横梁位移模式下的拉伸试验速率控制与验证测试方案

敬仕煜, 普晓明, 杨华春

(1.东方电气集团东方锅炉股份有限公司, 自贡 643001; 2.机械工业高温高压材料与焊接工程实验室, 自贡 643001)

速率控制问题是金属材料拉伸试验的核心问题，其会对试验结果产生重要影响。金属材料拉伸试验的速率控制分为应变速率控制和应力速率控制，其中应变速率控制又分为基于引伸计反馈的应变速率控制和横梁位移应变速率控制(以下分别称为引伸计反馈模式、横梁位移模式)。工程实践中，横梁位移模式因具有易于实现、安全等特点占据绝对主流。该模式下，引伸计不参与速率控制，仅记录变形，试样平行段(考核段)速率是横梁十字头分离传递给试样的近似估计[1]。与标准中优先推荐的引伸计反馈模式相比较，横梁位移模式存在一个不容回避的缺点，即受试验装置柔性(刚度)影响，试样平行段应变速率与设置的横梁名义速率之间存在差异。为弥补这一差异，GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》的附录F给出了刚度修正建议，但这一建议未得到广泛应用，还引发了诸多争议[2-7]。为探索刚度修正新思路，笔者以圆棒试样为例，研究了横梁位移模式下名义速率与试样上应变速率在试验过程中的变化情况，并分析了二者之间的关联与特征，建立了一种横梁位移模式下的验证测试方案，该方案可以大幅提升横梁位移模式下的应变速率控制精度。

1 横梁位移模式下的应变速率控制演示

1.1 演示试验过程

试验设备为美特斯Criterion40系列C45.305型电子拉伸试验机，最大力为250 kN。测试软件为TW Elite，版本号4.3.1.375。引伸计型号为635.25F-24，标距为50 mm。

试验材料为13MnNiMoR钢和S31042钢两种，前者为低合金钢，体心立方晶体结构，后者为奥氏体不锈钢，面心立方晶体结构。选择两种类型材料进行拉伸试验，除有利于观察试验装置柔性对应变速率的影响外，还可使这种观察具有较好的代表性意义。试样为直径10 mm的圆棒，平行段长60 mm，标距长50 mm， M18双头螺纹。试样与试验机采用拉杆连接方式，如图1所示。

图1 试样夹持方式示意图Fig.1 Diagram of sample clamping mode

演示试验的应变速率控制目标为屈服阶段0.000 25 s-1，抗拉强度阶段0.006 7 s-1，这也是GB/T 228.1-2010的推荐速率之一。试验方案按横梁位移速度设置，共5挡，依次是：

第1挡：1.8 mm·min-1(名义速率0.000 5 s-1)，横梁位移终点1.5 mm；

第2挡：5.0 mm·min-1(名义速率0.001 4 s-1)，位移终点2.5 mm；

第3挡：10 mm·min-1(名义速率0.002 8 s-1)，位移终点3.5 mm；

第4挡：25 mm·min-1(名义速率0.006 9 s-1)，位移终点4.5 mm；

第5挡：50 mm·min-1(名义速率0.013 9 s-1)，至断裂。

要说明的是，上述5挡速率的设置仅适用于笔者所在的试验室，其他试验室采用这一方案可能会得到不同的结果。演示试验旨在揭示名义速率与试样上应变速率之间的关联，其他试验室设置的任意速率，尽管结果不同，但不会对相关讨论造成实质性影响。演示试验方案的第1挡速率和第5挡速率颇为重要，预计将分别对应屈服强度和抗拉强度测定，中间3挡则可使速率提升过程相对平稳。名义速率等于横梁位移速度除以试样平行段长度(即60 mm)。

试验中，引伸计持续跟踪试样，计算机自动读取变形。过了最大力，取下引伸计，这样做的目的是使引伸计尽可能地跟踪试验全部过程。

1.2 演示试验结果

试验结束后，从试验机的计算机系统导出原始数据Excel表，包括时间、横梁位移、引伸计变形、力值/应力等。很容易发现，设置的横梁名义速率和横梁实时位移速率基本完全等效，表明试验机准确地执行了试验方案命令。

对原始数据进行处理，计算实时的名义速率D和试样上应变速率ε，并以时间为横坐标绘图,计算式如下

D=ΔL/Δt/60

(1)

ε=Δl/Δt/50

(2)

式中:ΔL为单位时间内横梁位移增量；Δl为单位时间内引伸计变形增量；Δt为单位时间。

图2和图3为两种材料的拉伸试验结果。由图2可见，对13MnNiMoR低合金钢，测定屈服强度和抗拉强度时，试样上应变速率分别为0.000 24 s-1和0.006 8 s-1，与目标值吻合良好。而图3表明，对S31042不锈钢，测定屈服强度和抗拉强度时，试样上应变速率分别为0.000 2 s-1和0.007 0 s-1，屈服强度时的应变速率比目标值低了约20%。

图2 13MnNiMoR低合金钢的拉伸试验结果Fig.2 Tensile test results of 13MnNiMoR low alloy steel: a) engineering stress-strain curve; b) the nominal strain rate curve and the strain rate curve on the specimen; c) local amplification drawing of yield stage; d) local amplification of tensile strength stage

图3 S31042不锈钢的拉伸试验结果Fig.3 Tensile test results of S31042 stainless steel: a) engineering stress-strain curve; b) the nominal strain rate curve and the strain rate curve on the specimen; c) local amplification drawing of yield stage; d) local amplification of tensile strength stage

2 分析与讨论

2.1 试验速率对主要拉伸性能指标的影响

金属材料拉伸试验过程中，在弹性变形阶段，弹性波的传播速率等同于声波，试验速率(应变或应力速率)几乎没有影响；在屈服和均匀塑性变形阶段，位错的移动行为与时间相关，速率增加意味着与原子扩散有关的位错运动阻力增加，对材料屈服强度影响较大；在聚集塑性变形(颈缩)和断裂阶段，速率对裂纹萌生和扩展的影响又不同于屈服阶段的位错大规模滑移[8]，表现为对抗拉强度影响转而减小。

ASTM E8-16aStandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials指出，应变速率的改变可影响屈服强度、抗拉强度和断后伸长率，尤其对应变速率敏感性较高的材料。通常，屈服强度和抗拉强度会随应变速率增加而增加，而抗拉强度影响相对较小，伸长率值一般随应变速率增加而减小。国内研究[9-11]也认为应变速率对屈服强度影响较大，对抗拉强度和断后伸长率影响较小。

工程实践表明，应变速率对试验结果的影响与温度的关联特别明显。室温下，应变速率主要对屈服强度产生影响。高温下，特别是不锈钢等面心立方金属，屈服强度和抗拉强度均对应变速率更加敏感。

2.2 名义速率与试样上应变速率的比较

2.2.1 13MnNiMoR低合金钢

由图2 b),c)和d)可见，5挡名义速率呈阶梯平台状，与设置值高度吻合。试样上应变速率总体上跟随名义速率变化，但各挡名义速率对应下的试样上应变速率变化规律明显不同。

在弹性变形段，试样上应变速率很低，仅为名义速率的10%。接近屈服变形阶段，试样上应变速率快速提升，达到名义速率的50%左右。屈服之后，试验机又经历了4次换挡，试样上应变速率随之提高，总体呈平台状。最大力(抗拉强度)附近，试样上应变速率呈现加速增大趋势。

试样上应变速率明显低于横梁名义速率，归因于试验装置柔性(刚度)影响。试验开始后，横梁十字头按名义速率分离，此时系统柔性较大，除试验装置本身柔性外，还存在诸如连接间隙、试样和拉杆弯曲、对中偏差等附加柔性。在力的作用下，都将转换为位移或变形，抵消一部分横梁分离位移，剩余部分传递给试样，被引伸计测量到。随着试验进行，力持续增加，附加柔性趋近于零，试验装置柔性呈线弹性。试样处于弹性段时，引伸计实时测得的试样上应变速率近似平台状，如图2 c)中30 s之前。

弹性段末期，或者屈服开始之后，位错源开动，试样变形相对容易，与弹性模量相似的应力-应变曲线的斜率[图2 a)中的斜线]发生转折，力的增长出现减速甚至下跌，符合胡克定律的系统刚度引起的变形增长速率衰减，除引伸计标距(50 mm试样平行段)的十字头范围内的变形将减速、停滞，甚至在力值下跌时出现变形回复。与此同时，十字头位移速率恒定，十字头范围内的总位移仍然匀速增加，引伸计标距内的试样平行段将承担更多变形，反馈给引伸计，表现为试样上应变速率大幅提升。之后，与材料形变强化指数有关的应力-应变曲线斜率趋于缓和，试样引伸计标距范围内平行段与系统刚度重新达成平衡，形成新的应变速率平台，如图2 c)中35～45 s所示。简单来说，弹性阶段结束后，试样上的力与变形不再保持线性关系，十字头范围内的总位移(变形)重新分配，表现为引伸计测量到的试样上应变速率大幅提升。观察发现，很多材料均存在这样的现象，有时甚至在瞬时惯性作用下形成一个脉冲状应变速率高峰，笔者暂将之称为柔性反噬现象。着重指出，反噬现象的本质是试样变形加速，导致试验装置系统(引伸计范围之外)弹性变形减速或回复，甚至反过来进一步促进试样的变形。

在最大力(抗拉强度)附近，如图2 d)所示，柔性反噬现象再次发生，其原理与屈服初期如出一辙。力的增加出现停滞或开始下降，与系统刚度关联的十字头内构件呈现回复趋势，反噬给试样，导致引伸计测量到的试样上应变速率呈现加速增大状态。再往后，颈缩开始，力下降加快，反噬现象更加显著，试样上的应变速率提高更快。

2.2.2 S31042不锈钢

由图3可见，拉伸试验中S31042不锈钢试样的名义速率呈阶梯平台状，试样上应变速率总体上跟随名义速率变化，且在最大力附近出现明显的柔性反噬现象，试样上应变速率呈加速增大趋势。

与13MnNiMoR低合金钢比较，在弹性阶段和屈服初期，不锈钢试样上的应变速率变化特征明显不同，呈现缓慢提升状态,如图3 c)所示，未发生如图2 c)所示的快速提升现象。导致这一现象的原因是不锈钢材料的应力-应变特征。大体上，面心立方材料的晶体滑移面多，线弹性段过程很短，甚至不存在绝对的线弹性阶段。试验开始后不久，与弹性模量相似的应力-应变曲线的斜率持续趋缓，应力-应变曲线的增长非线性,如图3 a)所示，未发生如图2 a)所示的力值突然(或快速)停滞且试样变形迅速增加现象，致使柔性反噬现象的作用明显减弱。

S31042不锈钢试样上应变速率的持续提升，恰恰也证实了柔性反噬现象一直存在。随着试验进行，当与形变强化指数相关的应力-应变曲线斜率较为缓和时，试样上的应变速率才稳定下来，形成平台状。

同一演示速率下，不锈钢试样在屈服强度附近的应变速率低于低合金钢试样约20%。笔者认为，这是由两种类型材料的不同拉伸性能特征造成的。要接近目标值，S31042不锈钢试样还需要进一步提高第1挡名义速率。

2.2.3 GB/T 228.1-2010中的刚度修正方法

GB/T 228.1-2010的附录F给出了横梁位移速率的刚度修正方法，其核心是把试验装置柔性看作等效试样平行段长度，同比例估算为修正速率。然而，准确测定试验装置刚度非常困难，其与不同试验机的机架本身、夹持方式、试样形状和大小、材料特性等均有关系。此外，试验者的认知和复杂的计算过程，亦可能导致较大的误差。

演示试验中，同一名义速率试验方案的不锈钢试样上的应变速率与期望值误差20%，表明对于不同类型材料，将刚度问题简单处理为等效试样平行长度的修正方法，值得商榷。附录F引发的争议较多，不一一列举，代表性观点如文献[4]认为，刚度修正把仅适用弹性段的胡克定律借用到测试屈服强度的塑性段，其理论根源是错误的。

2.3 验证测试方案的建立

速率控制的最终目标，是使试样平行段(考核段)应变速率符合预期，确保受速率影响的力学性能数据结果真实。然而工程实践中，试验室通常仅考虑名义速率是否满足标准要求，而鲜有关注试样上的应变速率。造成这一局面的根本原因，是缺乏简便易行且行之有效的速率控制手段，实属无奈。

演示试验证实，阶梯状的名义速率平台对应了阶梯状的试样上应变速率平台。其间，虽然存在柔性反噬现象干扰，但备受关注、且受应变速率影响最大的屈服强度测定，例如经常测试的规定塑性延伸强度Rp0.2，仍位于应变速率平台范围，如图2 c)和图3 c)所示。

柔性反噬现象对试样上应变速率的影响程度，取决于材料的应力-应变曲线特征。强烈的柔性反噬现象，如脉冲状应变速率，经常发生于锯齿状屈服平台[如图2 a)]或明显下屈服的连续屈服材料，而这类材料的屈服特征明显，受速率波动影响不大。同样，抗拉强度附近的柔性反噬现象，主要发生于抗拉强度测定之后，且由于应变速率对抗拉强度影响较小，亦不必过于关注。

总而言之，测定屈服强度和抗拉强度时，试样上应变速率呈平台状，较为稳定，这为横梁位移模式下的应变速率控制奠定了基础条件。

归纳上述分析，可建立测试验证方案。具体是，针对某一类材料、特定试验机以及目标速率，通过调整名义速率去改变试样上应变速率，满意后予以固化，称之为验证测试方案，可用于同类材料、相似试样的日常测试。例如：演示试验的方案，即适用于C45.305试验机+碳钢和低合金钢类+双头螺纹拉伸试样的室温拉伸试验。

验证测试方案的本质，是修正试验装置的刚度影响。凡是可能导致试验装置刚度改变的重要因素，均应考虑建立专门的验证测试方案。例如,①按材料类别，可分为低合金钢、不锈钢等；②按试验温度，可分为室温、高温、低温等；③其他重要因素，如夹持方式、试样大小等。

顺便指出，按演示试验提供的思路和方法，亦可建立针对应力速率控制的验证测试方案。所不同的是应力速率控制为应力和应变的综合控制[5]，需要先获得弹性阶段后半段的试样上应力速率，且把对应横梁位移速率保持到屈服强度测定之后。在某些场合如核电领域，要求苛刻的应力速率控制，验证测试方案将会非常有用。

2.4 效果评价

笔者对两台试验机建立了系列验证测试方案，目前已完成室温拉伸约220个试样，短时高温拉伸约90个试样，主要涉及碳钢和低合金钢、奥氏体不锈钢。从结果看，应变速率控制情况良好，即使同一类型不同强度级别的材料，亦未发现明显偏离。

实践表明，验证测试方案可大幅度提高横梁位移模式下的应变速率控制水平，实现接近于引伸计反馈模式的速率控制精度。通过建立系列的验证测试方案，可替代GB/T 228.1-2010中的试验机刚度修正。

3 结束语

横梁位移应变速率控制模式下，名义速率与试样上应变速率之间存在差异，归因于试验装置柔性。通过建立验证测试方案，于试验前调整名义速率以改变试样上应变速率，满意后固化为作业文件，可以解决横梁位移模式的应变速率控制难题，改变试验人员认为其速率控制粗糙的印象。实践证实，验证测试方案可大幅度提高横梁位移下的应变速率控制水平，实现接近于引伸计反馈应变速率控制模式的精度。该方法具有可操作性，可替代GB/T 228.1-2010中的试验机刚度修正。