薛 凯, 历 妍, 王毅磊
(宝钢湛江钢铁有限公司 制造管理部, 湛江 524072)
在单轴拉伸应力作用下，试样宽度方向真实塑性应变和厚度方向真实塑性应变之比称为塑性应变比，即r值，其是表征金属薄板板面上受到拉力或压力后抵抗变薄或变厚能力的一个参数[1]。目前最常见的测量方法为拉伸法，但其测量精度会受试样形状、变形量、试样加工品质、量具精度、测量方式等因素的影响[2-4]。ISO 10113:2020MetallicMaterials-SheetandStrip-DeterminationofPlasticStrainRatio(简称ISO标准)中增加了对试样平行长度的要求和半自动测量方法，在人工测量时，应在试样标距部分均匀测量至少3处的宽度，包括需在标距长度两端各测量一次。r值的测量也逐渐向全自动测量方向发展，由于激光、视频等光学引伸计具备在试样平行段内多个位置测量的能力，国内外实验室已开始采用光学引伸计替代以往的机械式引伸计[5]。
笔者开展了比对试验，分析了采用机械接触式引伸计和激光非接触式引伸计全自动测量r值结果的差异，再通过试验论证了ISO标准中人工、半自动、全自动等方法测量金属薄板不同类型试样r值的结果差异。
1.1 试样制备
按相应标准要求制备试样，取3组平行试样，每组试样的测量信息如表1所示(表1中，a0为试样原始厚度，b0为试样原始宽度，L0为原始标距，Lc为试样平行段长度)。试样制备完毕后，在其上用激光标记记号，标记的位置如图1所示，其中：0为试样平行段中心点；
1，2分别为距平行段中心位置距离相等的点，间距长度为30 mm；
3，4均为原始标距端点，间距为L0；
5，6均为平行段Lc端点。
表1 每组试样的测量信息
图1 试样上激光标记位置示意
1.2 试验设备
采用一台配备有机械接触式引伸计的全自动拉伸试验机(Z1)和一台配备有激光引伸计的全自动拉伸试验机(Z5)，引伸计测量精度为0.5级；
横截面测量仪的精度为±1.0 μm。
1.3 试验方法
1.3.1 不同测量方法比较试验
(1) 人工测量：试验前采用游标卡尺人工测量表1中第一组试样上标记为0，3，4位置的宽度，计算平均宽度，同时测量标记为3与4间的距离，即为原始标距L0，然后在Z5上将试样拉伸至表1指定的应变量后，停止试验，将试样从拉伸机上取下后，采用游标卡尺测量宽度b1和标距L1，并计算r值。
(2) 半自动测量：在试验前后，人工用游标卡尺测量第一组试样宽度b0和b1，测量位置与人工测量法相同。用Z5上激光引伸计测量L0和L1，计算r值。
(3) 全自动测量：采用横截面测量仪测量第一组试样3点的宽度b0，使用激光引伸计测量宽度方向和厚度方向的真实塑性应变，计算r值。测量宽度方向的真实塑性应变时，用引伸计测量标记为0，1，2位置的宽度塑性应变。
1.3.2 不同设备间的比较试验
为分析不同类型的引伸计测量结果是否存在差异，采用全自动测量方法，将表1中第2组和第3组试样分别在Z1和Z5上进行r值测量试验。测量应变量在8%，12%，15%时的r值。
2.1 不同测量方法比较分析
在Z5拉伸试验机上，分别采用人工测量、半自动测量、全自动测量方法测量同一个试样的r值。对不同类型的试样分别采用3种方法测量的结果如图2～4所示。
图2 不同测量方法和试样类型对于DC07+ZE牌号试样的r15测量结果
图3 不同测量方法和试样类型对于DC06A牌号试样的r12测量结果
图4 不同测量方法和试样类型对于HC340/590DP牌号试样的r8测量结果
虽然采用了3种不同测量方法测量P5，P6，P7试样，而且不同方法测量宽度塑性应变的位置不同，但测量结果比较接近，无显著系统差异。
采用人工和半自动方法测得的JIS5试样的r值明显低于全自动测量结果，对r值水平在中、高区间的试样，这种差异尤为明显。由试验设计可知，全自动方法采用的标距为30 mm(测量点为0，1，2)，而人工和半自动方法采用的标距为50 mm(测量点为0，3，4)，这可能是结果存在差异的主要原因。
ISO标准对试样形状的要求为：为确保各种规格的试样均能获得平行段内的均匀塑性变形，试样的形状应满足Lc≥L0+2b0。比较几种规格试样形状的差异，发现JIS5试样的平行段长度Lc不满足ISO标准对试样的要求，其L0/Lc也最大，这意味着JIS5试样的原始标距端点最接近圆弧段，人工和半自动方法的测量位置也更接近圆弧段。有研究表明，JIS5试样在50 mm标距范围内的变形是不均匀的。
针对不均匀塑性变形是否导致r值测量结果偏低的问题，笔者进行了验证试验。分别采用两种不同长度的标距进行测量，即测量点分别为标记点0，3，4和 0，1，2，结果如表2所示。由表2可以得到以下结论。
表2 不同宽度测量方式所得r值计算结果
(1) 对于P5，P6，P7试样，当采用不同标距时，人工、半自动、全自动测量方法测量r值的差异较小，3者极差小于0.1。
(2) 对于JIS5试样，采用50 mm标距得到的r值明显小于30 mm标距，而采用30 mm标距时得到的r值与其他类型试样的r值结果接近，这验证了前文的推断，即采用JIS5试样进行r值测量时，若取50 mm标距进行测量，在拉伸过程中，靠近过渡圆弧的试验段存在不均匀塑性应变，导致r值测量结果偏低。为获得平行段内的均匀塑性变形，应尽量降低L0/Lc的比值，可缩短标距L0，推荐采用20～30 mm标距，或者增大平行段长度Lc，推荐为100 mm。有研究表明，JIS5试样采用20～30 mm标距时, 尤其是采用20 mm标距时, 能精确地测量r值[6]。
当采用30 mm标距进行试验时，对不同类型的试样，采用人工、半自动、全自动测量方法测量的r值接近。将同一个试样采用不同测量方法测得的r值进行F检验和t检验，结果如表3所示。由表3可知：对于不同r值区间的试样，采用不同测量方法测量的r值不存在显著性差异，其中全自动测量方法测量结果的标准差最低，测量精度最高。
2.2 不同设备间的比较分析
为了讨论不同测量设备对r值测量结果的影响,采用全自动测量方法分别在Z1和Z5拉伸试验机上进行试验，对不同设备、应变量和不同r值水平的试验结果进行分析，结果如图5～7所示，由箱线图上下限和箱体可知，不同设备和应变量测得的r值比较接近，但由于Z1采用机械接触式引伸计，测量r值时，对引伸计的标距，引伸计的弹簧、弹簧片及引伸计前后爪的使用状态等有比较高的要求，需要定期核查和维护保养，在实际测量中，Z5的测量精度要优于Z1。
表3 不同测量方法r值F检验和t检验统计结果
图5 不同设备测量DC07+ZE牌号试样r值的箱线图
图6 不同设备测量DC06A牌号试样r值的箱线图
图7 不同设备测量HC340/590DP牌号试样r值的箱线图
(1) 采用人工、半自动、全自动方法测量的r值不存在显著性差异，其中全自动测量方法测量r值的精度最高。
(2) 激光非接触式引伸计与机械接触式引伸计测量r值的结果接近，但前者的精度更高。
(3) 当采用JIS5号试样进行r值测量时，应避免采用50 mm标距，推荐采用20～30 mm 标距。
(4) 建议在修订GB/T 5027—2016标准时，对试样形状进行规定：为获得平行段内的均匀塑性变形，精确地测量塑性应变比，应尽量降低L0/Lc的比值，可缩短标距L0，或者增大平行段长度Lc，试样的形状应满足Lc≥L0+2b0。
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