張先鋒, 楊 曉, 王真鐘, 張欣耀,2, 高靈清,2, 劉 輝

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所, 洛陽(yáng) 471023；2.河南省船舶及海工裝備結(jié)構(gòu)材料技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 洛陽(yáng) 471023)

彈性模量E是工程材料重要的力學(xué)性能參數(shù)之一，從宏觀角度來(lái)說(shuō)，是表征金屬材料對(duì)彈性變形的抗力，從微觀角度來(lái)說(shuō)，其是原子間結(jié)合力的反映[1-4]。對(duì)于工程結(jié)構(gòu)材料，依據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》或GB/T 22315-2008《金屬材料 彈性模量和泊松比試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求測(cè)量彈性模量時(shí)，其測(cè)量精度會(huì)受到人員操作、機(jī)器、原料、方法、環(huán)境等諸多因素的影響，為此，筆者以鋁合金為測(cè)試對(duì)象，根據(jù)長(zhǎng)期測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，選取測(cè)量操作過程中可能影響彈性模量測(cè)量結(jié)果的控制模式、引伸計(jì)的使用及預(yù)拉伸3個(gè)影響因素，分別探討了其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為擠壓成型的7N21鋁合金型材，垂直擠壓方向取樣，試樣形狀及尺寸如圖1所示。試驗(yàn)過程中，在屈服點(diǎn)之前采用了應(yīng)變控制(應(yīng)變速率為0.005 min-1)與位移控制(位移速率為0.3 mm·min-1)兩種試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑谇c(diǎn)之后以同樣的速率按照位移控制模式進(jìn)行，直至試樣斷裂。應(yīng)變控制與位移控制模式下各測(cè)量5個(gè)試樣。結(jié)果表明，兩種控制模式下10個(gè)試樣的屈服強(qiáng)度RP0.2的最大值與最小值之間的差異僅為2.2 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm的差異也僅為2.2 MPa，說(shuō)明平行試樣強(qiáng)度性能無(wú)明顯差異，也證明了鋁合金的屈服強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果不受控制模式的影響。另外，10個(gè)試樣之間斷后伸長(zhǎng)率A的差異最大不超過1%(絕對(duì)值)、斷面收縮率Z的差異最大不超過2%(絕對(duì)值)，測(cè)量結(jié)果也都極為接近。因此，可以證明該批材料的均勻性較好，適用于作為對(duì)比試樣。

圖1 拉伸試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen

根據(jù)影響因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案為：(1)以相同的應(yīng)變速率分別采用應(yīng)變控制與位移控制模式測(cè)量彈性模量；(2)在試樣0°方向上夾持引伸計(jì)，待試樣拉伸至試驗(yàn)機(jī)讀數(shù)為200 MPa后卸載至20 MPa，再將引伸計(jì)分別夾持于試樣的90°，180°，270° 3個(gè)方向上并進(jìn)行相同的試驗(yàn)操作測(cè)量彈性模量；(3)在試樣上夾持引伸計(jì)，待試樣拉伸至試驗(yàn)機(jī)讀數(shù)為200 MPa后卸載至20 MPa，保持試樣與引伸計(jì)位置不動(dòng)，重復(fù)此操作3次，逐次測(cè)量試樣的彈性模量。試驗(yàn)過程中使用同一支引伸計(jì)，引伸計(jì)的標(biāo)距長(zhǎng)度為50 mm，計(jì)量精度為0.5級(jí)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 控制模式的影響

分別采用應(yīng)變控制與位移控制模式進(jìn)行試驗(yàn)，前者的應(yīng)變速率為0.005 min-1，后者的位移速率為0.3 mm·min-1，按照GB/T 228.1-2010中10.3.1的計(jì)算，理論上兩者的變形速率是相同的，但實(shí)際上由于設(shè)備、工裝的變形以及試樣與工裝之間間隙的存在都會(huì)影響到試樣的真實(shí)變形速率。經(jīng)測(cè)定，位移控制模式下試樣的真實(shí)變形速率僅為0.002 min-1(0.1%～0.25%變形量之間的計(jì)算結(jié)果)，遠(yuǎn)低于設(shè)定值，而應(yīng)變控制模式下試樣的真實(shí)變形速率為0.005 min-1，與試驗(yàn)設(shè)定值相同，如圖2所示，圖中直線的斜率為變形速率。

圖2 兩種控制模式下試樣的實(shí)際應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系對(duì)比Fig.2 Comparison of actual strain-time relationship of specimens under two control modes

應(yīng)變控制模式下彈性模量的平均值為71.28 GPa，位移控制模式下彈性模量的平均值為70.94 GPa。雖然兩種控制模式下試樣彈性段的真實(shí)變形速率相差極大，但彈性模量的測(cè)量結(jié)果卻無(wú)顯著差異，這是因?yàn)榻饘俨牧蠌椥宰冃蔚乃俾式咏诼曀?，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于試驗(yàn)過程中的拉伸速度，因此，不同控制模式下試樣變形速率的差異并不能對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。由此可以判斷，在金屬材料彈性模量的測(cè)量中，控制模式不是影響測(cè)量結(jié)果的關(guān)鍵因素。

經(jīng)過計(jì)算，10個(gè)試樣彈性模量的平均值為71.1 GPa，以此數(shù)值作為該批材料彈性模量的真實(shí)值用于后續(xù)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析。

2.2 引伸計(jì)的影響

同一試樣4個(gè)方向上彈性模量的測(cè)量結(jié)果如表1所示，可見4個(gè)方向的彈性模量差異較大，而彈性模量的平均值比較接近真實(shí)值(71.1 GPa)。這是因?yàn)槭艿皆嚇蛹庸に健⒐ぱb加工精度以及試樣裝配能力的影響，由“工裝+試樣+設(shè)備”組成的測(cè)量系統(tǒng)的同軸性不理想，試樣往往是處在偏心拉伸的情況下進(jìn)行的試驗(yàn)，因此，測(cè)量中各個(gè)方向上的變形并不一致，最終導(dǎo)致彈性模量產(chǎn)生差異。

根據(jù)GB/T 22315-2008規(guī)定，彈性模量試驗(yàn)中測(cè)量應(yīng)變時(shí)應(yīng)“使用能測(cè)量試樣相對(duì)兩側(cè)平均變形的軸向均值引伸計(jì)，或在試樣相對(duì)兩側(cè)分別固定兩個(gè)軸向引伸計(jì)”。胡國(guó)華等[5]的研究結(jié)果指出采用雙側(cè)引伸計(jì)同時(shí)測(cè)量試樣兩側(cè)的變形能夠有效地消除偏心拉伸帶來(lái)的影響。結(jié)合表1，通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，同一試樣任意兩個(gè)相對(duì)方向上彈性模量測(cè)量結(jié)果的平均值都比較接近材料的真實(shí)值，說(shuō)明該試驗(yàn)方案的效果等同于使用了雙側(cè)引伸計(jì)。因此，該文為沒有配置雙側(cè)引伸計(jì)的試驗(yàn)室準(zhǔn)確測(cè)量彈性模量提供了一條新思路，通過該方案可以解決單個(gè)引伸計(jì)法測(cè)量結(jié)果離散性偏大的問題。另外，一些文獻(xiàn)資料[6]也表明，引伸計(jì)的精度、引伸計(jì)的計(jì)量范圍等都是彈性模量測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響因素。

表1 試樣不同方向上彈性模量測(cè)量結(jié)果的對(duì)比Tab.1 Comparison of elastic modulus measurement results on different directions of specimens

2.3 預(yù)拉伸的影響

在彈性極限范圍內(nèi)，對(duì)同一個(gè)試樣反復(fù)拉伸-卸載3次，分別測(cè)量彈性模量，結(jié)果如表2所示，可見對(duì)于同一個(gè)試樣而言，3次拉伸過程中的彈性模量值要么均高于真實(shí)值(71.1 GPa)，要么均低于真實(shí)值；同一個(gè)試樣連續(xù)拉伸3次，與前一次拉伸相比，后一次的測(cè)試結(jié)果并沒有逐漸靠近真實(shí)值的趨勢(shì)。

表2 試樣多次拉伸彈性模量測(cè)量結(jié)果的對(duì)比Tab.2 Comparison of elastic modulus measurement results for multiple tensile of specimens

在同一個(gè)試樣上進(jìn)行多次拉伸，可以認(rèn)為前一次的拉伸是后一次試驗(yàn)的預(yù)拉伸過程，能夠有效彌合試樣與工裝之間的螺紋間隙，還可以提高測(cè)量系統(tǒng)的同軸度，此外，預(yù)拉伸還可以預(yù)估彈性段的范圍，但只要試樣未發(fā)生塑性變形，就無(wú)法消除偏心拉伸對(duì)彈性模量測(cè)量結(jié)果的影響，因此，預(yù)拉伸操作并不是提高彈性模量測(cè)量精度的決定性因素。

3 結(jié)論

(1) 在彈性模量測(cè)量過程中，無(wú)論是采用應(yīng)變控制模式，還是采用位移控制模式，測(cè)量結(jié)果之間并無(wú)顯著差異，控制模式不是影響彈性模量測(cè)量結(jié)果的關(guān)鍵因素。

(2) 引伸計(jì)的選擇與使用對(duì)彈性模量的精確測(cè)量有著重要影響，采用單引伸計(jì)法無(wú)法消除試驗(yàn)過程中的偏心拉伸問題，測(cè)量結(jié)果的離散性較大。采用單個(gè)引伸計(jì)在同一試樣不同方向上分別測(cè)量彈性模量并取平均值作為最終測(cè)量結(jié)果，與多件試樣拉伸取平均值的效果相當(dāng)，該方法可供未配置雙側(cè)引伸計(jì)的試驗(yàn)室參考使用。

(3) 對(duì)于采用工裝與設(shè)備相連的圓棒試樣，預(yù)拉伸操作并不能解決試樣的偏心拉伸問題，因而無(wú)法顯著提高彈性模量測(cè)量結(jié)果的精度與穩(wěn)定性。