CN106644712A - 一种采用拉伸试验机自动测量厚度减薄率的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用拉伸试验机自动测量厚度减薄率的测试方法，所述拉伸试验机为带纵向和横向引伸计的拉伸试验机，包括以下步骤：1)测试试样原始初始厚度a₀、初始宽度b₀和初始长度L₀；2)将被测试样装持到带纵向和横向引伸计的拉伸试验机上，记录拉伸试验全过程中测试试样长度方向和宽度方向的瞬时尺寸L和b；分别求得实时的纵向应变e_L和横向应变e_b；3)计算拉伸试样瞬时厚度减薄率：4)设最大力总延伸率为A_gt，最大力塑性延伸率为A_g，计算得到最大力下总减薄率，最大力下塑性减薄率；5)试验断裂后最小厚度处减薄率定义为断后减薄率η_u，通过尖头千分尺测试断后试样颈缩区域最小厚度a_u，计算断后减薄率η_u。本发明测量方法，方便快捷，适用于大批量检验。

Description

一种采用拉伸试验机自动测量厚度减薄率的测试方法

技术领域

本发明涉及金属材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种采用拉伸试验机自动测量厚度减薄率的测试方法。

背景技术

目前拉伸试验相关的标准中，无论国家标准GB/T 228.1-2010，还是国外标准都没有规定减薄率这一检测项目或指标。实际上减薄率无论是对于薄壁管材和薄板材的成形加工领域，还是厚壁管材和厚板材的断裂失效分析来说都是非常重要的，如厚度减薄率、厚度梯度等参数在工程上可作为材料制造过程中设计控制依据、结构失效分析的判据，在理论上也可以作为预测材料成形极限及断裂的判据。

另外在金属薄板带成形加工领域有一个表征材料抵抗厚度减薄能力的参数:塑性应变比(r值)，但是该参数表征材料抵抗减薄能力不直接，也不形象，绝大部分金属薄板带成形数值模拟的结果仍然以厚度减薄率来描叙材料的成形性能高低、成形工艺优劣和成形质量好坏。如果在拉伸试验或r值测试时顺带提供一个直接形象的厚度减薄率，则给金属薄板带成形加工领域多一个选择也是有意义的。因此拉伸试样厚度减薄率的测试非常有必要。

文献《板材拉伸破裂厚度分布及成形极限预测》中提出方法一：将拉伸试验断后试样分切制成镶块，在显微硬度仪上测试了试样中心线厚度随离断口距离远近的变化规律，并求得了厚度梯度。另外，文献《金属板材拉伸厚度减薄率的测试研究》中提出了方法二：在拉伸试验断后试样上做中心线标记，并标记距离断口不同间隔的测量点，采用尖头千分尺测量各标记点的厚度，除以原始厚度，得到厚度减薄率的测试方法。这两种方法均为手动测量方法，方法一制样过程复杂，测试效率低；方法二测试过程简单，操作便捷，但是手动测点太多，后期数据处理也较为繁琐，而且人工测量误差较大，影响测试精度。

金属板材拉伸厚度减薄率测试难点在于：1)目前力学测试各项国家或国际标准中还没有现成的关于厚度减薄率的测试方法记录；2)现有文献中关于金相镶样在显微镜下测试厚度减薄率的方法，制样过程复杂，测试效率低下，不适于大规模生产检验，仅适用于实验室研究；3)现有文献中关于尖头千分尺测试厚度减薄率的方法测试过程简单，操作便捷，但是手动测点太多，后期数据处理也较为繁琐，而且人工测量误差较大，影响测试精度。

本发明专利提出了一种采用带纵向和横向引伸计的拉伸试验机自动测量厚度减薄率的测试方法。该方法简单易行，测试快捷，拉伸试验结束后即可根据计算公式直接求得厚度减薄率，并绘制均匀变形阶段的厚度减薄率实时变化曲线，可在今后的力学测试中推广采用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种采用拉伸试验机自动测量厚度减薄率的测试方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种采用拉伸试验机自动测量厚度减薄率的测试方法，所述拉伸试验机为带纵向和横向引伸计的拉伸试验机，包括以下步骤：

1)测试试样原始初始厚度a₀、初始宽度b₀和初始长度L₀；

2)将被测试样装持到带纵向和横向引伸计的拉伸试验机上，通过纵、横向引伸计分别跟踪记录拉伸试验全过程中测试试样长度方向和宽度方向的瞬时尺寸L和b；根据以下公式，分别求得实时的纵向应变e_L和横向应变e_b：

3)根据以下公式计算拉伸试样瞬时厚度减薄率：

式中：a为瞬时厚度，η为瞬时厚度减薄率；

其中，瞬时厚度a通过以下公式计算：

a₀b₀L₀＝abL(4)

则，

4)设最大力总延伸率为A_gt，最大力塑性延伸率为A_g，将A_g、A_gt对应的厚度减薄率分别定义为最大力下塑性减薄率η_g、最大力下总减薄率η_gt；

将最大力时对应的纵向应变e_Lt和横向应变e_bt带入公式(5)计算得到最大力下总减薄率η_gt：

即

最大力下塑性减薄率采用以下公式计算：

其中，

其中：F_m为最大力；ν为泊松比；m_E为拉伸应力应变曲线弹性部分的斜率；S₀为原始横截面积，S₀＝a₀b₀；e_Lp为纵向应变塑性分量；e_bp为横向应变塑性分量；

5)试验断裂后最小厚度处减薄率定义为断后减薄率η_u，通过尖头千分尺测试断后试样颈缩区域最小厚度a_u，依据公式(10)计算断后减薄率η_u；

本发明产生的有益效果是：

1)本发明专利通过拉伸试验机纵向和横向引伸计测量应变的方法直接在拉伸试验时得到了厚度减薄率，相比手动在断后试样上逐点测量的方法，更加方便快捷，适用于大批量检验；

2)本发明专利除提供瞬时减薄率η和断后减薄率η_u的测量外，还创新性的提出了最大力下塑性减薄率η_g、最大力下总减薄率η_gt，对应材料在成形过程中发生失稳变形时的减薄率特征值，能更好的指导材料成形设计；

3)本发明专利构建了拉伸瞬时减薄率及特定阶段减薄率的计算公式，为快速自动测量板材厚度减薄率提供了理论基础。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的纵向和横向引伸计结构示意图；

图2是本发明实施例的断后减薄率测量位置示意图；

图3是本发明实施例的厚度减薄率随纵向应变变化曲线图；

图4是本发明实施例的厚度减薄率随横向应变变化曲线图；

图5是本发明实施例的应力-纵向应变曲线；

图6是本发明实施例的某铜合金厚度减薄率随纵向应变变化曲线图；

图7是本发明实施例的某铜合金厚度减薄率随横向应变变化曲线图；

图8是本发明实施例的某铜合金应力-纵向应变曲线；

图9是本发明实施例的厚度减薄率随离断口距离变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明专利涉及金属板材拉伸厚度减薄率自动测量方法，需借助配备有纵向和横向双引伸计的板材拉伸试验机来实现，适用于金属板材、管材厚度减薄率的测定或与拉伸试验原理相似的胀形等试验的金属管材厚度减薄率的测定。

具体实施过程说明如下：

1)测试被测板材试样的初始厚度a₀、初始宽度b₀和初始长度L₀。

2)将试样装配到板材拉伸试验机上，调整纵向、横向引伸计标记，并使之与试样纵向、横向平面接触，如图1所示。设置引伸计全程跟踪试验过程纵向和横向变形，开启拉伸试验程序，记录测试全过程载荷、纵向引伸计位移量L、横向引伸计位移量b的原始数据，根据公式计算纵向应变e_L和横向应变e_b；

3)根据以下公式计算拉伸试样瞬时厚度减薄率：

式中：a为瞬时厚度，η为瞬时厚度减薄率。

在实际测量中，由于厚度的变化量很小，不易精确测量，因此通过假定体积不变，可以将试样厚度方向的变形换算成长度方向和宽度方向的变形来测量。根据体积不变假设，在试样拉伸发生颈缩之前的弹性阶段和均匀塑性变形阶段都存在下式：

a₀b₀L₀＝abL (4)

式中：b₀-初始宽度；L₀-初始长度；b-减薄后宽度；L-减薄后长度。

紧缩发生前拉伸过程中试样各处瞬时厚度减薄率变化一致，满足以下关系式：

根据长度方向和宽度方向的工程应变计算公式：

从而有

将式(8)和式(9)代入式(5)，即可求得：

将纵向应变e_L和横向应变e_b代入公式(10)计算实时的厚度减薄率η。依据实时纵向应变e_L、横向应变e_b、厚度减薄率η，可以绘制厚度减薄率随纵向应变和横向应变变化曲线，如图3和图4所示。

4)如图5所示，绘制应力-纵向应变曲线，根据弹性阶段应力-应变线性关系，测量弹性阶段斜率m_E。计算应力-纵向应变曲线上最大应力R_m对应的最大力F_m，依据公式(11)和(12)计算最大力下纵向应变和横向应变的塑性分量，然后代入公式(13)计算最大力下塑性减薄率η_g。将最大力总延伸率A_gt下对应的纵向应变和横向应变，代入公式(10)可以计算最大力下总减薄率η_gt。

其中：F_m为最大力；ν为泊松比；m_E为拉伸应力应变曲线弹性部分的斜率；S₀为原始横截面积，S₀＝a₀b₀；e_Lp为纵向应变塑性分量；e_bp为横向应变塑性分量。

5)如图2所示，将断后试样拼接起来，测试断口中心线附近多处厚度，选取最小厚度值代入公式(14)计算断后减薄率η_u。由于试样断裂部位不一定是颈缩最严重的地方，需要如图2所示，在例如A、B、C这些断口附近区域寻找厚度最小点。

a_u为通过尖头千分尺测试断后试样颈缩区域最小厚度。

实施例1：

1)测试对象为某铜合金，初始厚度a₀＝5.00mm、初始宽度b₀＝19.98mm和初始长度L₀＝50mm。

2)采用带纵向和横向双引伸计的板材拉伸试验机开展拉伸试验，记录测试全过程载荷、纵向引伸计位移量、横向引伸计位移量原始数据，根据公式(1)和(2)计算纵向应变e_L和横向应变e_b。

3)将纵向应变e_L和横向应变e_b代入公式(10)计算实时的厚度减薄率η。依据实时纵向应变e_L、横向应变e_b、厚度减薄率η，可以绘制厚度减薄率随纵向应变和横向应变变化曲线，如图6和图7所示。

4)绘制应力-纵向应变曲线，如图8所示，根据弹性阶段应力-应变线性关系，测量弹性阶段斜率m_E＝54709MPa。计算应力-纵向应变曲线上最大应力R_m＝213.82MPa对应的最大力F_m＝21.34kN，泊松比ν＝0.3，最大力下 依据公式(11)和(12)计算最大力下纵向应变的塑性分量e_Lp＝0.265和横向应变的塑性分量e_bp＝0.106，然后代入公式(13)计算最大力下塑性减薄率η_g＝0.116，即11.6％。最大力总延伸率A_gt下纵向应变e_L＝0.269和横向应变e_b＝0.105，代入公式(10)可以计算最大力下总减薄率η_gt＝0.120，即12.0％。

5)为验证该自动测量方法结果的可信度，采用文献《金属板材拉伸厚度减薄率的测试研究》中提出的手动测量方法，测试了该铜合金试样断后试样中心线厚度，并计算了厚度减薄率如表1所示。根据表1测试结果绘制厚度减薄率随离断口距离变化曲线如图9所示。两拟合直线交点为失稳减薄率，即自动测量方法中定义的最大力下塑性减薄率η_g，手动测量值为11.49％，与自动测量值11.60％仅偏差0.95％，误差极小，说明自动测量结果是可靠的。

表1 手动测量某铜合金厚度减薄率

6)断后减薄率η_u的测量采用手动测量方法，测试结果如表1中离断口附近最近几点中出现的厚度减薄率最大值，即80.80％。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种采用拉伸试验机自动测量厚度减薄率的测试方法，其特征在于，所述拉伸试验机为带纵向和横向引伸计的拉伸试验机，包括以下步骤：

1)测试试样原始初始厚度a₀、初始宽度b₀和初始长度L₀；

2)将被测试样装持到带纵向和横向引伸计的拉伸试验机上，通过纵、横向引伸计分别跟踪记录拉伸试验全过程中测试试样长度方向和宽度方向的瞬时尺寸L和b；根据以下公式，分别求得实时的纵向应变e_L和横向应变e_b：

$e_L=\frac{L-L_0}{L_0}\×100\%---\left(1\right)$

$e_b=\frac{b_0-b}{b_0}\×100\%---\left(2\right)$

3)根据以下公式计算拉伸试样瞬时厚度减薄率：

$\mathrm{\η}=\frac{a_0-a}{a_0}\×100\%---\left(3\right)$

式中：a为瞬时厚度，η为瞬时厚度减薄率；

其中，瞬时厚度a通过以下公式计算：

a₀b₀L₀＝abL (4)

则

4)设最大力总延伸率为A_gt，最大力塑性延伸率为A_g，将A_g、A_gt对应的厚度减薄率分别定义为最大力下塑性减薄率η_g、最大力下总减薄率η_gt；

将最大力时对应的纵向应变e_L和横向应变e_b带入公式(5)计算得到最大力下总减薄率η_gt：

即

最大力下塑性减薄率采用以下公式计算：

${\mathrm{\η}}_g=1-\frac{1}{(1-e_{bp})\×(1+e_{Lp})}---\left(7\right)$

其中，

$e_{Lp}=(\frac{L-L_0}{L_0}-\frac{F_m}{S_0\×m_E})---\left(8\right)$

$e_{bp}=(\frac{b_0-b}{b_0}+\frac{v\×F_m}{S_0\×m_E})---\left(9\right)$

其中：F_m为最大力；ν为泊松比；m_E为拉伸应力应变曲线弹性部分的斜率；S₀为原始横截面积，S₀＝a₀b₀；e_Lp为纵向应变塑性分量；e_bp为横向应变塑性分量；

5)试验断裂后最小厚度处减薄率定义为断后减薄率η_u，通过尖头千分尺测试断后试样颈缩区域最小厚度a_u，依据公式(10)计算断后减薄率η_u；

${\mathrm{\η}}_u=\frac{a_0-a_u}{a_0}\×100\%---\left(10\right).$