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      加工硬化性能是評價金屬材料強(qiáng)度與塑性的重要試驗(yàn)指標(biāo)，可反映材料通過進(jìn)一步變形來抵抗外載的能力。一般來說，加工硬化指數(shù)n值越大，材料的均勻變形能力越強(qiáng)，金屬薄板材料的成形性越好，因此n值已成為評價深沖專用薄板等材料成形性的重要指標(biāo)之一。目前，各類標(biāo)準(zhǔn)體系所引用的加工硬化性能評價方法均局限于薄板與薄帶的拉伸硬化指數(shù)，包括GB/T 5028—2008《金屬材料 薄板和薄帶 拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)（n值）的測定》、ISO 10275：2020《金屬材料-板材和帶材-拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)的測定》與ASTM E646-16《金屬薄板材拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)（n值）的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》等。而T/CSTM 00514—2022《金屬材料 拉伸應(yīng)變硬化性能的測定》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)則有效突破了n值測定的局限性，實(shí)現(xiàn)了在金屬材料拉伸均勻變形過程中，對其強(qiáng)度和塑性制約規(guī)律開展定量與全域化的指標(biāo)表征。

 

1 、現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)存在的問題

 

1.1 結(jié)構(gòu)鋼圓形試樣與3mm厚度以上厚板試樣的n值測定

 

     隨著先進(jìn)冶金技術(shù)如TMCP（控軋控冷）以及熱處理工藝的成熟應(yīng)用，n值已不再僅限于薄板和薄帶冷成型領(lǐng)域。針對各類組織強(qiáng)化機(jī)制所主導(dǎo)的金屬材料，n值可以定量表征其優(yōu)異的宏觀強(qiáng)度和塑性，如厚板結(jié)構(gòu)鋼領(lǐng)域常見的細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化與復(fù)相強(qiáng)化等。顯然，厚板材料的試樣形狀、變形特征等與薄板存在差異，這導(dǎo)致了n值的力學(xué)內(nèi)涵與當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)的薄板成形指標(biāo)存在一定歧義。

 

1.2 拉伸瞬時應(yīng)變硬化指數(shù)的測定

 

      現(xiàn)行GB、ISO、ASTM標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)所評測的加工硬化指數(shù)均是在假定金屬薄板符合Hollomon關(guān)系的前提下計(jì)算規(guī)定應(yīng)變范圍內(nèi)的“區(qū)間回歸”n值，即真應(yīng)力-真應(yīng)變在雙對數(shù)坐標(biāo)下的線性回歸斜率。

 

      然而，隨著各類強(qiáng)化機(jī)制所主導(dǎo)的先進(jìn)高強(qiáng)鋼板，如DP、TRIP、TWIP鋼，特別是經(jīng)濟(jì)型第三代汽車板QP鋼的廣泛應(yīng)用，Hollomon關(guān)系已不足以準(zhǔn)確表征先進(jìn)高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度和塑性關(guān)系。與此同時，通過拉伸試驗(yàn)評價材料的加工硬化性能已成為揭示材料內(nèi)在微觀組織機(jī)制的有效宏觀手段，如拉伸應(yīng)變硬化與相變增塑、殘余奧氏體分?jǐn)?shù)相關(guān)性等。因此，為了定量表征先進(jìn)高強(qiáng)鋼板特有的強(qiáng)化機(jī)制，國際鋼協(xié)汽車輕量化組織在《先進(jìn)高強(qiáng)鋼板應(yīng)用指南》中已明確要求，除傳統(tǒng)n值外，還需評測屈服后均勻變形初始時刻的瞬時n值，如n5，即5%應(yīng)變時刻的瞬時n值，以及n值隨應(yīng)變變化的關(guān)系曲線。在我國鋼鐵冶金行業(yè)，已有學(xué)者報道過基于拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，用差分法計(jì)算瞬時n值的方法。

 

1.3 拉伸應(yīng)變硬化率的測定

 

     在重點(diǎn)新材料研發(fā)品種中，對于深海輸油輸氣管線領(lǐng)域中的大變形管線鋼產(chǎn)品、連續(xù)型油管產(chǎn)品、高技術(shù)船舶用鋼領(lǐng)域中的高塑性耐撞型海工用鋼等，由于產(chǎn)品在具備高強(qiáng)度的同時還要求保持良好的塑性，因此加工硬化性能已成為指導(dǎo)材料研發(fā)應(yīng)用的重要依據(jù)。對于厚板圓形拉伸試樣，目前尚無可引用的硬化性能評價方法。此外，除應(yīng)變硬化指數(shù)、瞬時n值外，應(yīng)變硬化率，即實(shí)測真應(yīng)力與真應(yīng)變的一階導(dǎo)函數(shù)，也是評價材料加工硬化行為的常用指標(biāo)，可用于指示微觀組織特征。

 

2 、T/CSTM 00514—2022方法原理及其技術(shù)要求

 

2.1 方法原理

 

     T/CSTM 00514—2022標(biāo)準(zhǔn)由“中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟”于2022年2月24日發(fā)布，2022年5月24日實(shí)施，歸口于中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會，鋼鐵材料領(lǐng)域委員會（CSTM/FC01），主體部分與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5028—2008保持一致，而將現(xiàn)行國標(biāo)7.8條款中“計(jì)算和繪制瞬時應(yīng)變硬化率-應(yīng)變關(guān)系曲線也是有意義的”擴(kuò)充為該CSTM標(biāo)準(zhǔn)，并有如下新增的技術(shù)內(nèi)容。

 

   （1）對于圓形與厚板試樣，論證采用現(xiàn)有區(qū)間回歸n值的測定方法。

 

   （2）對于瞬時n值，假定在一微小應(yīng)變區(qū)間內(nèi)，真應(yīng)力與真應(yīng)變滿足式（1）所示的關(guān)系。

    對式（1）進(jìn)行微分等價變換，并變微分為差分，結(jié)果如式（2）所示。

 

 

     真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的光滑連續(xù)性對式（2）的差分結(jié)果影響較大。一般情況下，由于曲線的毛刺與抖動，相鄰兩點(diǎn)間的斜率差分值波動較大。此時可采用類似“數(shù)值平滑算法”進(jìn)行光滑處理，建議優(yōu)先采用T/CSTM 00514—2022 附錄A中介紹的“變帶寬移動回歸算法”。

 

     對于拉伸應(yīng)變硬化率，即定義應(yīng)變硬化率m，如式（3）所示。

     任意應(yīng)變時刻m即為真應(yīng)力對真應(yīng)變的導(dǎo)數(shù)，數(shù)學(xué)上可采用式（2）的差分外加數(shù)值平滑處理，得到拉伸應(yīng)變硬化率隨應(yīng)變的演化關(guān)系曲線。

 

     在具體拉伸試驗(yàn)過程中，由試驗(yàn)機(jī)獲得拉伸工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線，應(yīng)根據(jù)評測拉伸應(yīng)變硬化性能的實(shí)際需求預(yù)先確定均勻塑性變形的范圍，再參與后續(xù)計(jì)算。當(dāng)按照T/CSTM 00514—2022測定整個拉伸均勻變形過程中的瞬時拉伸應(yīng)變硬化性能時，應(yīng)設(shè)定均勻塑性應(yīng)變范圍，包含由屈服后拉伸曲線單調(diào)遞增的起始時刻直至最大力時刻。按照 式（2）與式（3），并采用附錄A對差分計(jì)算后的瞬時n值與m值振蕩曲線進(jìn)行數(shù)值平滑處理，最終獲得可靠的瞬時拉伸應(yīng)變硬化性能曲線，以及設(shè)定應(yīng)變時刻的應(yīng)變硬化指數(shù)（ni）與瞬時硬化率（mi）。與 GB/T 5028—2008 標(biāo)準(zhǔn)中方法A與方法B類似，如試驗(yàn)相關(guān)方協(xié)商一致，可采用不扣除彈性應(yīng)變的真實(shí)應(yīng)變參與計(jì)算。

 

2.2 技術(shù)要求

 

     有關(guān)試驗(yàn)設(shè)備的要求，T/CSTM 00514—2022的規(guī)定優(yōu)于GB/T 5028—2008標(biāo)準(zhǔn)。具體如下所示。

 

   （1）拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)滿足GB/T 16825.1—2022《金屬材料 靜力單軸試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)  第1部分：拉力和（或）壓力試驗(yàn)機(jī) 測力系統(tǒng)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》中的1級或優(yōu)于1級的要求，采樣頻率不低于50Hz，試樣的夾持方式應(yīng)符合GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》的規(guī)定。

 

    （2）試驗(yàn)機(jī)應(yīng)配備能夠測量標(biāo)距變化的引伸計(jì)，引伸計(jì)的量程應(yīng)能滿足試樣最大變形時的測量需求。引伸計(jì)應(yīng)滿足GB/T 12160—2019《金屬材料 單軸試驗(yàn)用引伸計(jì)系統(tǒng)的標(biāo)定》標(biāo)準(zhǔn)中的1級或優(yōu)于1級的要求。目前，國內(nèi)外測量n值的拉伸試驗(yàn)機(jī)均配置了等于或優(yōu)于1級的自動引伸計(jì)，可跟蹤至試樣斷裂。滿足這一條的試驗(yàn)機(jī)可有效跟蹤標(biāo)距變形，準(zhǔn)確測量屈服后至最大力時刻整個過程的應(yīng)變，確保了瞬時n值與拉伸應(yīng)變硬化率m的準(zhǔn)確測量。

 

    （3）采用尺寸測量裝置測量矩形截面試樣平行長度部分的厚度和寬度，或圓形截面試樣平行長度部分的直徑，尺寸測量裝置的分辨力應(yīng)符合GB/T 228.1—2021的規(guī)定。這一條具體針對厚規(guī)格板狀試樣與圓形截面試樣的規(guī)定，并與GB/T 228.1—2021標(biāo)準(zhǔn)中不同類型試樣原始尺寸測量以及GB/T 5028—2008標(biāo)準(zhǔn)中薄板與薄帶原始尺寸測量要求一致。

 

     有關(guān)試樣的要求在GB/T 5028—2008標(biāo)準(zhǔn)中僅針對薄板與薄帶材的基礎(chǔ)上，增加“除非另有規(guī)定，板狀試樣厚度應(yīng)是產(chǎn)品的原始厚度。其他類型的試樣宜匹配拉伸試驗(yàn)機(jī)的載荷能力”，進(jìn)一步推廣了拉伸應(yīng)變硬化性能的應(yīng)用領(lǐng)域，原則上能夠測試?yán)鞈?yīng)力-應(yīng)變曲線的試驗(yàn)機(jī)都能應(yīng)用T/CSTM 00514—2022 標(biāo)準(zhǔn)。

 

     有關(guān)試驗(yàn)程序的要求與GB/T 5028—2008要求保持一致，由于瞬時n值及m是GB/T 5028—2008區(qū)間回歸n值的差分化結(jié)果，因此3個結(jié)果可同步測量，分步解析。如測定瞬時n值與m時，建議在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上首先界定需要分析的均勻塑性變形范圍，然后根據(jù)前述章節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)果評價。

 

3 、標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的實(shí)際案例

 

3.1 拉伸試驗(yàn)測定厚板試樣與圓棒試樣的n值

 

      標(biāo)準(zhǔn)起草單位根據(jù)下游產(chǎn)品規(guī)范，已多年利用拉伸試驗(yàn)機(jī)開展厚板材料的加工硬化指數(shù)測定。綜合國內(nèi)用戶單位反映，n值所反映的拉伸應(yīng)變硬化性能已不再是金屬薄板與薄帶的專有指標(biāo)，各類3mm厚度以上熱軋板甚至數(shù)十毫米厚度的寬厚板產(chǎn)品均已要求提供n值，以確認(rèn)其大變形條件下的強(qiáng)塑性能，如表1與表2所示（表中Rp0.2為拉伸屈服強(qiáng)度，Rm為抗拉強(qiáng)度，Ag為最大力塑性延伸率，A50為斷后伸長率）。在報告中，板狀試樣的厚度達(dá)11mm，圓形試樣直徑為8.7mm，而在這種試樣條件下，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系僅有GB/T 5028—2008供選擇，因此這也反映了該團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

 

 

 

 

3.2 測定瞬時n值的驗(yàn)證試驗(yàn)

 

     由于相變增塑、復(fù)相強(qiáng)化等過程性強(qiáng)化機(jī)制被大量應(yīng)用于高強(qiáng)鋼板的設(shè)計(jì)中，為了準(zhǔn)確表征這些強(qiáng)化動力學(xué)過程，國際鋼協(xié)《先進(jìn)高強(qiáng)度鋼應(yīng)用指南》特別強(qiáng)調(diào)了需具備在拉伸均勻變形階段準(zhǔn)確測定瞬時n值的能力，即評測n值與應(yīng)變的演化曲線。

 

     為確認(rèn)T/CSTM 00514—2022標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算瞬時n值的有效性，工作組從國際鋼協(xié)《先進(jìn)高強(qiáng)度鋼應(yīng)用指南》原文中查詢到了TRIP 350/600相變增塑鋼的原始拉伸曲線。采用人工描點(diǎn)的方式復(fù)制出拉伸原始數(shù)據(jù)，采用T/CSTM 00514—2022標(biāo)準(zhǔn)瞬時n值的測定方法，結(jié)合“變帶寬移動回歸算法”，得到TRIP350/600相變增塑鋼的瞬時n值-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖1所示。

 

     需說明的是，由于人工描點(diǎn)數(shù)據(jù)量有限，因此差分計(jì)算瞬時n值并光滑處理后曲線仍有振蕩。但從整體趨勢與具體數(shù)值看，T/CSTM 00514—2022標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的結(jié)果與國際鋼協(xié)《先進(jìn)高強(qiáng)度鋼應(yīng)用指南》中TRIP鋼對應(yīng)的瞬時曲線完全一致。TRIP鋼優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性與其加工硬化性能在整個均勻變形過程中維持較高水平密切相關(guān)。

 

3.3 測定拉伸應(yīng)變硬化率m的驗(yàn)證試驗(yàn)

 

     在材料研究中，經(jīng)常采用“拉伸應(yīng)變硬化率”的概念去表征內(nèi)部的微觀強(qiáng)化過程，如文獻(xiàn)中所報道的拉伸應(yīng)變硬化率與T/CSTM 00514—2022標(biāo)準(zhǔn)要求一致，定義為真應(yīng)力對真應(yīng)變的一階導(dǎo)數(shù)。另外一篇文獻(xiàn)中給出了一例較為特殊的拉伸應(yīng)變硬化率曲線，揭示出宏觀拉伸強(qiáng)塑性能與顯微組織特征存在多個特征行為區(qū)。

 

     為確認(rèn)T/CSTM 00514—2022標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算拉伸應(yīng)變硬化率的有效性，從文獻(xiàn)中采用人工描點(diǎn)的方式復(fù)制出拉伸原始數(shù)據(jù)，采用該標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)拉伸應(yīng)變硬化率的測定方法，結(jié)合“變帶寬移動回歸算法”得到了SMSH-EHEA材料的整個拉伸應(yīng)變硬化率-真應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖2所示。

     需要說明的是，由于人工描點(diǎn)數(shù)據(jù)量有限，因此差分計(jì)算拉伸應(yīng)變硬化率m與真應(yīng)變關(guān)系曲線經(jīng)光滑處理后，曲線仍有振蕩，但從整體趨勢與具體數(shù)值上看，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的結(jié)果與文獻(xiàn)報道的曲線形態(tài)特征完全一致。

 

4、應(yīng)用前景及其推廣

 

     先進(jìn)鋼鐵產(chǎn)品是鋼鐵業(yè)優(yōu)化產(chǎn)能、產(chǎn)業(yè)升級的重要抓手。與此對應(yīng)，力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)則是“研發(fā)-生產(chǎn)-使用”這一產(chǎn)業(yè)鏈上下游、國內(nèi)外企業(yè)共同遵照的程序，在產(chǎn)業(yè)布局中具有重要的指導(dǎo)意義。由于加工硬化性能幾乎是所有金屬材料的共性特征，因此T/CSTM 00514—2022 標(biāo)準(zhǔn)在金屬材料產(chǎn)、學(xué)、研、用上下游，以及關(guān)聯(lián)性行業(yè)應(yīng)用廣泛。

 

     拉伸試驗(yàn)是評價材料性能的基本方法，而對于先進(jìn)拉伸試驗(yàn)機(jī)，我國已具備了完備的制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)、學(xué)、研、用集成度高。T/CSTM 00514—2022團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)在與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5028—2008測定n值保持一致的基礎(chǔ)上，對試驗(yàn)設(shè)備提出了一定的優(yōu)化提升空間，特別是根據(jù)式（2）與式（3）計(jì)算光滑可靠的瞬時拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)與硬化率曲線，對拉伸試驗(yàn)機(jī)的軟件功能提出了新的需求，是否能在現(xiàn)有拉伸、n值、r值國標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步消化吸收，如T/CSTM 00514—2022標(biāo)準(zhǔn)“變帶寬移動回歸算法”等先進(jìn)數(shù)值分析技術(shù)，將能夠進(jìn)一步推動我國高端拉伸試驗(yàn)機(jī)行業(yè)的發(fā)展。

 

作者：方健，李和田，張建偉

 

單位：寶山鋼鐵股份有限公司 中央研究院

 

來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊》2024年第10期