TC11钛合金几种不同横梁位移速率下拉伸试验的K值关系分析

高天胤,高怡斐,,王春华,梁新帮

(1. 钢铁研究总院，北京 100081; 2. 钢研纳克检测技术股份有限公司，北京 100081)

0 引 言

GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》[1]标准发布实施已有近十年的时间，相关的讨论和争论不断[2-5]，主要的关注焦点集中在方法A2上，方法A2是横梁位移速率控制，对于试样的实际应变速率是处于一种开环控制状态，并不像方法A1那样的闭环控制状态。试样的应变速率受到试验机系统的柔度变形影响，其变形越大，受影响也越大，这是方法A2的主要缺点。此外，按照方法A2，横梁位移速率一旦给定，在整个试验中是定数，因此，在拉伸试验的初始阶段，横梁位移的相当部分被用于消除试样链系统各连接件之间的间隙，造成整个试验总时间大大增加，试验效率低的缺点。方法A2也有其优点，相对方法A1而言，方法A2的试验操作相对简单。所以实验室一般都乐于使用方法A2进行拉伸试验。

科学工作者试图寻找一种改良的方法[6-7]改善前述的缺点。ISO 6892—1:2016 《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》[8]国际标准于2016年正式发布，国家标准制修订小组针对目前关注的焦点问题，拟对GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》中的附录F “考虑试验机刚度（或柔度）后估算的横梁位移速率”进行修订。拟通过相关理论推导和试验验证找到“考虑试验机系统变形情况对横梁位移速率进行补偿的方法”，也就是修正后的A2方法。

通过选取3种不同的拉伸试验机针对TC11钛合金棒样进行不同位移速率下的室温拉伸试验，发现了弹性阶段和屈服阶段试验机系统K值的变化规律，为修订GB/T 228.1—2010标准做好了相应的试验验证工作。

1 拉伸试验及试验结果

选取直径为5 mm的TC11钛合金标准圆棒拉伸试样，见图1。分别在3个单位，用MTS C5.105、ZWICK 600和ZWICK Z250 3种不同规格型号的电子拉伸试验机进行试验。钛合金试样拉伸过程中，分别以方法A2不同的横梁位移速率vc进行。在试样上装夹引伸计，通过绘制载荷-时间曲线和应变-时间曲线，分别测量Fp0.2感兴趣点处和弹性阶段的80%Fp0.2处试样上的真实应变速率p,m，通过比较试样平行长度LC估计的应变速率LC与相应感兴趣点处试样上真实应变速率p,m的比值分别得到Ke和Ky，试验结果详见表1。

图1 TC11钛合金拉伸试样（单位：mm）

表1 3种不同型号的电子拉伸试验机横梁位移速率vc 与K值试验数据1)-2)

2 拉伸试验结果分析

从表1中的试验结果可以看出在试样LC估计的应变速率与弹性阶段 8 0%Fp0.2处试样上测量的应变速率的比值Ke和试样LC估计的应变速率与塑性屈服阶段Fp0.2处试样上测量的应变速率的比值Ky计算中，是有差异的。这些数据表明型号、规格、夹持方式不同的试验机，其拉伸系统柔度（或刚度）是有差异的。但是每台试验机尽管采用不同的横梁位移速率，其各自的Ke值和Ky值，分别在弹性变形阶段、屈服阶段则是基本一致的。

第一组试验选用的是MTS C5.105 100 kN试验机，外套移动液压夹具，试验机刚度较大，试验机拉力系统柔度较小。在弹性变形阶段，试样LC估计的应变速率与引伸计应变速率之比值系数Ke为3.85；在屈服阶段试样LC估计的应变速率与引伸计应变速率之比值系数Ky为1.16。

第二组试验选用的是ZWICK Z600试验机，其试验机为600 kN，平推式液压夹具，试验机整机刚度大，600 kN的试验机拉力系统，相对拉伸钛合金5 mm直径小试样，试样LC估计的应变速率与引伸计应变速率之比值系数K小。在弹性变形阶段试样LC估计的应变速率与引伸计应变速率之比值系数Ke为2.15；在屈服阶段试样LC估计的应变速率与引伸计应变速率之比值系数Ky为1.04。

第三组试验选用的是ZWICK Z250试验机，250 kN试验机，平推液压夹具，在弹性变形阶段试样LC估计的应变速率与引伸计应变速率之比值系数Ke为2.57；在屈服阶段试样LC估计的应变速率与引伸计应变速率之比值系数Ky为1.08。

将表1中的K值测量结果进行统计分析，对于同一试验设备，相同试样，相同感兴趣点（即同一性能点）情况，K值测量结果的分散性见表2。

表2 K值的分散性（相对标准偏差）

从表2中K值的分散性来看，相同试样和相同试验设备，采用不同的横梁位移速率的试验，对于相同感兴趣点的比值K其值分散性在4%以内，差别并不大（无本质上的差别），而横梁位移速率试验范围从0.000 25LC/s至0.002LC/s，相差8倍。据此可以认为：对于相同感兴趣点，K值基本不随横梁位移速率的变化而变化，是近似恒定值。这为后续采用A2法考虑试验机系统变形情况对横梁位移速率补偿的方法奠定了基础。

3 试验讨论

3.1 K值的变化趋向和取值范围

从表1中的数据可以看出，采用方法A2进行的拉伸试验，试验初始阶段中K值处于较高的值，随着试验进行其值逐渐降低，如果呈现平台屈服，其值接近1[1-2]，如果呈现连续屈服，例如在屈服强度Rp0.2附近其值呈现大于1。试验最初始阶段K值较高，是因为此阶段横梁位移较大部分用于消除试样与连接件之间的间隙，造成平行长度的应变速率与目标应变速率相差较大。进入屈服阶段K值较低，甚至接近1，是因为进入屈服阶段，力的增加速率比弹性直线阶段的低，试验机系统的应变速率分量增速相对降低，而平行长度的应变速率分量增速相对较快，而且逐渐接近目标应变速率。

表1中的K值，其取值范围为K≥1，较高的值表示试验机系统应变速率分量较大。K=1，在理论上表示试验机系统应变速率分量为零，换句话说，试验机系统刚度无限大，柔度变形为零，但在实践上不可能存在刚度无限大柔度为零的情况。但在金属材料拉伸试验中，当试样呈现不连续的平台屈服状态时，在平台屈服范围内会出现K=1情况，这是因为屈服平台区的应力-应变曲线的斜率m值为零而导致ISO 6892—1:2016[8]中公式（F.2）右边括号内第1项的值为零，由此而产生横梁位移速率全部转移成平行长度的伸长速率，此时平行长度的应变速率与平行长度估计的应变速率相同，即。实际试验也已测量得平台屈服区K=1或K≅1情况。鉴于这种情况存在，对于呈现单一平台屈服状态的材料试验，测定屈服强度时可以不做横梁位移速率的补偿。

3.2 K值补偿应用于弹性阶段以缩短试验总耗时

当感兴趣点是在弹性阶段，K值一般都比屈服阶段的高许多，所以对于该点的横梁位移速率补偿也高许多。这意味着在该点之前的试验耗时将缩短许多。如果为了缩短试验耗时为目的的，建议预备试验时测量K值的点选在材料屈服强度Rp0.2的80%附近处，以便有足够区间能将横梁位移速率平滑转换至屈服阶段所需的横梁位移速率。

4 结束语

1）相同试样和相同试验设备，对于相同感兴趣点，K值基本不随横梁位移速率的变化而变化，是近似恒定值。

2）采用方法A2进行的拉伸试验，试验初始阶段中K值处于较高的值，随着试验进行其值逐渐降低；进入屈服阶段K值较低，甚至接近1。

3）将Ke值补偿应用于弹性阶段可以缩短试验总耗时。