圖 1拉伸試驗應力-應變曲線
金屬材料室溫拉伸試驗是冷軋鋼板最重要的檢驗項目之一,在試驗過程中可以得到材料的各項力學性能指標。但在實際進行金屬材料拉伸試驗過程中,會出現許多對試驗結果造成嚴重影響的因素。對有明顯屈服現象的冷軋材料進行拉伸試驗,發現其在均勻塑性變形階段的拉伸曲線出現異常抖動現象,筆者對該現象產生的原因進行分析,并研究了試樣寬度對冷軋板拉伸曲線的影響,研究結果可為提高冷軋板的質量提供理論基礎。
1. 試驗過程及結果
1.1 試驗過程
試驗材料選用有明顯屈服現象的冷連軋低合金高強度HC260L鋼板材料,采用全自動拉伸試驗機,依照GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行拉伸試驗,其縱向、橫向引伸計為接觸式高分辨率數字引伸計（0.5級精度）,試樣尺寸符合GB/T 228.1—2021對P17試樣的要求。
1.2 試驗結果
測試時,發現屈服點延伸率達18.3%,實際屈服點延伸率為4%,明顯偏高,導出曲線發現縱向應變為12%,應變為18%處出現明顯抖動（見圖1）。屈服點延伸終止點約為18%應變處,同時在對應位置的n（加工硬化指數）值曲線也出現明顯抖動（見圖2）。正常情況下,該階段拉伸曲線應平滑上升,n值曲線在很小范圍內波動。
圖 2拉伸試驗n值曲線
影響屈服點延伸率測定的因素主要為：試驗材料本身特性,試驗機軟件參數的設定及硬件狀態。分析本次試驗,發現試樣夾持段無打滑痕跡,液壓夾具未泄壓。將拉伸曲線轉換為速率-時間曲線,橫梁位移控制曲線（見圖3黑色曲線）無明顯波動,說明速率控制無異常。進一步分析引伸計跟蹤速率曲線（見圖3紅色曲線）,發現在時間約為95,105,115 s處,曲線有明顯波動。將曲線轉換為應力-時間曲線（見圖4）,發現在時間約為95,105,115 s處,應力出現明顯波動。
圖 3拉伸試驗橫梁位移-時間曲線
圖 4拉伸試驗應力-時間曲線
按同規格尺寸重新加工試樣,更換到另外一臺設備上進行測試,結果如圖5所示。由圖5可知：屈服點延伸率為8.16%,實際屈服點延伸率約為4%,屈服點延伸終止點仍然在曲線均勻塑性變形階段的異常波動最低點上,結果仍然偏高,在異常抖動部位對應的n值曲線也發生劇烈波動。因此可以排除設備力值傳感器及引伸計等硬件因素的影響。
圖 5另一臺設備下的應力-應變曲線及n值曲線
2. 試樣尺寸對試驗結果的影響
王必磊等[1]發現低碳鋼屈服延伸現象的影響因素包括碳元素含量、晶粒尺寸、合金元素、熱處理工藝參數和應變等。選取帶有不同形態明顯屈服和無明顯屈服的5個試樣,按GB/T 228.1—2021、EN ISO 6892-1—2019 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》、JIS Z-2241:2011 《金屬材料 拉伸試驗方法》,GB/T 5028—2008 《金屬材料 薄板和薄帶 拉伸應變硬化指數(n值) 的測定》,將5個試樣分別加工成7種尺寸（見表1）,使用同臺拉伸試驗機,按GB/T 228.1—2021進行試驗,采用控制試樣平行長度應變速率的方式來控制試驗速率。結合文獻[2]中瞬時拉伸應變硬化曲線方法進行分析[2]。
Table 1.5個試樣的加工尺寸
不同尺寸的試樣1（無明顯屈服）應力-應變曲線及對應n4-6（應變為4%~6%時的加工硬化指數平均值）值曲線如圖6所示,試樣1的n4-6值及屈服點延伸率的標準差如表2所示。由圖6和表2可知：試樣1的應力-應變曲線及對應n4-6值曲線無異常,n4-6值及屈服點延伸率的標準差無明顯差異。
圖 6不同尺寸的試樣1應力-應變曲線及對應n4-6值曲線
Table 2.試樣1的n4-6值及屈服點延伸率的標準差
不同尺寸的試樣2（單次明顯屈服）應力-應變曲線及對應n4-6值曲線如圖7所示,試樣2的n4-6值及屈服點延伸率的標準差結果如表3所示。由圖7和表3可知：對于尺寸1和尺寸2的應力-應變曲線及對應n4-6值曲線,當應變約為2%時,試樣完成屈服到抗拉的速率切換,在均勻塑性變形階段,應變為5%~7%處曲線出現異常波動,尺寸7的應力-應變曲線及對應n4-6值曲線無異常波動；尺寸1和尺寸2的n4-6均值偏低,屈服點延伸率均值無明顯異常,但n4-6值和屈服點延伸率的標準差明顯增大。
圖 7不同尺寸的試樣2應力-應變曲線及對應n4-6值曲線
Table 3.試樣2的n4-6值及屈服點延伸率的標準差
不同尺寸的試樣3（多次明顯屈服）應力-應變曲線及對應n5-10（應變為5%~10%時的加工硬化指數平均值)值曲線如圖8所示,試樣3的n5-10值及屈服點延伸率的標準差如表4所示。由圖8和表4可知：對于尺寸1和尺寸2的應力-應變曲線及對應n5-10值曲線,當應變約為4%時,試樣完成屈服到抗拉的速率切換,在均勻塑性變形階段,應變約為5%~10%處曲線出現異常波動,尺寸7的應力-應變曲線及對應n5-10值曲線無異常波動；尺寸1和尺寸2的n5-10均值和屈服點延伸率均值偏高,且n5-10值和屈服點延伸率的標準差明顯增大。
圖 8不同尺寸的試樣3應力-應變曲線及對應n5-10值曲線
Table 4.試樣3的n5-10值及屈服點延伸率的標準差
不同尺寸的試樣4（多次明顯屈服）應力-應變曲線及對應n5-10值曲線如圖9所示,試樣4的n5-10值及屈服點延伸率的標準差如表5所示。由圖9和表5可知：對于尺寸1和尺寸2的應力-應變曲線及對應n5-10值曲線,當應變約為4%時,試樣完成屈服到抗拉的速率切換,在均勻塑性變形階段,應變約為5%~10%處曲線出現異常波動,尺寸7的應力-應變曲線及對應n5-10值曲線無異常波動；尺寸1和尺寸2的n5-10均值偏高,屈服點延伸率均值差異不明顯,但n5-10值和屈服點延伸率的標準差明顯增大。
圖 9不同尺寸的試樣4應力-應變曲線及對應n5-10值曲線
Table 5.試樣4的n5-10值及屈服點延伸率的標準差
不同尺寸的試樣5（多次明顯屈服）應力-應變曲線及對應n15-20（應變為15%~20%時的加工硬化指數平均值）值曲線如圖10所示,試樣5的n15-20值及屈服點延伸率的標準差如表6所示。由圖10和表6可知：對于尺寸1和尺寸2的應力-應變曲線及對應n15-20值曲線,當應變約為8%時,試樣完成屈服到抗拉的速率切換,在均勻塑性變形階段,應變約為15%~20%處曲線出現異常波動,尺寸7的應力-應變曲線及對應n15-20值曲線無異常波動；尺寸1和尺寸2的n15-20均值和屈服點延伸率均值偏高,且n15-20值和屈服點延伸率的標準差明顯增大。
圖 10不同尺寸的試樣5應力-應變曲線及對應n15-20值曲線
Table 6.試樣5的n15-20值及屈服點延伸率的標準差
綜上所述,主要是尺寸1和尺寸2（夾持與平行段寬度比值為1.2）的試樣在均勻塑性變形階段曲線發生異常波動。試樣3,4為鋸齒型材料,可以看出試樣3,4的曲線波動更明顯,說明有明顯屈服現象材料,試樣寬度尺寸不匹配是導致均勻塑性變形階段曲線出現異常波動的原因,且容易造成屈服點延伸率和n值波動。
3. 綜合分析
拉伸試驗過程中,材料從受力到斷裂是閉環的動態過程,材料從相對薄弱、橫截面積最小的部位開始變形。尺寸6未開肩,試樣橫截面積不發生波動,變形過程無明顯差異,因此曲線無異常波動。加工過的試樣從橫截面積小的平行段開始發生變形,隨著施加力的增大,材料平行段先經過屈服階段,然后進入均勻塑性變形階段,平行段與夾持段的圓弧過渡段以及夾持段外露材料逐步發生明顯屈服現象；但平行段還未達到材料的抗拉強度,曲線上反應出在均勻變形階段（即強化階段）發生力的波動,同時縱向引伸計無法跟蹤到標距外的屈服伸長變化,導致其跟蹤曲線上下波動。如平行段到達抗拉強度,過渡段及夾持外露段未達到屈服,則不會出現曲線異常波動現象。
可總結出拉伸曲線在塑性變形階段波動的條件為：材料有明顯下屈服；拉伸試樣夾持段及過渡弧外露,拉伸試樣夾持寬度與平行段寬度比值小于材料屈服強度對應的某個閾值；根據GB/T 228.1—2021,可推導出發生曲線異常波動的條件如式（1）所示。
式中：ReL為屈服強度；a0為厚度；b0為平行段寬度；B為夾持段寬度；Rm為抗拉強度。
將尺寸1和尺寸2的數據代入式（1）中,發現當屈服強度與抗拉強度比值小于0.83時,就會發生曲線異常波動現象。絕大多數冷軋產品的屈服強度與抗拉強度比值都在這個范圍。在此基礎上進一步收集冷軋鍍錫板、硅鋼板、普板、鍍鋅板等試樣的數據,經試驗發現,在滿足上述條件時,材料也存在曲線異常波動現象。將夾持段寬度與平行段寬度的比值設置為滿足拉伸曲線在塑性變形階段不發生異常波動條件的下限,以統一的試樣加工寬度,可以得到準確的拉伸試驗結果。
4. 結論及建議
對于有明顯屈服現象的冷軋材料,拉伸試樣夾持寬度與平行寬度比值為1.2時,在拉伸試驗均勻塑性變形階段曲線易發生異常波動現象；均勻塑性變形階段曲線異常波動會造成屈服點延伸率、n值等指標產生不同程度的波動,進而影響試驗結果的準確性。
建議拉伸試驗機廠家在測試軟件界面增加金屬瞬時拉伸應變硬化指數曲線。對于有明顯屈服現象的金屬材料,應對拉伸曲線均勻塑性變形階段進行辨識,如曲線出現異常波動,可采用增大加持段與平行段寬度比值的取樣方式,也可以增大夾具夾持面積,以避免試樣夾持段外露。
文章來源——材料與測試網