速率控制問題是金屬材料拉伸試驗(yàn)的核心問題，其會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生重要影響。金屬材料拉伸試驗(yàn)的速率控制分為應(yīng)變速率控制和應(yīng)力速率控制，其中應(yīng)變速率控制又分為基于引伸計(jì)反饋的應(yīng)變速率控制和橫梁位移應(yīng)變速率控制（以下分別稱為引伸計(jì)反饋模式、橫梁位移模式）。工程實(shí)踐中，橫梁位移模式因具有易于實(shí)現(xiàn)、安全等特點(diǎn)占據(jù)絕對主流。該模式下，引伸計(jì)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(jì)。與標(biāo)準(zhǔn)中優(yōu)先推薦的引伸計(jì)反饋模式相比較，橫梁位移模式存在一個(gè)不容回避的缺點(diǎn)，即受試驗(yàn)裝置柔性（剛度）影響，試樣平行段應(yīng)變速率與設(shè)置的橫梁名義速率之間存在差異。為彌補(bǔ)這一差異，GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)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(yīng)用，還引發(fā)了諸多爭議。為探索剛度修正新思路，來自東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司和機(jī)械工業(yè)高溫高壓材料與焊接工程實(shí)驗(yàn)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(yīng)變速率在試驗(yàn)過程中的變化情況，并分析了二者之間的關(guān)聯(lián)與特征，建立了一種橫梁位移模式下的驗(yàn)證測試方案，該方案可以大幅提升橫梁位移模式下的應(yīng)變速率控制精度。

01 橫梁位移模式下的應(yīng)變速率控制演示

1.1 演示試驗(yàn)過程

     試驗(yàn)設(shè)備為美特斯Criterion40系列C45.305型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，最大力為250kN。測試軟件為TW Elite，版本號4.3.1.375。引伸計(jì)型號為635.25F-24，標(biāo)距為50mm。
     試驗(yàn)材料為13MnNiMoR鋼和S31042鋼兩種，前者為低合金鋼，體心立方晶體結(jié)構(gòu)，后者為奧氏體不銹鋼，面心立方晶體結(jié)構(gòu)。選擇兩種類型材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，除有利于觀察試驗(yàn)裝置柔性對應(yīng)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(biāo)距長50mm， M18雙頭螺紋。試樣與試驗(yàn)機(jī)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(yàn)的應(yīng)變速率控制目標(biāo)為屈服階段0.00025s-1，抗拉強(qiáng)度階段0.0067s-1，這也是GB/T 228.1—2010的推薦速率之一。試驗(yàn)方案按橫梁位移速度設(shè)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(diǎn)1.5mm；
    第2擋：5.0mm·min-1（名義速率0.0014s-1），位移終點(diǎn)2.5mm；
     第3擋：10mm·min-1（名義速率0.0028s-1），位移終點(diǎn)3.5mm；
    第4擋：25mm·min-1（名義速率0.0069s-1），位移終點(diǎn)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(shè)置僅適用于幾位研究人員所在的試驗(yàn)室，其他試驗(yàn)室采用這一方案可能會得到不同的結(jié)果。演示試驗(yàn)旨在揭示名義速率與試樣上應(yīng)變速率之間的關(guān)聯(lián)，其他試驗(yàn)室設(shè)置的任意速率，盡管結(jié)果不同，但不會對相關(guān)討論造成實(shí)質(zhì)性影響。演示試驗(yàn)方案的第1擋速率和第5擋速率頗為重要，預(yù)計(jì)將分別對應(yīng)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度測定，中間3擋則可使速率提升過程相對平穩(wěn)。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(yàn)中，引伸計(jì)持續(xù)跟蹤試樣，計(jì)算機(jī)自動讀取變形。過了最大力，取下引伸計(jì)，這樣做的目的是使引伸計(jì)盡可能地跟蹤試驗(yàn)全部過程。
1.2 演示試驗(yàn)結(jié)果

      試驗(yàn)結(jié)束后，從試驗(yàn)機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)Excel表，包括時(shí)間、橫梁位移、引伸計(jì)變形、力值/應(yīng)力等。很容易發(fā)現(xiàn)，設(shè)置的橫梁名義速率和橫梁實(shí)時(shí)位移速率基本完全等效，表明試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)確地執(zhí)行了試驗(yàn)方案命令。
      對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算實(shí)時(shí)的名義速率D和試樣上應(yīng)變速率ε，并以時(shí)間為橫坐標(biāo)繪圖，計(jì)算式如下：

式中：ΔL為單位時(shí)間內(nèi)橫梁位移增量；Δl為單位時(shí)間內(nèi)引伸計(jì)變形增量；Δt為單位時(shí)間。

圖2 13MnNiMoR低合金鋼的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖3 S31042不銹鋼的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

      圖2和圖3為兩種材料的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可見，對13MnNiMoR低合金鋼，測定屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度時(shí)，試樣上應(yīng)變速率分別為0.00024s-1和0.0068s-1，與目標(biāo)值吻合良好。而圖3表明，對S31042不銹鋼，測定屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度時(shí)，試樣上應(yīng)變速率分別為0.0002s-1和0.0070s-1，屈服強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變速率比目標(biāo)值低了約20%。

02 分析與討論

2.1 試驗(yàn)速率對主要拉伸性能指標(biāo)的影響

     金屬材料拉伸試驗(yàn)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(yàn)速率（應(yīng)變或應(yīng)力速率）幾乎沒有影響；在屈服和均勻塑性變形階段，位錯(cuò)的移動行為與時(shí)間相關(guān)，速率增加意味著與原子擴(kuò)散有關(guān)的位錯(cuò)運(yùn)動阻力增加，對材料屈服強(qiáng)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(kuò)展的影響又不同于屈服階段的位錯(cuò)大規(guī)?；疲憩F(xiàn)為對抗拉強(qiáng)度影響轉(zhuǎn)而減小。
     ASTM E8—16a Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials指出，應(yīng)變速率的改變可影響屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率，尤其對應(yīng)變速率敏感性較高的材料。通常，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會隨應(yīng)變速率增加而增加，而抗拉強(qiáng)度影響相對較小，伸長率值一般隨應(yīng)變速率增加而減小。國內(nèi)研究也認(rèn)為應(yīng)變速率對屈服強(qiáng)度影響較大，對抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率影響較小。
     工程實(shí)踐表明，應(yīng)變速率對試驗(yàn)結(jié)果的影響與溫度的關(guān)聯(lián)特別明顯。室溫下，應(yīng)變速率主要對屈服強(qiáng)度產(chǎn)生影響。高溫下，特別是不銹鋼等面心立方金屬，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均對應(yīng)變速率更加敏感。

2.2 名義速率與試樣上應(yīng)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(shè)置值高度吻合。試樣上應(yīng)變速率總體上跟隨名義速率變化，但各擋名義速率對應(yīng)下的試樣上應(yīng)變速率變化規(guī)律明顯不同。
      在彈性變形段，試樣上應(yīng)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(yīng)變速率快速提升，達(dá)到名義速率的50%左右。屈服之后，試驗(yàn)機(jī)又經(jīng)歷了4次換擋，試樣上應(yīng)變速率隨之提高，總體呈平臺狀。最大力（抗拉強(qiáng)度）附近，試樣上應(yīng)變速率呈現(xiàn)加速增大趨勢。
     試樣上應(yīng)變速率明顯低于橫梁名義速率，歸因于試驗(yàn)裝置柔性（剛度）影響。試驗(yàn)開始后，橫梁十字頭按名義速率分離，此時(shí)系統(tǒng)柔性較大，除試驗(yàn)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(zhuǎn)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(jì)測量到。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，力持續(xù)增加，附加柔性趨近于零，試驗(yàn)裝置柔性呈線彈性。試樣處于彈性段時(shí)，引伸計(jì)實(shí)時(shí)測得的試樣上應(yīng)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(cuò)源開動，試樣變形相對容易，與彈性模量相似的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率[圖2a)中的斜線]發(fā)生轉(zhuǎn)折，力的增長出現(xiàn)減速甚至下跌，符合胡克定律的系統(tǒng)剛度引起的變形增長速率衰減，除引伸計(jì)標(biāo)距（50mm試樣平行段）的十字頭范圍內(nèi)的變形將減速、停滯，甚至在力值下跌時(shí)出現(xiàn)變形回復(fù)。與此同時(shí)，十字頭位移速率恒定，十字頭范圍內(nèi)的總位移仍然勻速增加，引伸計(jì)標(biāo)距內(nèi)的試樣平行段將承擔(dān)更多變形，反饋給引伸計(jì)，表現(xiàn)為試樣上應(yīng)變速率大幅提升。之后，與材料形變強(qiáng)化指數(shù)有關(guān)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率趨于緩和，試樣引伸計(jì)標(biāo)距范圍內(nèi)平行段與系統(tǒng)剛度重新達(dá)成平衡，形成新的應(yīng)變速率平臺，如圖2 c)中35~45s所示。簡單來說，彈性階段結(jié)束后，試樣上的力與變形不再保持線性關(guān)系，十字頭范圍內(nèi)的總位移（變形）重新分配，表現(xiàn)為引伸計(jì)測量到的試樣上應(yīng)變速率大幅提升。觀察發(fā)現(xiàn)，很多材料均存在這樣的現(xiàn)象，有時(shí)甚至在瞬時(shí)慣性作用下形成一個(gè)脈沖狀應(yīng)變速率高峰，研究人員暫將之稱為柔性反噬現(xiàn)象。著重指出，反噬現(xiàn)象的本質(zhì)是試樣變形加速，導(dǎo)致試驗(yàn)裝置系統(tǒng)（引伸計(jì)范圍之外）彈性變形減速或回復(fù)，甚至反過來進(jìn)一步促進(jìn)試樣的變形。
     在最大力（抗拉強(qiáng)度）附近，如圖2d）所示，柔性反噬現(xiàn)象再次發(fā)生，其原理與屈服初期如出一轍。力的增加出現(xiàn)停滯或開始下降，與系統(tǒng)剛度關(guān)聯(lián)的十字頭內(nèi)構(gòu)件呈現(xiàn)回復(fù)趨勢，反噬給試樣，導(dǎo)致引伸計(jì)測量到的試樣上應(yīng)變速率呈現(xiàn)加速增大狀態(tài)。再往后，頸縮開始，力下降加快，反噬現(xiàn)象更加顯著，試樣上的應(yīng)變速率提高更快。

2.2.2 S31042不銹鋼
      由圖3可見，拉伸試驗(yàn)中S31042不銹鋼試樣的名義速率呈階梯平臺狀，試樣上應(yīng)變速率總體上跟隨名義速率變化，且在最大力附近出現(xiàn)明顯的柔性反噬現(xiàn)象，試樣上應(yīng)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(yīng)變速率變化特征明顯不同，呈現(xiàn)緩慢提升狀態(tài)，如圖3c)所示，未發(fā)生如圖2c)所示的快速提升現(xiàn)象。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是不銹鋼材料的應(yīng)力-應(yīng)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(yàn)開始后不久，與彈性模量相似的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率持續(xù)趨緩，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的增長非線性，如圖3a)所示，未發(fā)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(xiàn)象，致使柔性反噬現(xiàn)象的作用明顯減弱。
      S31042不銹鋼試樣上應(yīng)變速率的持續(xù)提升，恰恰也證實(shí)了柔性反噬現(xiàn)象一直存在。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，當(dāng)與形變強(qiáng)化指數(shù)相關(guān)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率較為緩和時(shí)，試樣上的應(yīng)變速率才穩(wěn)定下來，形成平臺狀。
      同一演示速率下，不銹鋼試樣在屈服強(qiáng)度附近的應(yīng)變速率低于低合金鋼試樣約20%。研究人員認(rèn)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(biāo)值，S31042不銹鋼試樣還需要進(jìn)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(yàn)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(zhǔn)確測定試驗(yàn)裝置剛度非常困難，其與不同試驗(yàn)機(jī)的機(jī)架本身、夾持方式、試樣形狀和大小、材料特性等均有關(guān)系。此外，試驗(yàn)者的認(rèn)知和復(fù)雜的計(jì)算過程，亦可能導(dǎo)致較大的誤差。
      演示試驗(yàn)中，同一名義速率試驗(yàn)方案的不銹鋼試樣上的應(yīng)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(fā)的爭議較多，不一一列舉，代表性觀點(diǎn)如文獻(xiàn)中認(rèn)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(qiáng)度的塑性段，其理論根源是錯(cuò)誤的。

2.3 驗(yàn)證測試方案的建立

      速率控制的最終目標(biāo)，是使試樣平行段（考核段）應(yīng)變速率符合預(yù)期，確保受速率影響的力學(xué)性能數(shù)據(jù)結(jié)果真實(shí)。然而工程實(shí)踐中，試驗(yàn)室通常僅考慮名義速率是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而鮮有關(guān)注試樣上的應(yīng)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(shí)屬無奈。
      演示試驗(yàn)證實(shí)，階梯狀的名義速率平臺對應(yīng)了階梯狀的試樣上應(yīng)變速率平臺。其間，雖然存在柔性反噬現(xiàn)象干擾，但備受關(guān)注、且受應(yīng)變速率影響最大的屈服強(qiáng)度測定，例如經(jīng)常測試的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2，仍位于應(yīng)變速率平臺范圍，如圖2c)和圖3c)所示。
      柔性反噬現(xiàn)象對試樣上應(yīng)變速率的影響程度，取決于材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征。強(qiáng)烈的柔性反噬現(xiàn)象，如脈沖狀應(yīng)變速率，經(jīng)常發(fā)生于鋸齒狀屈服平臺[如圖2a）]或明顯下屈服的連續(xù)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(qiáng)度附近的柔性反噬現(xiàn)象，主要發(fā)生于抗拉強(qiáng)度測定之后，且由于應(yīng)變速率對抗拉強(qiáng)度影響較小，亦不必過于關(guān)注。
      總而言之，測定屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度時(shí)，試樣上應(yīng)變速率呈平臺狀，較為穩(wěn)定，這為橫梁位移模式下的應(yīng)變速率控制奠定了基礎(chǔ)條件。
      歸納上述分析，可建立測試驗(yàn)證方案。具體是，針對某一類材料、特定試驗(yàn)機(jī)以及目標(biāo)速率，通過調(diào)整名義速率去改變試樣上應(yīng)變速率，滿意后予以固化，稱之為驗(yàn)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(yàn)的方案，即適用于C45.305試驗(yàn)機(jī)+碳鋼和低合金鋼類+雙頭螺紋拉伸試樣的室溫拉伸試驗(yàn)。
      驗(yàn)證測試方案的本質(zhì)，是修正試驗(yàn)裝置的剛度影響。凡是可能導(dǎo)致試驗(yàn)裝置剛度改變的重要因素，均應(yīng)考慮建立專門的驗(yàn)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(yàn)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(yàn)提供的思路和方法，亦可建立針對應(yīng)力速率控制的驗(yàn)證測試方案。所不同的是應(yīng)力速率控制為應(yīng)力和應(yīng)變的綜合控制，需要先獲得彈性階段后半段的試樣上應(yīng)力速率，且把對應(yīng)橫梁位移速率保持到屈服強(qiáng)度測定之后。在某些場合如核電領(lǐng)域，要求苛刻的應(yīng)力速率控制，驗(yàn)證測試方案將會非常有用。

2.4 效果評價(jià)

      研究人員對兩臺試驗(yàn)機(jī)建立了系列驗(yàn)證測試方案，目前已完成室溫拉伸約220個(gè)試樣，短時(shí)高溫拉伸約90個(gè)試樣，主要涉及碳鋼和低合金鋼、奧氏體不銹鋼。從結(jié)果看，應(yīng)變速率控制情況良好，即使同一類型不同強(qiáng)度級別的材料，亦未發(fā)現(xiàn)明顯偏離。
      實(shí)踐表明，驗(yàn)證測試方案可大幅度提高橫梁位移模式下的應(yīng)變速率控制水平，實(shí)現(xiàn)接近于引伸計(jì)反饋模式的速率控制精度。通過建立系列的驗(yàn)證測試方案，可替代GB/T 228.1—2010中的試驗(yàn)機(jī)剛度修正。

03 結(jié)束語

      橫梁位移應(yīng)變速率控制模式下，名義速率與試樣上應(yīng)變速率之間存在差異，歸因于試驗(yàn)裝置柔性。通過建立驗(yàn)證測試方案，于試驗(yàn)前調(diào)整名義速率以改變試樣上應(yīng)變速率，滿意后固化為作業(yè)文件，可以解決橫梁位移模式的應(yīng)變速率控制難題，改變試驗(yàn)人員認(rèn)為其速率控制粗糙的印象。實(shí)踐證實(shí)，驗(yàn)證測試方案可大幅度提高橫梁位移下的應(yīng)變速率控制水平，實(shí)現(xiàn)接近于引伸計(jì)反饋應(yīng)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(yàn)機(jī)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(tuán)東方鍋爐股份有限公司；2.機(jī)械工業(yè)高溫高壓材料與焊接工程實(shí)驗(yàn)室
來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊》2021年第6期