CN109870355B - 金属板试样单轴拉伸断后伸长率自动测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属板试样单轴拉伸断后伸长率的自动测量方法，属于金属材料力学性能领域，测试该方法在已知材料弹性模量和泊松比前提下，只需要测量和记录板试样拉伸断裂时刻的标距伸长量和载荷值，同时采用光学方法采集断后板试样外轮廓在宽度和厚度的分布信息，通过弹性变形分析计算获得板试样单轴拉伸断后伸长率。该方法准确扣除弹性部分，且无需识别标距范围内断裂位置自动实施移位法，从而精确获得断后伸长率。与现有手动测量技术相比，省去划线和固定断后试样等繁琐测量环节，且提高了测量精度，对于金属材料力学性能测试具有重要意义。

Description

金属板试样单轴拉伸断后伸长率自动测量方法

技术领域

本发明涉及金属材料力学性能测试，具体涉及金属板试样单轴拉伸断后伸长率自动测量方法。

背景技术

在金属材料力学性能中，断后伸长率是反映金属材料塑性的一个重要指标，其数值越大，表示金属材料的塑性越好。断后伸长率的测量主要有手工和自动测量两种方式。GB/T228.1-2010规定了断后伸长率的测定方法，其手工测量方法是：将拉伸试样断口部分仔细地配接在一起，使轴线处于同一直线上，并确保试样断裂部分适当接触后测量试样的断后标距l_u，将断后标距l_u和原始标距长度l₀代入下式计算得到断后伸长率A，

A＝(l_u-l₀)/l₀×100％

对于手工测量，原始标距的标记及断后标距的测量尤为重要。通常情况下采用人工刻划标记的方法，此方法工作效率低，且在人员操作过程中存在不同程度的误差，直接影响断后伸长率的测定结果。测量断后标距时需将拉伸试样断口对接，由于断口会出现掉渣、掉块等现象，因此要将断口准确对接是非常困难的。即使遵循美标ASTME8-16a给定对接时的压紧力要求，测量误差还是难以避免。若断裂位置不在试样标距中间位置，还要使用移位法测定，操作更为麻烦。

自动测量采用引伸计标距等于试样的原始标距，引伸计自动测定试样在断裂点的总伸长，扣除弹性部分而得出断后伸长Δl，即(l_u-l₀)，进而求得断后伸长率A。自动测量方法简单可行，但是引伸计不能自动识别出试样的断裂位置。而在实际试验过程中，试样断裂位置绝大多数不在引伸计标距l_e的中间位置，这种情况下自动测量无法像手工测量时采用移位法进行修正，所测量出来的伸长量Δl就会小于手工测量。同时，由于断裂时试样颈缩严重，在扣除弹性部分时如果还按照均匀变形来计算弹性变形，扣除的弹性部分是不准确的。鉴于以上两个原因，目前自动测量断后伸长率尽管简单可行，但是具有较大的误差，实际应用中还是以手工测量居多。

发明内容

针对目前试样单轴拉伸断后伸长率自动测量方法以上两个问题，本发明的目的是建立一种板试样单轴拉伸断后伸长率自动测量方法，能够准确扣除弹性部分，并且无需识别标距范围内断裂位置自动实施移位法，从而获得断后伸长率的精确值。本发明在已知材料弹性模量和泊松比前提下，只需要测量和记录板试样拉伸断裂时刻的标距伸长量和载荷值，同时采用光学方法采集断后板试样沿轴线方向的宽度外轮廓曲线和厚度外轮廓曲线，通过弹性变形分析计算获得试样单轴拉伸断后伸长率。

本发明所采用的技术方案具体步骤如下：

(1)进行金属板试样单轴拉伸试验，原始标距长度为l₀，原始标距宽度为b₀，原始标距厚度为t₀，测量并记录开始拉伸断裂时刻载荷F_N和标距伸长量dl_N。

(2)用光学方法采集断后较长的一半板试样沿轴线方向的宽度外轮廓信息和厚度外轮廓信息，断裂点确定为板材宽度断裂斜线与轴线的交点，并设置为坐标原点，即x₀＝0。x_k为负值的长边宽度轮廓线以原点为中心旋转180度并与短边宽度轮廓线相接，由此将试样宽度断裂斜线修正为垂直于轴线的直线；通过图像处理获得沿轴线方向上宽度和厚度分布，并用相应的坐标表示：宽度坐标G_k(x_k,b_k)和厚度坐标H_k(x_k,t_k)，其中x_k为对应轴线方向的坐标，k＝0～M，0和M分别对应试样颈缩断裂点和平行长度范围内接近圆弧过渡部分的某点。

(3)对断后试样外轮廓曲线坐标进行弹性修正，已知金属材料弹性模量E和泊松比λ，则修正后各点坐标

和

表示为

其中

保留所有

的点(数量为T+1)，并将

修正为(l₀+dl_N)/2，则对应断裂时刻标距点的坐标

和

可表示为

(4)基于公式(1)和(2)，通过解方程组求得包含弹性部分的各点

和

值。

对应扣除弹性部分的x_T值可通过下式计算

鉴于移位法基于试样伸长量以断裂位置为中心的对称性分布，试样板试样单轴拉伸断后标距长度l_u＝2·x_T，最后根据下式计算获取金属板试样断后伸长率。

A＝(l_u-l₀)/l₀×100％ (4)

本发明的有益效果：

(1)采用本发明的方案，只需要测量和记录板试样断裂时刻标距伸长量和载荷值，并提取断后板试样宽度和厚度外轮廓曲线，就可自动计算断后伸长率，并扣除试样不均匀变形的弹性部分，且无需判断断裂位置就达到移位法相同的效果。与现有手动测量技术相比，省去划线和固定断后试样等繁琐测量环节，节省了测量时间和测量成本；

2)本发明由于采用引伸计和光学测量的数据，避免过多人工测量误差，计算精度高，且计算过程易于实现程序化，具有操作性。

附图说明

图1为单轴拉伸断后照片。

图2为板试样断后沿轴线宽度分布及断裂斜线修正模型。

具体实施方式

下面结合具体示例及附图对本发明作进一步说明。

(1)进行铝合金板试样单轴拉伸试验，原始标距长度为l₀＝50mm，原始标距宽度为b₀＝10mm，原始标距厚度为t₀＝1.2mm，测量并记录开始拉伸断裂时刻载荷F_N＝2212N和标距伸长量dl_N＝14.23mm，拉伸后断裂的标距部分如图1所示。

(2)用光学方法采集断后较长的一半板试样沿轴线方向的宽度外轮廓信息和厚度外轮廓信息，断裂点确定为板材宽度断裂斜线与轴线的交点，并设置为坐标原点，即x₀＝0。x_k为负值的长边宽度轮廓线以原点为中心旋转180度并与短边宽度轮廓线相接，由此将试样宽度断裂斜线修正为垂直于轴线的直线，如图2所示；通过图像处理获得沿轴线方向上宽度和厚度分布，并用相应的坐标表示：宽度坐标G_k(x_k,b_k)和厚度坐标H_k(x_k,t_k)，其中x_k为对应轴线方向的坐标，k＝0～M，0和M分别对应试样颈缩断裂点和平行长度范围内接近圆弧过渡部分的某点。

(3)对断后试样外轮廓曲线坐标进行弹性修正，已知金属材料弹性模量E和泊松比λ，则修正后各点坐标

和

表示为

其中

保留所有

的点(数量为T+1)，并将

修正为(l₀+dl_N)/2，则对应断裂时刻标距点的坐标

和

可表示为

(4)基于公式(1)和(2)，通过解方程组求得包含弹性部分的各点

和

值。

对应扣除弹性部分的x_T值可通过下式计算

经计算x_T＝31.97mm，鉴于移位法基于试样伸长量以断裂位置为中心的对称性分布，试样板试样单轴拉伸断后标距长度l_u＝2·x_T＝63.94mm，最后根据下式

A＝(l_u-l₀)/l₀×100％ (4)

计算获取金属板试样断后伸长率A≈27.9％。

Claims (1)

1.金属板试样单轴拉伸断后伸长率自动测量方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：

(1)进行金属板试样单轴拉伸试验，原始标距长度为l₀，原始标距宽度为b₀，原始标距厚度为t₀，测量并记录开始拉伸断裂时刻载荷F_N和标距伸长量dl_N；

(2)用光学方法采集断后较长的一半板试样沿轴线方向的宽度外轮廓信息和厚度外轮廓信息，断裂点确定为板材宽度断裂斜线与轴线的交点，并设置为坐标原点，即x₀＝0；x_k为负值的长边宽度轮廓线以原点为中心旋转180度并与短边宽度轮廓线相接，由此将试样宽度断裂斜线修正为垂直于轴线的直线；通过图像处理获得沿轴线方向上宽度和厚度分布，并用相应的坐标表示：宽度坐标G_k(x_k,b_k)和厚度坐标H_k(x_k,t_k)，其中x_k为对应轴线方向的坐标，k＝0～M，0和M分别对应试样颈缩断裂点和平行长度范围内接近圆弧过渡部分的某点；

(3)对断后试样外轮廓曲线坐标进行弹性修正，已知金属材料弹性模量E和泊松比λ，则修正后各点坐标

和

表示为

其中

保留所有

的点，保留点数量为T+1，并将

修正为(l₀+dl_N)/2，则对应断裂时刻标距点的坐标

和

可表示为

(4)基于公式(1)和(2)，通过解方程组求得包含弹性部分的各点

和

值；

对应扣除弹性部分的x_T值可通过下式计算

基于试样伸长量以断裂位置为中心的对称性分布，金属板试样单轴拉伸断后标距长度l_u＝2·x_T，最后根据下式计算获取金属板试样断后伸长率，

A＝(l_u-l₀)/l₀×100％ (4)。

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