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      隨著汽車(chē)業(yè)、消費(fèi)品業(yè)和航空業(yè)對(duì)材料要求的不斷升級(jí)，相應(yīng)的材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也逐漸與之適應(yīng)。其中，塑性應(yīng)變比(r 值)是評(píng)價(jià)冷軋薄板深沖性能較為常用的力學(xué)性能指標(biāo)，可以用來(lái)反映金屬塑性的各向異性，是材料成型性能的一種度量。r值是指金屬薄板在某平面內(nèi)承受拉力或壓力時(shí)，其抵抗變薄或變厚的能力。由這個(gè)概念可知，r值是金屬薄板受力時(shí),其寬度和厚度方向的應(yīng)變比。由于厚度的變化難以測(cè)量，所以由體積不變?cè)?，通常測(cè)量試樣標(biāo)距內(nèi)的軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變，以表征長(zhǎng)度和寬度方向的尺寸變化。

     對(duì)于r值的測(cè)量，現(xiàn)行的方案是橫向引伸計(jì)與軸向引伸計(jì)配合使用。大多數(shù)橫向引伸計(jì)僅提供“單線(xiàn)接觸”的測(cè)量方式，即在一個(gè)固定位置測(cè)量橫向應(yīng)變；也有些橫向引伸計(jì)可提供2個(gè)或者4個(gè)固定位置的平均橫向應(yīng)變。這幾種橫向引伸計(jì)的測(cè)量方式可以反映具有“均勻應(yīng)變”特點(diǎn)(即在被加載至抗拉強(qiáng)度的過(guò)程中，呈現(xiàn)出均勻應(yīng)變分布)試樣的真實(shí)橫向變形。但是，r值的測(cè)量結(jié)果較敏感，很小的數(shù)據(jù)誤差也會(huì)導(dǎo)致r值發(fā)生很大變化。如果試樣的應(yīng)變不均勻，可能導(dǎo)致每次得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在巨大差異，金屬材料的鋸齒屈服現(xiàn)象是這背后的主要原因之一。鋸齒屈服現(xiàn)象是金屬在塑性變形過(guò)程中，擴(kuò)散的溶質(zhì)原子和運(yùn)動(dòng)中的位錯(cuò)發(fā)生交互作用的結(jié)果，是在一定的溫度、應(yīng)變率和預(yù)變形下，某些合金材料在拉伸試驗(yàn)中出現(xiàn)的一種不規(guī)則的塑性流動(dòng)，其表現(xiàn)為連續(xù)的應(yīng)力-時(shí)間曲線(xiàn)上的鋸齒狀起伏和應(yīng)變-時(shí)間曲線(xiàn)上的階梯狀上升。在空間上，這種不規(guī)則的塑性流動(dòng)導(dǎo)致了應(yīng)變局部化現(xiàn)象，表現(xiàn)為在試件表面上出現(xiàn)靜止的、跳躍的或連續(xù)傳播的局部變形帶。

      由于軸向引伸計(jì)覆蓋了大部分平行長(zhǎng)度，因此測(cè)量結(jié)果受鋸齒屈服現(xiàn)象的影響不大，但采用一個(gè)或幾個(gè)橫向應(yīng)變代表整個(gè)試樣平行長(zhǎng)度的橫向應(yīng)變時(shí)，受鋸齒屈服現(xiàn)象的影響會(huì)很大。針對(duì)這一問(wèn)題，ISO 10113：2020 Metallic Materials-Sheet and Strip-Determination of Plastic Strain Ratio 增加了橫向應(yīng)變多線(xiàn)測(cè)量的建議。橫向引伸計(jì)應(yīng)在軸向長(zhǎng)度上至少測(cè)量3個(gè)位置寬度的變化，然后將這3個(gè)位置平均為一個(gè)橫向應(yīng)變值，以計(jì)算r值。為了解不同橫向引伸計(jì)所產(chǎn)生的測(cè)試效果，來(lái)自英斯特朗(上海)試驗(yàn)設(shè)備貿(mào)易有限公司的樂(lè)瑋、南群智、王建霞三位研究人員用3種不同的橫向引伸計(jì)來(lái)測(cè)量均勻塑性應(yīng)變和不均勻塑性應(yīng)變材料的r值。

1 試樣制備和試驗(yàn)方法

     試驗(yàn)設(shè)備為電子材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖1)，該設(shè)備配備了Bluehill Universal軟件和手動(dòng)楔形夾具，所有測(cè)試過(guò)程均使用對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法測(cè)試。為了消除操作人員對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，分別采用了AutoXbiax型全自動(dòng)接觸式橫向引伸計(jì)和AVE2型非接觸式雙軸視頻引伸計(jì)。其中，AVE2型非接觸式雙軸視頻引伸計(jì)的AverEdge32橫向測(cè)量技術(shù)(見(jiàn)圖2)可提供在軸向標(biāo)距之間均勻間隔32個(gè)橫向測(cè)量點(diǎn)的平均值，且不需要對(duì)試樣進(jìn)行橫向標(biāo)記。

     在同一規(guī)格冷軋薄板的同一部位連續(xù)切取6組，共計(jì)60根平行試樣，其中3組(30根)平行試樣的尺寸均滿(mǎn)足ISO 6892-1：2019 Metallic Materials Tensile Testing Part 1:Method of Test at Room Temperature的要求，另外3組(30根)平行試樣的尺寸均滿(mǎn)足ASTM E8/E8M—2021 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials的要求。采用千分尺測(cè)量及滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率控制試驗(yàn)方法，r值應(yīng)變?nèi)≈迭c(diǎn)為10%。分別利用橫向引伸計(jì)的接觸式單線(xiàn)、非接觸式單線(xiàn)和非接觸式多線(xiàn)橫向測(cè)量3種不同方式進(jìn)行測(cè)量。

     第二次測(cè)量時(shí)選取國(guó)內(nèi)鋼標(biāo)委組織提供的BUSD-A鋼板、BUSD-B鋼板和6082 T6態(tài)鋁合金試樣。這些試樣均不存在明顯的鋸齒屈服現(xiàn)象，每種材料各6根試樣。采用千分尺進(jìn)行測(cè)量時(shí)，橫梁位移速率由2mm/min換到5mm/min，也使用單點(diǎn)r值的計(jì)算結(jié)果。利用橫向引伸計(jì)的非接觸式單線(xiàn)和非接觸式多線(xiàn)測(cè)量?jī)煞N模式。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

     利用Bluehill Universal軟件實(shí)時(shí)計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的r值，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中的r值與應(yīng)變的關(guān)系如圖3~8所示。測(cè)試材料是5000系列鋁合金(含鎂)，由于該材料不均勻，因此鋸齒屈服現(xiàn)象明顯。在軸向應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，去除彈性應(yīng)變，采用單點(diǎn)計(jì)算產(chǎn)生r值，由于數(shù)據(jù)太多，僅顯示最終的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)表1)。

      圖3和圖6為采用全自動(dòng)接觸式的單線(xiàn)橫向測(cè)量方式的測(cè)量結(jié)果，橫向測(cè)量點(diǎn)在軸向標(biāo)距中間。ISO試樣和ASTM試樣曲線(xiàn)上清晰地顯示出鋸齒屈服效應(yīng)造成的影響，曲線(xiàn)有非常明顯的波峰和波谷，任一試樣的r值受波峰與波谷的時(shí)間差影響均較大，所以當(dāng)某些試驗(yàn)結(jié)果正好在波峰或者波谷附近時(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)明顯偏高或偏低，從而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。圖4和圖7同樣采用單線(xiàn)測(cè)量的方式，只是測(cè)量寬度的方式是基于標(biāo)記點(diǎn)，并不是實(shí)際試樣寬度的變化，同樣鋸齒屈服效應(yīng)造成的影響非常明顯，測(cè)量結(jié)果誤差較大,變異系數(shù)也較大。相比之下，圖5和圖8是采用多線(xiàn)平均測(cè)量方式的測(cè)量結(jié)果，結(jié)果差異明顯。從曲線(xiàn)上可以看到，r值的實(shí)時(shí)結(jié)果在試驗(yàn)過(guò)程的任意點(diǎn)幾乎相同，試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性大大提高。另外，兩組不同尺寸試樣的測(cè)量結(jié)果也有差異，這也反映了試樣類(lèi)型對(duì)于r值測(cè)量穩(wěn)定性的影響。

     第二次試驗(yàn)時(shí)采用BUSD-A 鋼板(簡(jiǎn)稱(chēng)為BUSD-A)、BUSD-B鋼板(簡(jiǎn)稱(chēng)為BUSD-B)和6082 T6態(tài)鋁合金(簡(jiǎn)稱(chēng)6082 T6)試樣，結(jié)果沒(méi)有明顯的鋸齒屈服效應(yīng)。光學(xué)非接觸引伸計(jì)法計(jì)算r值(標(biāo)記點(diǎn)法)結(jié)果如表2所示，光學(xué)非接觸引伸計(jì)法計(jì)算r值(多線(xiàn)測(cè)量法)結(jié)果如表3所示。

3 結(jié)論及建議

     (1) 針對(duì)不均勻塑性應(yīng)變的金屬材料，如5000系鋁合金材料，使用多線(xiàn)測(cè)量方式得到r值的重復(fù)性明顯提高，用戶(hù)無(wú)需進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)即可得到理想的r值。

     (2) 針對(duì)均勻塑性應(yīng)變的金屬試樣，使用多線(xiàn)測(cè)量技術(shù)也可提高部分測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性，但并不明顯。

    (3) 不同金屬材料對(duì)r值的測(cè)量也有影響。

     (4) 通過(guò)以上分析不難發(fā)現(xiàn)，帶多線(xiàn)測(cè)量技術(shù)的橫向引伸計(jì)的r值測(cè)量結(jié)果重復(fù)性在不同程度上有所提高，驗(yàn)證了采用ISO 10113：2020規(guī)定的全自動(dòng)測(cè)量方法對(duì)存在不均勻塑性應(yīng)變現(xiàn)象的金屬試樣進(jìn)行測(cè)試的必要性。