凃應(yīng)宏, 李榮鋒, 尚 倫

(1.寶鋼股份武鋼有限技術(shù)中心， 武漢 430080；2.東莞材料基因高等理工研究院， 東莞 523808)

塑性應(yīng)變比(r值)與拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)(n值)均可以用來表征金屬材料的成形能力。r值反映了材料在長度、寬度和厚度3個方向的變形能力；n值表征材料的形變強化能力。在實踐中，這兩個指標(biāo)往往是用同一件試樣在單向加載條件下測定的，但數(shù)據(jù)表明：作為材料特性參數(shù)，n值具有較好的一致性，而r值卻有明顯的離散性。相關(guān)工作人員為提高r值測試的準(zhǔn)確性也在不懈地探索和努力[1-4]。

長期實踐表明，影響金屬薄板r值測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的因素眾多，除了材料本身性能的差異外，試樣的取向、平整度、加工/形位公差、試樣夾持方式、尺寸測試、引伸計、加載過程的平順性等因素也會影響最終的測試結(jié)果。r值測試的核心應(yīng)該是真實、準(zhǔn)確地測試出試樣的縱向變形和橫向變形，并且在測試的同時不扭曲兩者之間的(幾何上以及邏輯上)對應(yīng)關(guān)系。

在r值測試技術(shù)的發(fā)展初期，受制于當(dāng)時的科技發(fā)展水平(引伸計未得到廣泛普及)，在實際操作過程中需要停機、卸載，再取下試樣，由人工利用比長儀或其他量具對試樣的縱向變形和橫向變形分別進(jìn)行測試。該方法對試樣的縱向變形測試精確，但效率非常低下，難以滿足大生產(chǎn)條件下批量測試的要求。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是較為輕便的電子引伸計的逐步應(yīng)用，r值測試技術(shù)進(jìn)入到第二階段，即半自動加載測試階段。該階段試樣的縱向變形由縱向引伸計實時測試，當(dāng)達(dá)到約定值后停機(但不卸載)，因為停機時試樣的縱向變形已知，此時僅需人工利用千分尺在加載條件下對橫向變形進(jìn)行測試。r值測試從該階段起需在加載條件下進(jìn)行。為了驗證加載測試的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，早在制定國標(biāo)GB/T 5027—1984 《金屬材料 薄板和薄帶 塑性應(yīng)變比(r值)的測定》時，國內(nèi)就開展了相關(guān)研究工作[5]，當(dāng)時的數(shù)據(jù)已經(jīng)表明，加載、卸載階段所測得的r值沒有顯著差異。

為了解決數(shù)據(jù)的離散性問題，r值測試技術(shù)也在不斷地發(fā)展和完善。在新頒布的ISO 10113:2020MetallicMaterials-SheetandStrip-DeterminationofPlasticStrainRatio,theInternationalOrganizationforStandardization標(biāo)準(zhǔn)中，對試樣的橫向變形測試問題也給出了新的解決方案。與此同時，將ISO 10113：2006中r值計算公式的修改提上日程。ISO 10113標(biāo)準(zhǔn)的修訂者認(rèn)為：既然r值是反映材料塑性變形能力的參數(shù)，那么在計算公式中可以扣除彈性變形；從具體的操作層面看，受離散性影響的加載測試方式也可以轉(zhuǎn)變?yōu)樾遁d測試方式。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5027—2016的修訂者對上述觀點持保留態(tài)度[6]，這是因為目前r值測試的主要問題在于數(shù)據(jù)的過度離散，通過彈性扣除無法解決該問題。利用軟件扣除彈性變形僅是一種形式上的虛擬性卸載，與真實的人工卸載測試有著本質(zhì)上的區(qū)別。只有經(jīng)過大量試驗數(shù)據(jù)的積累，證明新算法的結(jié)果與人工測試值更加接近，才能消除工作人員的疑慮。

1 驗證試驗

為了對ISO 10113：2020的技術(shù)內(nèi)容有一個準(zhǔn)確、客觀的認(rèn)識，2020年12月至2021年4月，全國鋼標(biāo)委力學(xué)分技術(shù)委員會組織國內(nèi)相關(guān)單位開展了《金屬材料 薄板和薄帶 塑性應(yīng)變比(r值)的測定》的驗證活動。該項活動主要針對人工、半自動和全自動3種測試方式的準(zhǔn)確性和一致性進(jìn)行驗證，并圍繞試樣的不均勻變形、是否扣除彈性應(yīng)變等問題進(jìn)行了討論。這是數(shù)十年來，國內(nèi)組織的最大規(guī)模的涵蓋3種測試方式的r值測試驗證活動，共計有15家實驗室參加了該工作(見表1)，這些實驗室均長期從事金屬薄板r值的測試工作，在業(yè)界具有廣泛的代表性。參與驗證活動的設(shè)備也基本上代表了當(dāng)前國內(nèi)的主流水平。

表1 參加驗證活動的實驗室和設(shè)備概況

驗證試驗使國內(nèi)相關(guān)單位對ISO 10113:2020標(biāo)準(zhǔn)中的一些關(guān)鍵條文有了更加清晰、全面的認(rèn)識，為下一步啟動修訂GB/T 5027的工作打下了良好基礎(chǔ)。同時驗證工作對推動國內(nèi)r值測試技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)國內(nèi)設(shè)備水平的提高也具有重大意義。

試驗主要對BUSD-A、BUSD-B、430不銹鋼以及6082鋁合金等4種不同規(guī)格的試樣進(jìn)行驗證試驗(其中BUSD-A和BUSD-B取自同一塊鋼板)。4種試樣的外形尺寸和標(biāo)距各異，約定應(yīng)變水平也存在不同(見表2，其中a0為試樣原始厚度，b0為試樣原始寬度，L0為原始標(biāo)距，Lc為試樣平行段長度，Lt為試樣總長度)。試樣的加工公差和形位公差均滿足ISO 10113:2020標(biāo)準(zhǔn)的要求。4種試樣的約定應(yīng)變水平為r5,r15,r8。

表2 驗證試驗試樣的參數(shù) mm

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 對人工、半自動和全自動3種方式測試結(jié)果的分析

15家實驗室中有10家參加了3種測試方式的驗證，5家僅參加了全自動方式的驗證。由于各個實驗室參與驗證的項目和試樣數(shù)量均存在差異，因此后文各圖表中所列的實驗室數(shù)據(jù)存在8～35組不等的情況。2.1節(jié)至2.4節(jié)中所指的自動測試方式均未扣除彈性變形。

BUSD-A試樣的數(shù)據(jù)分布如圖1所示(L0=80 mm)。從圖1整體上看，除了存在一個明顯異常的半自動測試數(shù)據(jù)3.40以外，大部分?jǐn)?shù)據(jù)為2.27～2.99。如果進(jìn)一步細(xì)分，自動測試結(jié)果為2.40～2.99，平均值為2.617；人工測試結(jié)果的收斂性優(yōu)于自動測試結(jié)果的收斂性,人工測試結(jié)果為2.40～2.70，平均值為2.537；而半自動測試結(jié)果為2.27～3.40。人工測試結(jié)果比自動測試結(jié)果整體偏低。如果在自動測試時對彈性變形進(jìn)行扣除，則結(jié)果偏高0.15左右。

圖1 BUSD-A試樣的數(shù)據(jù)分布

BUSD-B試樣的數(shù)據(jù)分布如圖2所示(L0=50 mm)。由圖2可知,全自動測試結(jié)果仍然為2.39～3.06，平均值為2.635；人工測試結(jié)果明顯收斂，為2.41～2.77，平均值為2.542；半自動測試結(jié)果為2.38～2.65。整體看，BUSD-B試樣與BUSD-A試樣的數(shù)據(jù)分布規(guī)律是類似的，雖然存在數(shù)據(jù)波動，但人工、半自動和全自動測試結(jié)果的均值基本一致,其中人工和半自動測試結(jié)果約為2.55，全自動測試結(jié)果約為2.65。如果在自動測試時對彈性變形進(jìn)行扣除，則測試結(jié)果更加遠(yuǎn)離人工測試結(jié)果。

圖2 BUSD-B試樣的數(shù)據(jù)分布

另外兩種材料的數(shù)據(jù)分布規(guī)律與BUSD試樣的數(shù)據(jù)分布規(guī)律基本一致。430不銹鋼試樣的數(shù)據(jù)分布如圖3所示(L0=50 mm)。6082鋁合金試樣的數(shù)據(jù)分布如圖4所示(L0=35 mm)。

圖3 430不銹鋼試樣的數(shù)據(jù)分布

圖4 6082鋁合金試樣的數(shù)據(jù)分布

對ISO 10113：2020標(biāo)準(zhǔn)中所列人工、半自動和全自動3種測試方式進(jìn)行驗證，得出以下結(jié)論。

(1) 雖然存在數(shù)據(jù)的波動，但人工、半自動和全自動3種測試結(jié)果的平均值較為接近。對于BUSD材料試樣，其人工和半自動測試值約為2.55，全自動測試值約為2.65，三者之間的差異小于0.10；對于430不銹鋼試樣，三者差異小于0.10；對于6082鋁合金試樣，三者差異小于0.04。

(2) 由于BUSD-A和BUSD-B試樣截取自同一塊鋼板，雖然其外形尺寸和應(yīng)變不同，但人工測試結(jié)果卻是基本一致的。這進(jìn)一步說明r值作為一個材料特征參數(shù)，在塑性變形期間控制著材料的縱向和橫向變形，試樣形狀和應(yīng)變不會對r值造成影響。

(3) 半自動和全自動測試結(jié)果都存在明顯的離群數(shù)據(jù)；相對而言，人工測試結(jié)果不存在明顯的離群數(shù)據(jù)，這是因為后者受到的影響因素相對較少。

2.2 視頻引伸計測試結(jié)果分析

一般情況下，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為人工測試r值結(jié)果偏低是試樣的不均勻變形造成的。這是由于人工測試時，測量部位除了試樣中間區(qū)域外，還包含了標(biāo)距兩端，受過渡弧的約束，標(biāo)距兩端的變形量有時會低于中間區(qū)域。為了盡可能降低試樣不均勻變形的影響，GB/T 5027—2016標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)確保Lc≥(L0+2b0)，而ISO 10113:2020標(biāo)準(zhǔn)除了要求進(jìn)一步增加試樣平行段長度Lc外，還提出了基于視頻引伸計的“多線測試”解決方案。

參加驗證試驗的15家實驗室中有4家配備了視頻引伸計，其中2家實驗室另外還提供了單線和多線之間的比對數(shù)據(jù)，視頻引伸計的測試結(jié)果如圖5～7所示。由圖5～7可知：視頻引伸計中的多線測試結(jié)果仍然呈現(xiàn)出較大的離散性，BUSD-A試樣的多線測試結(jié)果為2.40～3.00，三線測試結(jié)果為2.20～2.55；BUSD-B試樣的多線測試結(jié)果為2.40～3.10，三線測試結(jié)果為2.40～2.50。從兩家實驗室提供的三線和多線測試結(jié)果看，BUSD材料試樣的三線測試結(jié)果多數(shù)情況下比多線測試結(jié)果低0.10左右，少數(shù)情況下兩者基本一致。對6082鋁合金試樣而言，三線測試結(jié)果偏高。

圖5 BUSD-A試樣的視頻引伸計測試結(jié)果(L0=80 mm)

圖6 BUSD-B試樣的視頻引伸計測試結(jié)果(L0=50 mm)

圖7 6082鋁合金視頻引伸計測試結(jié)果(L0=35 mm)

從視頻引伸計的實際測試結(jié)果看，多線測試方式同樣無法有效避免數(shù)據(jù)的離散性問題。實際上驗證試驗中大部分的離散數(shù)據(jù)都來源于視頻引伸計，這需要引起足夠重視。雖然在理論上，該方案有其科學(xué)性和先進(jìn)性的一面，但現(xiàn)階段測試的準(zhǔn)確性尚有待提高。三線測試結(jié)果有時比多線測試結(jié)果低，有時卻偏高,這一點也預(yù)示著試樣的不均勻變形問題僅是一個可能性事件，而非確定性事件。

2.3 試樣不均勻變形的驗證

為了證實試樣是否普遍存在不均勻變形，驗證試驗對試樣變形前后的尺寸進(jìn)行了人工實測，測試部位分別位于試樣中部以及靠近過渡弧的標(biāo)距兩端。有10家實驗室參與了該項驗證試驗，數(shù)據(jù)如圖8～10所示。

圖8 BUSD-A試樣不同部位的橫向應(yīng)變(b0=20 mm)

圖9 BUSD-B試樣不同部位的橫向應(yīng)變(b0=12.5 mm)

從BUSD-A試樣的數(shù)據(jù)看，在應(yīng)變水平為5%時，有少部分實驗室的兩端測試值偏低，但大部分實驗室的中部測試值偏低。從BUSD-B試樣的數(shù)據(jù)看，在應(yīng)變水平為15%時，兩端測試值偏低。圖10中，部分實驗室的兩端測試值偏低，但也有少數(shù)實驗室得出了相反的結(jié)果，即中部測試值偏低。

圖10 430不銹鋼試樣不同部位的橫向應(yīng)變(b0=12.5 mm)

總體上看，不同部位橫向應(yīng)變的差異并不明顯，標(biāo)距兩端的橫向應(yīng)變也并不總是偏低。一方面可能是受到人工測試的準(zhǔn)確度限制，另一方面也說明試樣的不均勻變形并不確定。

試樣的橫向不均勻變形對r值的影響可以通過理論分析進(jìn)行預(yù)測。

(1)r值對橫向應(yīng)變的測試極其敏感，實測r值與理論值的偏離、橫向應(yīng)變的偏離均呈正相關(guān)。這種偏離的程度越低，則實測r值曲線收斂程度越理想(見圖11)。對一個r值為2.6的理想試樣而言，在應(yīng)變水平為5%時：如果橫向應(yīng)變eb實測值存在±0.02%的偏離，則r值為2.55～2.65；如果eb實測值存在±0.05%的偏離，則r值為2.46～2.74；隨著應(yīng)變的增加，這種影響將逐步減弱，在應(yīng)變?yōu)?5%時，r值為2.55～2.65。

圖11 橫向應(yīng)變eb不同偏離對r值為2.60的影響

(2) 隨著材料沿厚度方向變形能力的減弱(r的理論值降低)，橫向應(yīng)變測試對r值的影響將整體性減弱。對于一個r=1.7的理想試樣(見圖12)，在應(yīng)變水平為5%時：如果eb實測值存在±0.01%的偏離，則r值為1.68～1.72；如果eb實測值存在±0.05%的偏離，則r值將擴大到1.62～1.78；隨著應(yīng)變水平的增加，這種影響將逐步減弱，在應(yīng)變水平為15%時，r值可縮小到1.66～1.74。

圖12 橫向應(yīng)變eb不同偏離對r值為1.70時的影響

從實測數(shù)據(jù)看，即使標(biāo)距兩端和中間部位的橫向應(yīng)變(三者平均值)比單純在中部測得的應(yīng)變低，兩者間的偏離在多數(shù)情況下也小于0.02%。結(jié)合圖11，12可知，這么小的差異不會對r值的測試結(jié)果造成太大影響。這至少說明r值的人工測試結(jié)果整體性偏低不單純是試樣的不均勻變形造成的，可能還存在其他原因。

2.4 人工測試與自動測試數(shù)據(jù)存在差異的其他原因

如前所述，隨著可變標(biāo)距全自動引伸計測試技術(shù)的引進(jìn)和普及，r值的測試進(jìn)入到一個全新的發(fā)展階段。但應(yīng)該注意該類引伸計存在著結(jié)構(gòu)性缺陷：首先,對橫向引伸計而言，除了監(jiān)測范圍過窄之外，還存在自適應(yīng)問題，即當(dāng)試樣縱軸與加載系統(tǒng)縱軸存在偏離時，引伸計測得的橫向變形偏大；其次,縱向引伸計標(biāo)距Le存在準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性問題。

一般情況下，如果采用人工裝夾方式，試樣的縱軸與加載系統(tǒng)的縱軸難以重合，具體如圖13所示。

圖13 試樣縱軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)示意(以試樣寬度變形量Δb為例)

進(jìn)行人工測試時，試驗前b0=2×LFJ，卸載后測得Δb1卸=2×LIJ，因此人工橫向應(yīng)變?yōu)?/p>

(1)

當(dāng)采用橫向引伸計測試時，試驗前Le=2×LFJ，停機時刻Δb1加=2×LTK，因此引伸計的橫向應(yīng)變?yōu)?/p>

(2)

如果將彈性變形LTH扣除，則Δb1加-Δb彈性=2×LHK，引伸計橫向應(yīng)變可修正為

(3)

可見，在試樣縱軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況下，即便扣除彈性應(yīng)變，由于

(4)

在理論上都無法確保eb塑性=eb人工,如果不扣除彈性應(yīng)變，則

(5)

與此同時，試樣的偏轉(zhuǎn)不會對縱向引伸計的測試造成類似影響，這是由于縱向、橫向應(yīng)變測試對原始標(biāo)距Le的定義不同，因此卸載后人工測得的試樣長度方向應(yīng)變eL人工與引伸計測得的試樣長度方向應(yīng)變eL引伸計較為接近。但對于橫向應(yīng)變，人工測得的eb人工比引伸計測得的縱向應(yīng)變eb引伸計低，即使考慮彈性應(yīng)變的影響，大部分的eb人工也比eb引伸計低0.1%左右。圖14為卸載后測得BUSD-B試樣的eb人工與eb引伸計。

圖14 卸載后測得BUSD-B試樣的eb人工與eb引伸計(L0=50 mm)

理論分析表明：對于BUSD-B試樣，如果試樣縱軸的偏轉(zhuǎn)角度超過6°，那么人工測得的Δb1卸可能比引伸計測得的Δb1加偏低0.007 mm左右，這會造成人工測得的r值整體偏低0.05；偏轉(zhuǎn)角度如果超過8°，那么人工測得的Δb1卸偏低0.012 mm，這會造成人工測得的r值整體偏低0.10。因此，除非試樣縱軸與加載系統(tǒng)縱軸完全重合，否則人工測試r值整體偏低。

綜上所述，人工測試r值偏低的原因除了試樣的不均勻變形外，還有可能是橫向引伸計無法適應(yīng)試樣的偏轉(zhuǎn)。除非采用自動裝夾機械手，否則對于人工裝夾試樣，全自動引伸計未能很好地解決這一問題。

除了橫向測試外，自動引伸計還存在縱向標(biāo)距Le的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性問題。為了靈活地調(diào)節(jié)標(biāo)距Le，該類引伸計采用了特殊的杠桿式平衡結(jié)構(gòu)?？陀^地說，Le的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性并沒有帶插銷的手動引伸計高，只要縱向標(biāo)距Le與理想值存在偏離，就會產(chǎn)生縱向變形的測試誤差，更嚴(yán)重的是會造成指向性錯誤，從而扭曲縱向和橫向變形兩者之間的對應(yīng)關(guān)系，這也是r值數(shù)據(jù)波動的原因之一。

為了說明縱向引伸計標(biāo)距Le偏差對r值測定的影響，假設(shè)存在編號為B～F的5支縱向引伸計，其名義標(biāo)距Le均為50 mm，其中C，E為0.5級引伸計，B，F(xiàn)為1級引伸計。如果使用的是編號F的1級引伸計，由于標(biāo)距存在負(fù)偏差-1.0%，那么其實際標(biāo)距Le″為49.5 mm。經(jīng)推算可知，編號F引伸計測得的15%應(yīng)變與實際情況存在一定偏離，此時試樣的實際變形應(yīng)為15.15%(見表3，ΔL為試樣長度變形量)。

表3 縱向引伸計Le偏差所導(dǎo)致的指向異常

但即使編號為F的縱向引伸計所指向的15%應(yīng)變與試樣實際產(chǎn)生的15.15%應(yīng)變存在偏離，測試系統(tǒng)也無法識別并修正這種偏離。這種指向性錯誤將導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生“邏輯錯位”，即縱向引伸計所指向的15%應(yīng)變水平與橫向引伸計感知的15.15%實際應(yīng)變水平不對應(yīng)，但系統(tǒng)仍錯誤地將兩者認(rèn)定為一對數(shù)據(jù)組代入公式，計算出一個錯誤的結(jié)果。與此類似，可以將表3中編號為B～F的引伸計依次裝夾到理想試樣上，上述關(guān)系錯位造成的影響如表4所示。

從表4可以看出，不考慮其他影響因素，如果試樣裝夾的是編號分別為C，E的0.5級引伸計，則r值為2.56～2.65；如果試樣裝夾的是編號分別為B，F(xiàn)的1級引伸計，r值為2.52～2.69。從這些數(shù)據(jù)可以看出，只要縱向引伸計的標(biāo)距Le與理想值存在偏離，那么r值的波動將不可避免。在實際測試過程中，肯定還疊加有其他的影響因素，r值的波動性有可能緩解也可能進(jìn)一步加劇。

表4 測試系統(tǒng)邏輯性錯位對r值的影響

r值的準(zhǔn)確性完全取決于試樣的縱向變形和橫向變形能否被準(zhǔn)確地測試出來，并且在測試的同時，不扭曲兩者之間(幾何上以及邏輯上)的對應(yīng)關(guān)系，目前廣泛采用的全自動引伸計可能存在著如下幾個問題。

(1) 對人工裝夾試樣而言，試樣縱軸的偏轉(zhuǎn)是不可避免的，如果引伸計無法適應(yīng)這種偏轉(zhuǎn)，就可能扭曲了縱向變形和橫向變形之間的幾何關(guān)系，引伸計測得的橫向變形偏高。由于r值對試樣的橫向變形極其敏感，并且兩者呈正相關(guān)，因此自動測試得到的r值存在被高估的風(fēng)險。

(2) 縱向引伸計實際上擔(dān)負(fù)著“測試”和“指向”的雙重職責(zé)，如果縱向標(biāo)距Le與理想值存在偏離，則不僅會產(chǎn)生測試誤差，更嚴(yán)重的是“指向性錯誤”扭曲了縱向和橫向變形兩者間的邏輯關(guān)系，這也是r值數(shù)據(jù)波動的主要原因之一。如果想減小這種負(fù)面影響，就要提高縱向引伸計標(biāo)距Le的準(zhǔn)確度和長期運行的穩(wěn)定性，這對設(shè)備生產(chǎn)廠家來說是一個挑戰(zhàn)。

(3) 對設(shè)備使用者而言，在日常工作中，應(yīng)該注意采取措施對自動引伸計標(biāo)距Le進(jìn)行維護和主動修正，否則其計量特性超出規(guī)定是完全有可能的。

2.5 彈性變形對r值的理論影響

在r值的計算公式中扣除彈性變形最早始于標(biāo)準(zhǔn)ISO 10113：2006，這種扣除僅是一種形式上的虛擬性卸載，其與真實的人工卸載測試有著本質(zhì)上的區(qū)別。為了便于后續(xù)開展對驗證數(shù)據(jù)的分析，首先利用ISO 10113：2020的新公式進(jìn)行理論推算，找出彈性變形對r值的一些理論性影響。

(1) 扣除彈性變形后，r值曲線自上而下隨應(yīng)變水平的增加逐步向理想加載值收斂。材料的屈服強度等級越低，則彈性變形越小，r值曲線的分布更靠近內(nèi)側(cè)，曲線收斂得越早，收斂程度越理想。

(2) 應(yīng)變水平越小，彈性扣除對r值造成的理論影響就越大。以BUSD-A試樣為例，一個r值為2.6的理想試樣在應(yīng)變?yōu)?%時：如果材料的屈服強度等級為200 MPa，則r值將偏高0.10；如果屈服強度提高到600 MPa，則r值將偏高0.35；隨著應(yīng)變水平的增加，這種影響將逐步減弱，在應(yīng)變?yōu)?5%時，兩者間的理論差異可減小到小于0.05(見圖15)。

圖15 BUSD-A試樣屈服強度等級對r值的理論影響

上述規(guī)律是基于ISO 10113：2020標(biāo)準(zhǔn)中鋼鐵材料泊松比ν為0.3推導(dǎo)出的。如果在軟件中采用實測的泊松比ν，將使彈性變形扣除的問題更加復(fù)雜化。泊松比越大，曲線的收斂性越好，泊松比越小，曲線的收斂性越差。

6082鋁合金試樣強度等級對r值的理論影響如圖16所示，曲線在更低的應(yīng)力下會向理想值收斂。在應(yīng)變?yōu)?%時，即使材料的強度等級高達(dá)2 000 MPa，經(jīng)過扣除后的r值理論上也僅偏高0.015。

圖16 6082鋁合金試樣強度等級對r值的理論影響

驗證試驗的數(shù)據(jù)與上述理論推算結(jié)果基本相符。BUSD材料試樣彈性變形對r值實際影響如圖17～18所示。由圖17～18可知，扣除彈性變形后，r值會整體性偏高，5%小變形情況下偏大0.15左右；在15%大變形情況下，偏大值<0.05?？梢姡瑧?yīng)變水平越低，則彈性扣除對r值造成的影響就越大。但隨著應(yīng)變的增大，這種影響將明顯減弱，對強度級別低于400 MPa的材料，15%應(yīng)變下兩者間的理論差值通常可減小到0.05以內(nèi)。但在圖17～18中，也有少量數(shù)值與上述規(guī)律存在差異，這一方面可能是因為彈性段斜率mE存在差異，另一方面可能是因為部分軟件用實測泊松比計算。

圖17 BUSD-A試樣彈性變形對r值的實際影響

圖18 BUSD-B試樣彈性變形對r值的實際影響

6082鋁合金試樣彈性變形對r值的實際影響如圖19所示。由圖19可知，6082鋁合金試樣扣除彈性變形后的r值僅偏高0.01左右。這也證實，如果材料沿厚度方向的變形能力有所減弱，那么彈性變形扣除對r值的影響將整體減弱。對r為0.6的理想試樣而言，彈性變形的影響基本可以忽略。

圖19 6082鋁合金試樣彈性變形對r值的實際影響

ISO 10113：2020標(biāo)準(zhǔn)希望借助計算公式對彈性變形進(jìn)行扣除，通過這樣的虛擬性卸載，可在理論上保證全自動、半自動和人工測試方式的統(tǒng)一，即經(jīng)過軟件扣除彈性變形后的r值與人工測試值更加接近，但驗證試驗結(jié)果如下所述。

(1) 加載條件下的r值與人工測試值較為接近，經(jīng)軟件扣除彈性變形后的r值反而有整體偏高的趨勢，在低應(yīng)變時這種差異尤為明顯。這說明在真實卸載的情況下，彈性變形僅是影響r值結(jié)果的眾多因素之一。

(2) 結(jié)合BUSD-A和BUSD-B材料的人工測試數(shù)據(jù)可知：r值是一個控制材料縱向或橫向變形的特征參數(shù)，在5%～15%的整個塑性變形區(qū)間，可以保持一個相對恒定的r值2.55，如果在5%的低應(yīng)變下對彈性變形進(jìn)行扣除，r值將提高到2.70，這會對試驗人員造成誤導(dǎo)。

3 結(jié)語及建議

(1) 雖然r值有波動，但人工、半自動和自動3種測試結(jié)果的均值較為接近。整體上看自動測試結(jié)果的離散性最大，人工測試結(jié)果的離散性最小。人工測試結(jié)果雖然在橫向尺寸的測試精度上比自動測試結(jié)果略差，但在縱向尺寸測試精度上有明顯優(yōu)勢，并且在測試的同時不會扭曲縱向和橫向之間的(幾何以及邏輯上)對應(yīng)關(guān)系。

(2) 在自動測試時，縱向引伸計實際擔(dān)負(fù)著“測試”和“指向”的雙重職責(zé)，由于縱向引伸計存在的“指向性”錯誤會造成縱向和橫向變形兩者間的邏輯關(guān)系錯位，這也是r值波動的主要原因之一。

(3) 從視頻引伸計的實際應(yīng)用效果看，無論是視頻引伸計的三線法或是多線法，都無法有效避免數(shù)據(jù)的離散性問題。

(4) 人工測試雖然效率低，且難以適應(yīng)大生產(chǎn)條件下的批量測試，但其準(zhǔn)確性和可靠性是半自動和全自動方式無法比擬的。

(5) 在加載條件下不扣除彈性變形測得的r值與人工測試r值更加接近，而扣除彈性變形后的r值反而有整體偏高的趨勢，那么在國標(biāo)GB/T 5027—2016中保留傳統(tǒng)的r值計算公式還是有必要的。

(6) 需要了解引伸計縱向標(biāo)距Le的重要性。

(7) 結(jié)合半自動(卸載)測試方式對試樣的變形尺寸開展檢查是非常有意義的，借助這種可重復(fù)、可再現(xiàn)的方式，可以便捷地確定影響r值測定的關(guān)鍵因素。

致謝

全國鋼標(biāo)委董莉教授和侯慧寧工程師組織了此次能力驗證比對活動，參加驗證的單位有：寶鋼股份武鋼有限技術(shù)中心、寶鋼股份武鋼有限質(zhì)檢中心、寶鋼股份中央研究院、寶鋼股份檢化驗中心、廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院、本鋼技術(shù)研究院、西南鋁業(yè)(集團)有限責(zé)任公司技術(shù)中心、廣州海關(guān)技術(shù)中心、山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心、國標(biāo)(北京)檢驗認(rèn)證有限公司、首鋼集團有限公司技術(shù)研究院、力試(上海)科學(xué)儀器有限公司、深圳萬測試驗設(shè)備有限公司、英斯特朗試驗貿(mào)易(上海)有限公司、茲韋克羅睿試驗機科技(上海)有限公司。

寶鋼股份湛江鋼鐵、北京有色院和太鋼不銹為驗證工作提供了試驗樣品，武鋼有限質(zhì)檢中心也給予了大力支持，在此一并致謝！