利用改进的引伸计自动测量铍材的断后伸长率

李美岁, 张子富, 李志年, 张健康, 吕一格, 李树荣, 黄旭刚, 代彦明

(西北稀有金属材料研究院宁夏有限公司 稀有金属特种材料国家重点实验室， 石嘴山 753000)

金属材料的力学性能中，断后伸长率是反映金属材料塑性的一个重要指标，其值越大，表示金属材料的塑性越好。GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》中规定的断后伸长率测试方法有两种，一种是采用人工测量的常规方法，用25 mm标距块压住试样两侧，用刻刀轻刻两条平行线，将刻画后的试样放在显微镜下进行测量，计算出原始标距长度Lo。安装试样到试验机上进行拉伸试验直至试样被拉断，根据ASTM E8：2016aStandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials的技术要求，将试样断口配接在一起，使轴线处于同一直线上，测量断后标距长度Lu，然后根据公式A=(Lu-Lo)/Lo×100%，计算出断后伸长率A[1-3]；第二种方法是使用带有引伸计测定断后伸长率功能的试验机,引伸计标距Le应等于试样原始标距Lo,无需标记出试样原始标距。

由于铍材拉伸试验时两夹具间的距离太小，无法直接安装设备原装标距为25 mm的引伸计，为了满足GB/T 228.1-2010对引伸计使用的技术要求，笔者对引伸计刀口进行了重新设计。但其测量精度尚不清楚，为此笔者采用配备改进引伸计的拉力试验机对断后伸长率进行自动测量试验，并将测量结果与常规人工测量结果进行了对比。

1 试验方法

根据GB/T 228.1-2010的技术要求，取直径为6 mm，抗拉强度为460～560 MPa的铍材圆棒试样78个，试样标距为25 mm，试样形状及尺寸如图1所示。在INSTRON 5582型拉伸试验机上安装改进后的引伸计，改进后的引伸计刀口长度在原有基础上增加了10 mm，捆绑皮筋用的沟槽加深并向前延长，如图2所示。引伸计标距Le=Lo=25 mm。在拉伸速度为0.2 mm·min-1条件下进行拉伸试验，全程使用引伸计跟踪测量标距内的纵向变形直至试样断裂。同时在试验完成后，采用常规的方法对断后伸长率进行人工测量，并与自动测量的结果进行比较[4-5]。

图1 试样形状和尺寸示意图Fig.1 Schematic diagram of shape and size of the sample

图2 改进后的引伸计夹持示意图Fig.2 Schematic diagram of clamping the improved extensometer

2 试验结果

断后伸长率的测量结果如表1所示，结合图3所示的试样断裂前、后宏观形貌可以看出铍材的断后伸长率较低，属于脆性材料。

表1 两种方法测得的断后伸长率Tab.1 The percentage elongation after fracture determing by two methods %

续表1 %

图3 铍材试样断裂前、后的宏观形貌Fig.3 Macro morphology of beryllium samples before and after fracture

从表1可以看出，两种方法测量结果的绝对误差均在±0.5%以内[6-7]，结果非常接近。绝对误差为负值的出现概率为82%，表明引伸计自动测量的断后伸长率高于人工测量值。最高绝对误差为-0.36%，最低绝对误差为0，误差波动仅0.36%。

为提高试验结果的可比性，将表1数据绘制散点图，如图4所示。可见对于同一试样，引伸计自动测量数据普遍高于人工测量值。

图4 A25和A的散点图Fig.4 The scatter plot of A25 and A

由于计算得到的数据会有误差，不能只根据简单的样本统计结果下结论，必须使用严格的统计假设试验方法才能得出准确的判断结论[8]。为提高试验结果的可比性，了解利用人工测量和引伸计自动测量的断后伸长率是否相同，并得出较准确的判断结果，采用假设试验进行验证。

将检验人工测量的断后伸长率均值与引伸计自动测量的是否相等的两样本均值问题，转化为检验人工测量的断后伸长率与引伸计自动测量的差值的均值是否为0的双样本T检验。首先做出如下假设。原假设(H0)：A25-A=0, 备择假设(H1)：A25-A≠0。用MINITAB软件计算A25与A(数据见表1)两个总体均值之差的置信区间，来判断来自两个相互独立的总体均值之间是否有显著差异，进行双样本T检验[9]得到A25和A的单值图和箱体图，如图5和图6所示，检验结果如表2所示。平均差的95%置信区间: (-0.549, 0.301)；平均差=0(与≠0)的T检验:T=-0.58，P=0.565。

图5 A25和A的单值图Fig.5 Single valued graph of A25 and A

通过图5和图6可以看出，A25和A的数据一致性较好，均值连线接近水平。

P值是指当原假设为真时所得到的样本观察结果或更极端结果出现的概率，并由FISHER R A首先提出P值取0.05来表示发生的概率非常小，因此P值越大，接受原假设的理由越充分。从MINITAB软件分析结果可知，P=0.565>0.05，故接受原假设H0(A25-A=0)，即认为人工测量的断后伸长率A25与引伸计自动测量的断后伸长率A的均值之差为0的假设成立；置信区间为(-0.549,0.301)，区间包含0，表示两个总体均值没有明显差异。

图6 A25和A的箱体图Fig.6 Boxgraph of A25 and A

表2 两种方法测得的断后伸长率配对T检验结果Tab.2 Paired T test results for the percentage elongation after fracture measured by two methods

3 结论

(1) 利用改进的引伸计自动测量铍材的断后伸长率，可得到准确可靠的结果，可以替代常规的人工测量方法。

(2) 采用引伸计法无需标出试样原始标距，可以减少由于绘制标距所带来的铍粉尘危害；无需使用显微镜测量标距，可以减少人为误差和眼部疲劳，因此可推荐应用于现场生产检验，有利于减少对试验操作人员的健康损害，降低劳动强度，提高工作效率，在一定程度上可减少检验过程中试验人员操作造成的偶然误差，使断后伸长率的测试更快捷、数据更准确。

(3) 采用改进的引伸计自动测量的断后伸长率值较人工测量的偏高，在试样断后伸长率要求余量较小的情况下，使用引伸计法可能更满足测试要求。