楊華春三位研究人員以圓棒試樣為例，研究了橫梁位移模式下名義速率與試樣上應變速率在試驗過程中的變化情況，并分析了二者之間的關聯與特征，建立了一種橫梁位移模式下的驗證測試方案，該方案可以大幅提升橫梁位移模式下的應變速率控制精度。
01 橫梁位移模式下的應變速率控制演示 1.1 演示試驗過程 試驗設備為美特斯Criterion40系列C45.305型電子拉伸試驗機，最大力為250kN。測試軟件為TW Elite，版本號4.3.1.375。引伸計型號為635.25F-24，標距為50mm。 試驗材料為13MnNiMoR鋼和S31042鋼兩種，前者為低合金鋼，體心立方晶體結構，后者為奧氏體不銹鋼，面心立方晶體結構。選擇兩種類型材料進行拉伸試驗，除有利于觀察試驗裝置柔性對應變速率的影響外，還可使這種觀察具有較好的代表性意義。試樣為直徑10mm的圓棒，平行段長60mm，標距長50mm， M18雙頭螺紋。試樣與試驗機采用拉桿連接方式，如圖1所示。 圖1 試樣夾持方式示意圖 演示試驗的應變速率控制目標為屈服階段0.00025s-1，抗拉強度階段0.0067s-1，這也是GB/T 228.1—2010的推薦速率之一。試驗方案按橫梁位移速度設置，共5擋，依次是： 第1擋：1.8mm·min-1（名義速率0.0005s-1），橫梁位移終點1.5mm； 第2擋：5.0mm·min-1（名義速率0.0014s-1），位移終點2.5mm； 第3擋：10mm·min-1（名義速率0.0028s-1），位移終點3.5mm； 第4擋：25mm·min-1（名義速率0.0069s-1），位移終點4.5mm； 第5擋：50mm·min-1（名義速率0.0139s-1），至斷裂。 要說明的是，上述5擋速率的設置僅適用于幾位研究人員所在的試驗室，其他試驗室采用這一方案可能會得到不同的結果。演示試驗旨在揭示名義速率與試樣上應變速率之間的關聯，其他試驗室設置的任意速率，盡管結果不同，但不會對相關討論造成實質性影響。演示試驗方案的第1擋速率和第5擋速率頗為重要，預計將分別對應屈服強度和抗拉強度測定，中間3擋則可使速率提升過程相對平穩。名義速率等于橫梁位移速度除以試樣平行段長度(即60mm)。 試驗中，引伸計持續跟蹤試樣，計算機自動讀取變形。過了最大力，取下引伸計，這樣做的目的是使引伸計盡可能地跟蹤試驗全部過程。 1.2 演示試驗結果 試驗結束后，從試驗機的計算機系統導出原始數據Excel表，包括時間、橫梁位移、引伸計變形、力值/應力等。很容易發現，設置的橫梁名義速率和橫梁實時位移速率基本完全等效，表明試驗機準確地執行了試驗方案命令。 對原始數據進行處理，計算實時的名義速率D和試樣上應變速率ε，并以時間為橫坐標繪圖，計算式如下： 式中：ΔL為單位時間內橫梁位移增量；Δl為單位時間內引伸計變形增量；Δt為單位時間。 圖2 13MnNiMoR低合金鋼的拉伸試驗結果 圖3 S31042不銹鋼的拉伸試驗結果 圖2和圖3為兩種材料的拉伸試驗結果。由圖2可見，對13MnNiMoR低合金鋼，測定屈服強度和抗拉強度時，試樣上應變速率分別為0.00024s-1和0.0068s-1，與目標值吻合良好。而圖3表明，對S31042不銹鋼，測定屈服強度和抗拉強度時，試樣上應變速率分別為0.0002s-1和0.0070s-1，屈服強度時的應變速率比目標值低了約20%。 02 分析與討論 2.1 試驗速率對主要拉伸性能指標的影響 金屬材料拉伸試驗過程中，在彈性變形階段，彈性波的傳播速率等同于聲波，試驗速率（應變或應力速率）幾乎沒有影響；在屈服和均勻塑性變形階段，位錯的移動行為與時間相關，速率增加意味著與原子擴散有關的位錯運動阻力增加，對材料屈服強度影響較大；在聚集塑性變形（頸縮）和斷裂階段，速率對裂紋萌生和擴展的影響又不同于屈服階段的位錯大規模滑移，表現為對抗拉強度影響轉而減小。 ASTM E8—16a Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials指出，應變速率的改變可影響屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率，尤其對應變速率敏感性較高的材料。通常，屈服強度和抗拉強度會隨應變速率增加而增加，而抗拉強度影響相對較小，伸長率值一般隨應變速率增加而減小。國內研究也認為應變速率對屈服強度影響較大，對抗拉強度和斷后伸長率影響較小。 工程實踐表明，應變速率對試驗結果的影響與溫度的關聯特別明顯。室溫下，應變速率主要對屈服強度產生影響。高溫下，特別是不銹鋼等面心立方金屬，屈服強度和抗拉強度均對應變速率更加敏感。 2.2 名義速率與試樣上應變速率的比較 2.2.1 13MnNiMoR低合金鋼 由圖2 b)，c)和d)可見，5擋名義速率呈階梯平臺狀，與設置值高度吻合。試樣上應變速率總體上跟隨名義速率變化，但各擋名義速率對應下的試樣上應變速率變化規律明顯不同。 在彈性變形段，試樣上應變速率很低，僅為名義速率的10%。接近屈服變形階段，試樣上應變速率快速提升，達到名義速率的50%左右。屈服之后，試驗機又經歷了4次換擋，試樣上應變速率隨之提高，總體呈平臺狀。最大力（抗拉強度）附近，試樣上應變速率呈現加速增大趨勢。 試樣上應變速率明顯低于橫梁名義速率，歸因于試驗裝置柔性（剛度）影響。試驗開始后，橫梁十字頭按名義速率分離，此時系統柔性較大，除試驗裝置本身柔性外，還存在諸如連接間隙、試樣和拉桿彎曲、對中偏差等附加柔性。在力的作用下，都將轉換為位移或變形，抵消一部分橫梁分離位移，剩余部分傳遞給試樣，被引伸計測量到。隨著試驗進行，力持續增加，附加柔性趨近于零，試驗裝置柔性呈線彈性。試樣處于彈性段時，引伸計實時測得的試樣上應變速率近似平臺狀，如圖2c)中30s之前。 彈性段末期，或者屈服開始之后，位錯源開動，試樣變形相對容易，與彈性模量相似的應力-應變曲線的斜率[圖2a)中的斜線]發生轉折，力的增長出現減速甚至下跌，符合胡克定律的系統剛度引起的變形增長速率衰減，除引伸計標距（50mm試樣平行段）的十字頭范圍內的變形將減速、停滯，甚至在力值下跌時出現變形回復。與此同時，十字頭位移速率恒定，十字頭范圍內的總位移仍然勻速增加，引伸計標距內的試樣平行段將承擔更多變形，反饋給引伸計，表現為試樣上應變速率大幅提升。之后，與材料形變強化指數有關的應力-應變曲線斜率趨于緩和，試樣引伸計標距范圍內平行段與系統剛度重新達成平衡，形成新的應變速率平臺，如圖2 c)中35~45s所示。簡單來說，彈性階段結束后，試樣上的力與變形不再保持線性關系，十字頭范圍內的總位移（變形）重新分配，表現為引伸計測量到的試樣上應變速率大幅提升。觀察發現，很多材料均存在這樣的現象，有時甚至在瞬時慣性作用下形成一個脈沖狀應變速率高峰，研究人員暫將之稱為柔性反噬現象。著重指出，反噬現象的本質是試樣變形加速，導致試驗裝置系統（引伸計范圍之外）彈性變形減速或回復，甚至反過來進一步促進試樣的變形。 在最大力（抗拉強度）附近，如圖2d）所示，柔性反噬現象再次發生，其原理與屈服初期如出一轍。力的增加出現停滯或開始下降，與系統剛度關聯的十字頭內構件呈現回復趨勢，反噬給試樣，導致引伸計測量到的試樣上應變速率呈現加速增大狀態。再往后，頸縮開始，力下降加快，反噬現象更加顯著，試樣上的應變速率提高更快。 2.2.2 S31042不銹鋼 由圖3可見，拉伸試驗中S31042不銹鋼試樣的名義速率呈階梯平臺狀，試樣上應變速率總體上跟隨名義速率變化，且在最大力附近出現明顯的柔性反噬現象，試樣上應變速率呈加速增大趨勢。 與13MnNiMoR低合金鋼比較，在彈性階段和屈服初期，不銹鋼試樣上的應變速率變化特征明顯不同，呈現緩慢提升狀態，如圖3c)所示，未發生如圖2c)所示的快速提升現象。導致這一現象的原因是不銹鋼材料的應力-應變特征。大體上，面心立方材料的晶體滑移面多，線彈性段過程很短，甚至不存在絕對的線彈性階段。試驗開始后不久，與彈性模量相似的應力-應變曲線的斜率持續趨緩，應力-應變曲線的增長非線性，如圖3a)所示，未發生如圖2a）所示的力值突然（或快速）停滯且試樣變形迅速增加現象，致使柔性反噬現象的作用明顯減弱。 S31042不銹鋼試樣上應變速率的持續提升，恰恰也證實了柔性反噬現象一直存在。隨著試驗進行，當與形變強化指數相關的應力-應變曲線斜率較為緩和時，試樣上的應變速率才穩定下來，形成平臺狀。 同一演示速率下，不銹鋼試樣在屈服強度附近的應變速率低于低合金鋼試樣約20%。研究人員認為，這是由兩種類型材料的不同拉伸性能特征造成的。要接近目標值，S31042不銹鋼試樣還需要進一步提高第1擋名義速率。 2.2.3 GB/T 228.1—2010中的剛度修正方法 GB/T 228.1—2010的附錄F給出了橫梁位移速率的剛度修正方法，其核心是把試驗裝置柔性看作等效試樣平行段長度，同比例估算為修正速率。然而，準確測定試驗裝置剛度非常困難，其與不同試驗機的機架本身、夾持方式、試樣形狀和大小、材料特性等均有關系。此外，試驗者的認知和復雜的計算過程，亦可能導致較大的誤差。 演示試驗中，同一名義速率試驗方案的不銹鋼試樣上的應變速率與期望值誤差20%，表明對于不同類型材料，將剛度問題簡單處理為等效試樣平行長度的修正方法，值得商榷。附錄F引發的爭議較多，不一一列舉，代表性觀點如文獻中認為，剛度修正把僅適用彈性段的胡克定律借用到測試屈服強度的塑性段，其理論根源是錯誤的。 2.3 驗證測試方案的建立 速率控制的最終目標，是使試樣平行段（考核段）應變速率符合預期，確保受速率影響的力學性能數據結果真實。然而工程實踐中，試驗室通常僅考慮名義速率是否滿足標準要求，而鮮有關注試樣上的應變速率。造成這一局面的根本原因，是缺乏簡便易行且行之有效的速率控制手段，實屬無奈。 演示試驗證實，階梯狀的名義速率平臺對應了階梯狀的試樣上應變速率平臺。其間，雖然存在柔性反噬現象干擾，但備受關注、且受應變速率影響最大的屈服強度測定，例如經常測試的規定塑性延伸強度Rp0.2，仍位于應變速率平臺范圍，如圖2c)和圖3c)所示。 柔性反噬現象對試樣上應變速率的影響程度，取決于材料的應力-應變曲線特征。強烈的柔性反噬現象，如脈沖狀應變速率，經常發生于鋸齒狀屈服平臺[如圖2a）]或明顯下屈服的連續屈服材料，而這類材料的屈服特征明顯，受速率波動影響不大。同樣，抗拉強度附近的柔性反噬現象，主要發生于抗拉強度測定之后，且由于應變速率對抗拉強度影響較小，亦不必過于關注。 總而言之，測定屈服強度和抗拉強度時，試樣上應變速率呈平臺狀，較為穩定，這為橫梁位移模式下的應變速率控制奠定了基礎條件。 歸納上述分析，可建立測試驗證方案。具體是，針對某一類材料、特定試驗機以及目標速率，通過調整名義速率去改變試樣上應變速率，滿意后予以固化，稱之為驗證測試方案，可用于同類材料、相似試樣的日常測試。例如：演示試驗的方案，即適用于C45.305試驗機+碳鋼和低合金鋼類+雙頭螺紋拉伸試樣的室溫拉伸試驗。 驗證測試方案的本質，是修正試驗裝置的剛度影響。凡是可能導致試驗裝置剛度改變的重要因素，均應考慮建立專門的驗證測試方案。例如，①按材料類別，可分為低合金鋼、不銹鋼等；②按試驗溫度，可分為室溫、高溫、低溫等；③其他重要因素，如夾持方式、試樣大小等。 順便指出，按演示試驗提供的思路和方法，亦可建立針對應力速率控制的驗證測試方案。所不同的是應力速率控制為應力和應變的綜合控制，需要先獲得彈性階段后半段的試樣上應力速率，且把對應橫梁位移速率保持到屈服強度測定之后。在某些場合如核電領域，要求苛刻的應力速率控制，驗證測試方案將會非常有用。 2.4 效果評價 研究人員對兩臺試驗機建立了系列驗證測試方案，目前已完成室溫拉伸約220個試樣，短時高溫拉伸約90個試樣，主要涉及碳鋼和低合金鋼、奧氏體不銹鋼。從結果看，應變速率控制情況良好，即使同一類型不同強度級別的材料，亦未發現明顯偏離。 實踐表明，驗證測試方案可大幅度提高橫梁位移模式下的應變速率控制水平，實現接近于引伸計反饋模式的速率控制精度。通過建立系列的驗證測試方案，可替代GB/T 228.1—2010中的試驗機剛度修正。 03 結束語 橫梁位移應變速率控制模式下，名義速率與試樣上應變速率之間存在差異，歸因于試驗裝置柔性。通過建立驗證測試方案，于試驗前調整名義速率以改變試樣上應變速率，滿意后固化為作業文件，可以解決橫梁位移模式的應變速率控制難題，改變試驗人員認為其速率控制粗糙的印象。實踐證實，驗證測試方案可大幅度提高橫梁位移下的應變速率控制水平，實現接近于引伸計反饋應變速率控制模式的精度。該方法具有可操作性，可替代GB/T 228.1—2010中的試驗機剛度修正。 作者：敬仕煜，普曉明，楊華春 作者簡介：敬仕煜（1969-），男，高級工程師，主要從事鍋爐及壓力容器用材料的研究 單位：1.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司；2.機械工業高溫高壓材料與焊接工程實驗室 來源：《理化檢驗-物理分冊》2021年第6期
