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    測量金屬薄板寬度與厚度的塑性應(yīng)變比(r值)的ISO 10113:1991 Metallic Materials-Sheet  and Strip-Determination of Plastic Strain Ratio 標(biāo)準(zhǔn)是首次發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)包括手動測量和自動測量兩種方法，這個標(biāo)準(zhǔn)中計算應(yīng)變的公式和定義都沒有規(guī)定拉伸后的應(yīng)變是加載狀態(tài)下的總應(yīng)變還是卸載狀態(tài)下的塑性應(yīng)變，在實(shí)際工作中，手動測量采用卸載狀態(tài)下的塑性應(yīng)變，自動測量采用加載狀態(tài)下的總應(yīng)變。ISO 10113:2006標(biāo)準(zhǔn)將自動測量的應(yīng)變計算公式由總應(yīng)變改變?yōu)樗苄詰?yīng)變；ISO 10113:2020標(biāo)準(zhǔn)將r值的定義修改為寬度方向的真塑性應(yīng)變與厚度方向的真塑性應(yīng)變之比，并且明確寬度a1、厚度b1、長度L1都是達(dá)到規(guī)定應(yīng)變量且為卸載后的寬度、厚度和長度，標(biāo)準(zhǔn)中的計算公式也都進(jìn)行了相應(yīng)的修改。

 

     在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，有些符合標(biāo)準(zhǔn)ISO 10113:1991(以下簡稱初版)和ASTM E517 Standard Test Method for Plastic Strain Ratio r for Sheet Metal 要求的自動測量r值的設(shè)備，不符合ISO10113:2020標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱新版)要求。針對此問題，來自寶山鋼鐵股份有限公司的李和平老師按照合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的公式分析了新版ISO 10113計算r值的測量不確定度和初版ISO 10113計算r值的測量不確定度，發(fā)現(xiàn)新版ISO 10113計算r值的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度大于初版ISO 10113計算r值的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，建議重新修訂的GB/T 5027—2016 《金屬材料 薄板和薄帶 塑性應(yīng)變比(r值)的測定》應(yīng)該同時滿足新版ISO 10113和ASTM E517的要求。

 

1、ISO 10113存在的問題 

 

     20世紀(jì)60年代初，WHITELEY證明了平均塑性應(yīng)變比對于金屬板深沖性能非常重要，這項證明引起了相關(guān)學(xué)者和行業(yè)的重視。當(dāng)時尚未有計算機(jī)控制拉伸機(jī)和引伸儀自動測量r值的設(shè)備，只能采用手動方法，1981年ASTM(美國材料實(shí)驗協(xié)會)發(fā)布了第一版測量r值的標(biāo)準(zhǔn)ASTM E517-81 。隨著計算機(jī)控制拉伸機(jī)和引伸儀技術(shù)的應(yīng)用，ASTM E517標(biāo)準(zhǔn)中增加了自動測量r值的方法，值得注意的是，標(biāo)準(zhǔn)中雖然包括手動方法和自動方法，但并沒有區(qū)分加載條件下的總應(yīng)變和卸載條件下的塑性應(yīng)變，實(shí)際測量時，如果是手動方法就采用塑性應(yīng)變，如果是自動方法就采用總應(yīng)變。

 

     ASTM E517標(biāo)準(zhǔn)一直規(guī)定自動測量r值的方法要采用總應(yīng)變，初版ISO 10113同樣規(guī)定自動測量r值的方法要采用總應(yīng)變，按照新版ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)的要求，符合初版ISO 10113和ASTM E517-19要求的自動測量r值的設(shè)備不再符合新版ISO 10113的要求，相關(guān)實(shí)驗室需要更換設(shè)備或者更換相應(yīng)的軟件才能滿足其要求，而符合新版ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)備也不符合ASTM E517-19的要求。

 

2 、新版與初版ISO 10113測量結(jié)果的差別

 

     r值最初是采用手動測量的，定義的縱向、橫向和厚度方向的應(yīng)變都是卸載狀態(tài)下的塑性應(yīng)變，后來標(biāo)準(zhǔn)中增加了根據(jù)加載條件下的總應(yīng)變計算r值的自動測量方法。在標(biāo)準(zhǔn)中沒有區(qū)分塑性應(yīng)變和總應(yīng)變，這意味著不區(qū)分這兩種應(yīng)變對測量結(jié)果造成的偏差是在可接受范圍內(nèi)的。

 

     為了驗證初版ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)的手動與自動測量方法的系統(tǒng)偏差，李和平老師對某些數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計，共有923對數(shù)據(jù)，手動測量的r平均值是2.498，自動測量的r平均值是2.507，手動測量與自動測量結(jié)果偏差一般不超過0.01。

 

      李和平老師采用金屬材料薄板拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣的拉伸試驗原始數(shù)據(jù)文件，分別用新版ISO 10113中自動方法的公式和初版ISO 10113中的公式計算r值，按新版ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)計算的r值為1.986，按初版ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)計算的r值為1.984，差別遠(yuǎn)小于0.01，而這種標(biāo)準(zhǔn)試樣r值的標(biāo)稱值為2.02±0.08，可見新版標(biāo)準(zhǔn)雖然改變了定義和公式，但對測量結(jié)果的影響非常微小，初版ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)的測量結(jié)果與新版ISO 10113中自動方法的測量結(jié)果可以認(rèn)為是一致的。

 

3、新版與初版ISO 10113測量不確定度的差別

 

     影響自動測量r值的因素主要有：設(shè)備的測量精度、拉伸過程中加載力與試樣的同軸度、試樣寬度和厚度方向的均勻性、試驗過程的控制、計算軟件以及計算r值公式中涉及的各個變量。

 

     新版ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)中自動方法計算r值的公式為

 

     初版ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)中自動方法計算r值的公式為

 

     比較式(1)和式(2)中的變量，式(2)中只有拉伸前測量的標(biāo)距部分的寬度b0、原始標(biāo)距Le和拉伸過程中實(shí)際測量的兩個變量ΔL和Δb，而式(1)中除了有這幾個量之外，還有拉伸前測量的S0、拉伸過程中測量的變量F、推算的變量mE和近似的常數(shù)ν。

 

     被測量量Y的估計值y=f(x1,x2, …, xN )，如果各個不確定度影響因素均不相關(guān)，則計算合成標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度的公式為

 

     根據(jù)式(3)可知，被測量量涉及的輸入量越多，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度越大。

 

     按照合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的公式分析新版ISO 10113中自動方法計算r值的測量不確定度和初版ISO 10113中自動方法計算r值的測量不確定度。

 

     初版ISO 10113中自動方法計算r值的計算公式涉及的因素少，且精度都在1%以內(nèi)；新版ISO 10113自動方法計算r值的計算公式還增加了ν，F(xiàn)，S0和mE，其中S0涉及試樣的寬度測量和厚度測量，薄板試樣厚度的相對偏差通常大于寬度的，mE不是直接測量的變量，而是要根據(jù)測量的載荷和試樣的寬度、厚度，再結(jié)合縱向引伸儀伸長量，由軟件計算得出。這些因素都會影響r值的測量不確定度，故新版ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)中自動方法計算r值的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度顯然大于初版ISO 10113自動方法計算r值的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

 

     根據(jù)以上分析不難看出，新版ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)自動方法計算r值的測量不確定度沒有達(dá)到初版ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)的要求，且新版ISO 10113自動方法計算r值的精度也達(dá)不到ASTM E517-19標(biāo)準(zhǔn)的要求。

 

4、對新版ISO 10113的修訂建議

 

     新版ISO 10113修改了對試樣的要求，這會增加JIS5號試樣的r值測量成本，而且在測量常規(guī)拉伸性能指標(biāo)時，不能在測量常規(guī)拉伸性能指標(biāo)的同一根試樣上同時測出r值。

 

     在采用JIS5號試樣測量時，不同部位的寬度應(yīng)變量不夠均勻，如果采用單點(diǎn)的寬度引伸儀測量，r值可能會偏大。實(shí)際上啞鈴形拉伸試樣都存在這個問題，只是JIS5號試樣更明顯。測量r值的標(biāo)準(zhǔn)中允許采用啞鈴形試樣，而不是要求都采用ASTM E517-19中的B型或C型試樣，就是為了便于在測量常規(guī)拉伸性能指標(biāo)的同時測出r值，降低試驗成本。采用JIS5號試樣時，如果采用適當(dāng)間距的多點(diǎn)測量，就可以與其他形狀試樣的結(jié)果保持一致，這樣就不必為測量r值再額外加工和測量試樣了。

 

     新版ISO 10113修改了對引伸儀的要求，不再允許使用單點(diǎn)測量的橫向引伸儀，這是因為單點(diǎn)橫向引伸儀測量的r值可能略微偏大。對于目前正在使用的單點(diǎn)橫向引伸儀，如果強(qiáng)制報廢，也會造成資源浪費(fèi)。

 

5、對于GB/T 5027—2016的修訂建議

 

     GB/T 5027—2016標(biāo)準(zhǔn)在修訂后應(yīng)該包含JIS5號試樣和單點(diǎn)橫向引伸儀，在標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)?shù)牡胤郊由献⒔?，并注明對結(jié)果有爭議時，應(yīng)采用平行長度為120mm的試樣和多點(diǎn)測量的橫向引伸儀。

 

6、分析與討論

 

     測量塑性應(yīng)變比r值時，最初是采用手動測量方法，后來隨著設(shè)備的進(jìn)步，采用了自動測量方法。自動測量設(shè)備是根據(jù)拉伸前測量的試樣原始寬度和標(biāo)距，及加載狀態(tài)下的標(biāo)距部分伸長量和寬度變形量計算得到的r值。手動測量r值是根據(jù)試樣的原始寬度和標(biāo)距，及卸載后試樣的寬度和標(biāo)距測算得到。ASTM E517-19標(biāo)準(zhǔn)和初版ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)中包含手動方法和自動方法，說明卸載和加載兩種狀態(tài)下對r值測量結(jié)果的影響是在可接受范圍內(nèi)的。

 

     一般能夠保證JIS5號試樣斷在中部，自動測量斷后伸長率比較可靠，而歐洲的試樣有時會出現(xiàn)斷在一端甚至斷在標(biāo)距外的情況，這時候自動測量的斷后伸長率是不可信的。

 

     單點(diǎn)的橫向引伸儀有測量r值結(jié)果偏大的缺點(diǎn)，以后采購新設(shè)備時應(yīng)該注意這個問題。

 

7、結(jié)論

 

      (1) 初版ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)中，雖然手動測量r值采用的是卸載后的塑性變形量，而自動測量r值采用的是加載狀態(tài)下的總變形量，兩種方法計算的r值系統(tǒng)偏差的平均值小于0.01，在可接受范圍之內(nèi)。

 

     (2) 分別用初版ISO 10113和新版ISO 10113自動測量r值的計算公式計算同一根試樣的r值，偏差遠(yuǎn)小于0.01。

 

     (3) 分析影響r值測量不確定度的各種因素，ISO 10113:2020規(guī)定的不確定度不僅沒有減小反而顯著增大。

 

     (4) 為了能夠兼顧歐標(biāo)和美標(biāo)用戶，GB/T 5027—2016修訂后的自動測量方法應(yīng)該包括方法A和方法B，方法A采用新版ISO 10113的方法，方法B采用初版ISO 10113的方法。

 

     (5) 修訂GB/T 5027—2016標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)該包容IS5號試樣和單點(diǎn)的橫向引伸儀，可以在標(biāo)準(zhǔn)中注明“有爭議時以平行長度為120mm的試樣和多點(diǎn)測量的橫向引伸儀測量結(jié)果為準(zhǔn)”，以避免增加試驗成本。