王 斌, 胡國(guó)林, 方 健, 陳建森

(1.力試(上海)科學(xué)儀器有限公司, 上海 201506；2.中國(guó)寶武鋼鐵集團(tuán)有限公司 中央研究院, 上海 201900)

在單軸拉伸應(yīng)力作用下，試樣寬度和厚度方向的真實(shí)塑性應(yīng)變之比稱為塑性應(yīng)變比，即r值。r值與多晶材料中晶體的擇優(yōu)取向(織構(gòu))有關(guān)，反映了薄板各向異性的程度。當(dāng)r值小于1時(shí)，說(shuō)明材料厚度方向更容易變形減薄和開裂，沖壓性能不好；當(dāng)r值大于1時(shí)，說(shuō)明材料在沖壓成形過(guò)程中，長(zhǎng)度和寬度(面內(nèi))方向上容易變形。因?yàn)楹穸葴p薄是薄板沖壓過(guò)程中材料發(fā)生斷裂的主要原因，所以對(duì)于r值大的材料，其在厚度方向上的抗變形能力較好，抵抗變薄能力強(qiáng)，具備良好的沖壓性能。此外，通過(guò)測(cè)試不同取樣方向試樣的r值，可以定量評(píng)估金屬塑性的各向異性，是材料成形能力的一種度量，正確評(píng)價(jià)r值對(duì)制定薄板深沖工藝具有重要的實(shí)踐價(jià)值。

根據(jù)最新的r值測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ISO 10113:2020 《金屬材料 薄板和薄帶塑性應(yīng)變比(r值)的測(cè)定》中，全自動(dòng)方法應(yīng)在試樣平行長(zhǎng)度部分均勻測(cè)試至少3處寬度。這給我國(guó)主流試驗(yàn)技術(shù)和國(guó)產(chǎn)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試能力帶來(lái)了較大的沖擊和挑戰(zhàn)[1]。根據(jù)ISO 10113：2020標(biāo)準(zhǔn)的要求，采用視頻引伸計(jì)同時(shí)測(cè)試了試樣長(zhǎng)度和寬度方向的實(shí)時(shí)應(yīng)變。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用BUSD-A、BUSD-B、430不銹鋼以及6082鋁合金等不同規(guī)格試樣，均按照ISO10113:2020標(biāo)準(zhǔn)的要求加工。

1.2 試驗(yàn)方法

采用加載視頻引伸計(jì)的全自動(dòng)測(cè)試方法測(cè)定r值，在彈性階段直至屈服階段，橫梁位移速率控制在2 mm/min，在屈服階段之后，橫梁位移速率控制在5 mm/min。各試樣的約定應(yīng)變?yōu)閞5,r8,r15。

2 試驗(yàn)設(shè)備和軟件

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

為了降低設(shè)備同軸度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，選用了LE5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，并配置了對(duì)中性優(yōu)越的拉壓過(guò)零疲勞試驗(yàn)用液壓楔形夾具，該設(shè)備在試驗(yàn)前采用自主研發(fā)設(shè)計(jì)的基于ASTM E1012 《在拉伸和壓縮軸向力作用下驗(yàn)證試驗(yàn)框架和樣品準(zhǔn)直精度的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)的AlignmentExpert同軸度校準(zhǔn)系統(tǒng)，以對(duì)加載機(jī)構(gòu)的同軸度進(jìn)行調(diào)整，確保系統(tǒng)同軸度滿足ASTM E1012 Class 5等級(jí)，消除軸向加載的不均勻性對(duì)r值測(cè)定的影響。

試樣長(zhǎng)度與寬度變形測(cè)試采用自主研發(fā)的VNCX型視頻引伸計(jì)(見圖1)，該引伸計(jì)通過(guò)軟件設(shè)置，在試樣寬度方向，可在軸向標(biāo)距范圍內(nèi)任意設(shè)置均布線數(shù)(1～33)，例如試驗(yàn)采用的33線法，可實(shí)時(shí)跟蹤拉伸加載過(guò)程中試樣的寬度變形(見圖2)。

圖1 VNCX型視頻引伸計(jì)外觀

圖2 寬度方向32等分(33線)示意

2.2 試驗(yàn)軟件

利用LE5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)配置的TestMaster測(cè)試控制軟件，按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 10113：2020的要求，自動(dòng)計(jì)算得到真實(shí)有效的r值。

3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

為了降低不穩(wěn)定因素對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，采用與標(biāo)定同軸度相一致的夾塊，并根據(jù)試樣的不同寬度，嚴(yán)格調(diào)整試樣的對(duì)中性，確保試樣軸向中心線與上下夾具中心線保持一致。

視頻引伸計(jì)位置固定，確保每次試驗(yàn)不受視頻引伸計(jì)位置變動(dòng)和狀態(tài)變化的影響。

由于采用的是全自動(dòng)測(cè)試方法，因此計(jì)算r值時(shí)用全自動(dòng)方法的相應(yīng)公式,長(zhǎng)度方向的塑性應(yīng)變比為

(1)

式中:Le為引伸計(jì)標(biāo)距;ΔL為縱向增量;F為對(duì)應(yīng)縱向變形增量時(shí)點(diǎn)的拉力;S0為原始橫截面積;mE為彈性部分工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率。

寬度方向的塑性應(yīng)變比為

(2)

式中:b0為試樣原始寬度;Δb為寬度增減;ν為泊松比。

r值計(jì)算公式為

r=-εp_b/(εp_b+εp_l)

(3)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 實(shí)測(cè)結(jié)果

表1為4組不同類型試樣的r值實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。為了研究不同寬度測(cè)試線所得到的寬度變形對(duì)r值的影響，所有試驗(yàn)均采用33線和3線(3線選擇中間測(cè)試線與離中心線相隔5道的上下對(duì)稱線，見圖2)測(cè)試方法進(jìn)行計(jì)算。

由表1可知，按照ISO 10113：2020標(biāo)準(zhǔn)，采用多線位置測(cè)試寬度變形，所得到的r值一致性較好，33線測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著優(yōu)于3線測(cè)試結(jié)果的，這也與方健等[2]的研究結(jié)果一致。

表1 4組不同類型試樣的r值實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2.2 結(jié)果比對(duì)

不同方法測(cè)試r值的平均值如表2所示。由表2可以看出，采用視頻引伸計(jì)測(cè)得的各種材料r值都比自動(dòng)扣除彈性方式的r值低，趨于接近人工方式測(cè)試的r值或半自動(dòng)方式測(cè)試的r值。

表2 不同方法測(cè)試r值的平均值

采用TestMaster軟件選取全過(guò)程的r值-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，BUSD-B試樣在塑性變形階段，低應(yīng)變區(qū)域r值的波動(dòng)比高應(yīng)變區(qū)域的波動(dòng)要大，高應(yīng)變區(qū)域的r值更為穩(wěn)定。

圖3 BUSD-B試樣全過(guò)程r值-應(yīng)變關(guān)系曲線

4 結(jié)語(yǔ)

用視頻引伸計(jì)測(cè)試r值十分方便，還可以根據(jù)需要測(cè)試任意等分長(zhǎng)度和寬度方向的實(shí)時(shí)應(yīng)變，如文中的32等分(33線)測(cè)試方法。

多線形式的寬度方向測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于少線形式的寬度方向測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性，建議在條件允許的情況下盡量采用多線形式測(cè)試寬度方向的變形。

視頻引伸計(jì)采用非接觸式測(cè)試，避免了與試樣接觸產(chǎn)生的人為不確定因素的影響，測(cè)試結(jié)果與人工測(cè)試結(jié)果也更為接近。