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1、 G B T 2 2 8 1 -2 0 1 0中的拉伸试验速率及 其控 制 董强 ， 宰绍峰。 ， 孙建林 ， 刘 明 ( 1 北京科技大学， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 首钢京唐钢铁联合有限责任公司， 唐山 0 6 3 0 0 2 ； 3 北京首钢国际工程技术有限公司， 北京 1 0 0 0 4 3 ； 4 首钢总公司质量监督总站， 北京 1 0 0 0 4 1 ) 摘要： 阐述了在拉伸试验中， 试验速率对材料屈服性能表现出规律性的影响。我国历次拉伸 试验标准( GB T 2 2 8 ) 有关试验速率的理论规定都是 以应 变速率为标准 ， 但在实际操作中又都是 以 等效的应力速率为
2、标准； 而在新标准 GB T 2 2 8 1 2 0 1 0中， 则从理论规定到实际操作均 实现 了以 应变速率为标准的方法。另外还讨论 了拉伸试验速率的控制方法， 以及试验速率控制与试验设备 的 关 系。 关键词： 拉伸试验标准； 拉伸试验速率； 屈服性能； 速率控制 中图分类号： T B 3 0 2 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 4 0 1 2 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 7 7 4 0 8 T e n s i l e T e s t R a t e a n d I t s Co n t r o l i n S t a n d a r d G B T 2 2
3、8 1 -2 0 1 0 D O N GQ i a I 1 g l ， Z A I S h a o - f e n g 3 ， S U N J i a n - l i n ， L 1 UMi n g 4 ( 1 Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 S h o u g a n g J i n g t a n g Un i t e d I r o n & S t e e l C o ，L t d
4、，Ta n g s h a n 0 6 3 2 0 0，Ch i n a ； 3 B e i j i n g S h o u g a n g I n t e r n a t i o n a l E n g i n e e r i n g Te c h n o l o g y C o ，L t d ， B e i i n g 1 0 0 0 4 3 ， C h i n a ； 4 S h o u g a n g G r o u p Qu a i l i t y S u r v e i l a n c e S t a t i o n ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 1 ， C
5、h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e r e g u l a r i mp a c t o f t e n s i l e t e s t r a t e o n y i e l d p e r f o r ma n c e d u r i n g t e n s i l e t e s t p r o c e s s wa s i n t r o d u c e d T h e r e g u l a t i o n t h e o r y c o n c e r n e d t o t e n s i l e t e s t r a t e i n a l l C
6、 h i n a S p r e v i o u s t e n s i l e t e s t s t a n d a r d s( G B T 2 2 8 )a l 1 t o o k s t r a i n r a t e a s t h e s t a n d a r d。b u t t h e e q u i v a l e n t s t r e s s r a t e wa s u s e d a s t h e s t a n d a r d i n a c t u a l o p e r a t i o n I n t h e n e w s t a n d a r d GB
7、 T 2 2 8 1 2 0 1 0 ，t h e me t h o d o f s t r a i n r a t e a s t h e s t a n d a r d wa s a c h i e v e d f r o m r e g u l a t i o n t h e o r y t o a c t u a l o p e r a t i o n Th e t e n s i l e t e s t r a t e c o n t r o l me t h o d ，a s we l l a s t h e r e l a t i o n s h i p o f r a t e
8、c o n t r o l wi t h t e s t e q u i p me n t we r e a l s o d i s c u s s e d Ke y wo r ds ：t e n s i l e t e s t s t a n d a r d ；t e n s i l e t e s t r a t e ；y i e l d p e r f o rm a n c e ；r a t e c o n t r o l 在金属材料的拉伸试验 中， 试验速率对屈服性 能的影响具有规律性 。我 国拉伸试验标准从 GB T 2 2 8 1 9 6 3 第一次制定至 GB T 2 2 8 2
9、 0 0 2 ， 共经历 了三次修订、 四个版本， 其中试验速率的控制在理论 规定上都是以应变速率为标准， 而在实际操作中又 都是以等效的应力速率为标准。2 0 1 1 年 1 2 月 1日 开始实施的 G B T 2 2 8 1 2 0 1 0 金属材料 拉伸试 验 第 1 部分： 室温试验方法 中， 则从理论规定到实 际操作均实现了以应变速率为标准的方法， 这是和 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 2 1 4 作者简介 ： 董 强( 1 9 7 7 一) ， 男 ， 工程师 ， 学士。 7 7 4 I S O标准的靠近。为了更好地贯彻宣传新标 准， 笔 者着重讨论 了试验速率对金属材料拉
10、伸性 能的影 响 ， 以及历次拉伸试验标准对试验速率的规定及变 化 ， 同时还讨论了试验速率的控制 以及速率控制与 试验设备的关系。 1 试验速率对拉伸性能的影响 试验速率在 G B T 2 2 8 2 0 0 2中用应力速率、 应变速率以及横梁分离速率来表示。 试验速率对金属材拉伸性能影响的规律是： 试 验速率增加， 强度性能指标( 如屈服强度和抗拉强度 等) 趋向升高， 延性性能指标( 如断后伸长率和断面 董 强等 ： GB T 2 2 8 1 2 0 1 O中的拉伸试验速率及其控制 收缩率等) 趋向降低， 但影响程度随试验材料的不同 而不同； 试验速率降低 ， 其影响规律则反之_ 1 。
11、拉伸 试验速率对所测试材料性能的影响始终存在， 在一 般拉伸试验所测试的屈服强度 、 抗拉强度以及断后 伸长率三大指标中， 试验速率对屈服强度的影响较 大 ， 对抗拉强度和断后伸长率的影响较小 ， 这一点在 AS T M E 8 M一2 0 0 6 金 属 材料 拉伸 试 验方 法 ( 公 制) 资料性附录中有专项说明。文献E l i 还对屈服 强度受试验速率的影 响状况进行了详细地介绍 ： 提 高屈服前的拉伸试验速率会使材料 的上 、 下屈服强 度提高； 在正常情况下具有单一平台下屈服强度的 材料 ， 若提高弹性应力速率 ， 可改变材料 的屈服状 态， 呈现出上、 下屈服特性 ； 若 弹性状
12、态的应力速率 非常低 ， 亦会使具有上 、 下屈服特性的材料呈现出无 明显屈服现象 ， 变不连续屈服为连续屈服状态 ； 如在 屈服阶段应变速率增大， 材料的下屈服强度会提高。 由于试验速率对金属材料拉伸性能的影响关系 复杂 ， 不同材料对试验速率的敏感程度各异 ， 因而即 使是同一材料试验速率对拉伸试验所测试各个性能 指标的影响也不 同。由于屈服性能对试验速率的敏 感性及影响程度均大于其他性能， 因此在以下 的论 述 中将重点讨论试验速率对屈服性能的影响。 通过试验可 以清楚地反映试验速率对所测试拉 伸性能影响的实际情况 。文献 2 6 提供 了可靠的 试验数据 ， 现将有关 内容摘录制成表
13、1 。 表 1 试验速率对拉伸性能影响的实例 Ta b 1 E x a mp l e s o f t e s t r a t e i mp a c t o n t e n s i l e p e r f o r ma n c e 材料 速率范围 影响的 MP a MP a。s _。 Re L R。 H R 2 R 4 1 6 mm螺纹钢筋 l_ 2 _2 1 4 5 4 9 1 3 9 一 一 A3 ( Q2 3 5 ) 钢 3 2 8 6 7 0 4 3 6 7 5 5 2 2 一 S P 2低碳 冷轧钢板 5 2 5 一 一 n Q1 9 5热轧带钢 5 5 5 O 1 4 1 8 一 Q
14、2 3 5 B 棒材 0 4 6 O 2 9 一 一 G Cr 1 5棒材 6 3 4 6 O 7 3 一 一 1 4 1 1 0 8 ( 波动) 变化不明显 注 ： 影响的性 能为最高速率与最低速率所测试结果 的差值 。 由表 1 可见 ， 屈服性能随试验速率 的增 大上升 的明显 ， 表现出较强的规律性。文献E 3 中的抗拉强 度随试验速率的变化也较大， 但规律性不强， 基本上 是在一定的范围内波动， 因此该结果只能当作试验 的记实， 暂无法进行技术分析。 首钢于 2 0 1 0 年在一支 2 5 m m 的 HR B 3 3 5 螺 纹钢筋上截取 1 5 段， 以 5 1 7 4 0 M
15、P a S 的应 力速率测试其下屈服强度 R ， 其结果为 4 0 7 4 2 2 MP a ， 高低试验速率的结果相差 1 5 MP a ， 并表 现出较明显的规律性。 文献 7 3 介绍了13 本在修订 J I S Z 2 2 4 1 1 9 8 0 金属材料 拉伸试 验方法 时所做 的试 验研究 ， 在 5 9 8 MP a S 应力速率范围内研究试验速率对 冷轧、 热轧钢板、 厚板、 高强钢及线材的屈服点( R ) 和偏 置 屈 服 强 度 ( R 。 )的影 响 ， 得 到 在 1 0 2 9 MP a S 应力速率范围内， 对上述屈服性能的 影响升高 1 0 2 0 MP a ，
16、而对铝 J J J , 于 1 0 MP a 。 GB T 2 2 8 -2 0 0 2附录 J中转载 了在修订 I S O 6 8 9 2 ： 1 9 9 8 ( 金属材料 室温拉伸试 验 时， 几种不 同 钢材在规定的应变速率范围影响 R 舢 的典型实例， 影响量从 0 1 6 8 不等。随着应变速率的增 加 ， R 的测定结果也相应升高 ， 大致呈线性关系 。 文献 7 3 比较全面地介绍了试验速率影响所测 试拉伸性能的试验资料， 既有钢材、 铝材在不同试验 速率下的应力一应变曲线， 又有不同试验速率对屈 服强度、 抗拉强度及断后伸长率的影响图示， 但遗憾 的是没有 国内的试验资料 。
17、由于不同材料的拉伸性能受试验速率 的影响程 度不 同， 因而 目前还不能用一个统一 的公式或数值 确定其影响关系。通用的方法是通过试验， 确定试 验速率对性能测定的不确度 ， 以便指导生产实际。 2 试验速率影响屈服性能的机理讨 论 有些资料认为， 拉伸试验进入屈服阶段后材料 开始塑性变形 。塑性变形程度与时间有关 ， 试验速 率高则材料的塑性变形进展就会不充分， 原因是开 动的滑移系统少且位错 滑移 困难 ， 于是材料强度升 高； 同时还认为试验速率增加时， 消除材料塑性变形 硬化的回复过程会受阻， 这也会使应力升高。但这 种解释比较粗糙， 有的观点也值得商榷， 比如说试验 速率高影响回复，
18、 冷变形材料的回复是需要温度和 时间的 ， 一个 1 0 mm 的标准拉 伸试样 拉 断约需 1 mi n ， 断 口温度也就几十摄 氏度 ， 在屈服阶段 上述 数值还要 小， 因此试验 速率对 材料 回复不 会产生 影响。 材料学有关试验速率对材料强度影响的解释既 简单又直观。材料学认为一切固体材料不同程度地 存在流变现象， 即具有粘弹性 8 。所谓粘弹性， 是 指材料不但具有弹性材料的一般特征， 同时还具有 粘性流体的一些特征。理想弹性固体服从虎克定 77 5 董 强等： GB T 2 2 8 1 2 0 1 O中的拉伸试验速率及其控制 律 ， 应力正比于应变 ； 理想粘性流体服从 牛顿定
19、律 ， 即应力正比于应变速率 。这是两种极端的情况 ， 实 际材料行为往往偏离这两个定律。在外力作用下， 材料的应力可以同时依赖于应变和应变速率 。金属 材料进入屈服阶段后， 便呈现出典型的粘弹性特征。 因此试验速率不同， 所测试得到材料 的强度数值也 就有所差别 。由于不同材料 的粘弹性性态不相 同， 因此即使是相同的试验速率， 也不可能得出相同比 例的强度变化。不同材料的试验速率对屈服强度的 影响， 只能依据试验测得的数值反映其对试验速率 的敏感程度 。 3 拉伸试验标准对试验速率的规定及变化 由于拉伸试验速率对材料 的性能测试有影 响， 因此拉伸试验方法标准对拉伸试验速率均有量化的 规定
20、。 3 1 我国以往拉伸试验标准对试验速率的规定和 变化 我国以往拉伸试验标准 G B T 2 2 8 对试验速率 的有关要求见表 2 。 表 2 我国历次拉伸试验标准有关试验速率的规定 Ta b 2 Re g u l a t i o n c o n c e r n e d t o t e s t r a t e i n a l l C h i n a S p r e v i o u s t e n s i l e t e s t s t a n d a r d s 标准号 上屈 服强度 R H 规定强度 尺p ， Rt ， R 下屈服强度 R L 抗拉强度 R 备注 0 0 8 Lo mi
21、n 1 0 过 4 L 屈 o m 服 i n - 后 1 萎 薹 GB T zz s一 。 e 。 。 r n n - 2 一 相 1 当 k g 。 f 。 I TI 1 T1 - 2 s - 相 1 当 k g 。 f m m 2 s - 。 薰 能 测 出 为 止 应 力 速 率 在 能 测 出 为 止 应 力 速 率 在 一 、 一， ： 。 。 。M Pa- 。 。 。 S 1 N ,g 述 o 象 。 o o 2 蠢 5 GB T 2 2 8 -1 9 8 7 M P S -1 M Pa 一 在不 影 响性 能 的 情况下 ， 生产检 验允 许在屈服前采 用 1 3 k g f1
22、T i m一 S 应 力 速 率 按 弹 性模量大于 1 5 0 0 0 0 MP a选取 ； 测 定 Re L ， 在 弹性 范 围 内不 得 超过 本 标准 三 萋 围 N G BT 228- 1987 注： 1 ) G B T 2 2 8 1 9 6 3 中有关试验速率的规定参考文献 1 O 摘录； 2 ) 表中上 ， o 为原始标距， L 平行长度。 由表 2可见， 6B T 2 2 8 1 9 6 3是 以应变速率 为准的， 但规定的较粗， 速率以原始标距为基准值也 不太合理。当时国外有对 屈服前载荷 的增加 ， 以每 分钟应力的增加不超过 6 0 7 0 k g f mm ( 相当
23、于 6 0 0 7 0 0 MP a) 的 规 定 ， 即 为1 1 1 2 k g f mm s ， 相 当 1 O MP aS 一。由于 用应变控制速率很不方便 ， 就用这一等效的应力速 率测试屈服性能。这也是G B T 2 2 8 1 9 7 6中关于 应力速率( 不超过 1 k g f m m s ) 规定的依据。 另 G B T 2 2 8 1 9 7 6中还有一个注解 ， 即在不影响 测试 性能 的情况 下， 生产 检 验 允许 采 用 1 3 k g f mm s ( 相 当于 1 0 3 0 MP aS ) 的 应力速率， 这个速率均在 G B T 2 2 8 1 9 8 7
24、和 G B T 2 2 8 -2 0 0 2的应力速率要求范围内。可以认为， 拉伸试验标准从 G B T 2 2 8 1 9 6 3 到 G B T 2 2 8 77 6 2 0 0 2 有关应力速率的规定只是范围上 的变化 ， 在试 验操作上并无本质的差异 。 6B T 2 2 8 1 9 8 7对试验速率 的规定有两个特 点 ， 第一点是上屈服强度 、 规定屈服强度 ( R。 ， R 或 R ) 的试验速率为弹性范围直至性能测出为止 ， 其应 力速率范围应符合标准要求 ， 这一规定很直观 ， 便于 操作 ； 第二点是在测试下屈服强度时， 在平行长度的 屈服区间应变速率在 0 0 0 0 2
25、 5 0 0 0 2 5 S ， 这也 是 GB T 2 2 8 -2 0 0 2中测试下屈服强度 的规定 。在 屈服阶段由于应力不增加， 甚至下降， 但试样变形还 在进行， 因此不可能用应力速率的控制模式测试屈 服性能。但是有相当数量的试验饥没有应变速率控 制功能， 所以G B T 2 2 8 1 9 8 7 和 G B T 2 2 8 2 0 0 2 又都有一个测试下屈服强度的规定， 即通过调整屈 服开始前的应力速率在标准要求范围内， 在屈服完 董 强等： GB T 2 2 8 1 2 0 1 O中的拉伸试验速率及其控制 成之前不再调节试验机的控制 。上述规定是基于英 国的试验 7 ， 该
26、试验是通过调节屈服即将开始前的 应力速率不超标准规定的最大应力速率 ， 即不超过 6 0 MP a S ， 且试验机 的控制直至屈服 阶段完成 之前不再改变 ， 以这样一种试样速率进入屈服阶段 ， 所引起的应变速率不超过 0 0 0 2 5 s 。这正符合 测试下屈服强度 的应变速率要求。虽然已有用应变 速率控制的试验机 ， 但需用引伸计或换算横梁位移 来控制应变， 不如应力速率控制方便， 因此生产检验 中均用应力速率控制模式来测试材料的屈服强度。 从表 2还可 以看到， 拉伸试验标准的各次版本 对抗拉强度的试验速率要求变化不大， 主要是以横 梁位移 控制 的应变 速 率模 式 ， 而且 0
27、0 0 8 S 与 0 5 L 。 mi n 的应变速率相 当。这从 实践的角度说 明了抗拉强度对试验速率的敏感性不大。 拉伸试验时， 不论施力大小， 反映试验快慢的基 础量值是试样应变的变化。因此， 应变速率是拉伸 试验速率 的本质 表示 方式 。G B T 2 2 8 1 9 8 7和 G B T 2 2 8 -2 0 0 2对应变 速率 都有规定 ， 但都 没能 得到实施。其主要原因是没有规定应变速率的具体 实施方法 ， 其根本原 因可能与我 国的标 准化政策有 关 ， 过分强调标准版本的等效性 。GB T 2 2 8 2 0 0 2 等效采用 I S O 6 8 9 2 ： 1 9 9
28、 8 ， 该标准对应变速率有规 定， 但没有实施 方法 ， 所 以 G B T 2 2 8 2 0 0 2也如 此。再者就是对标准包括试验设备的研究较少 ， 成 果不多， 标准中有技术含量的规定或内容， 基本上都 是引用国外的例证。 国际拉伸试验标准在 2 0 0 9 年再一次进行修订 并颁发， 即 I S O 6 8 9 2 1 ： 2 0 0 9 金属材料 拉伸试验 第 1 部分 ： 室温试验方法 ， 该标准对应变速率既有 规定 ， 又有实施方法 。我 国拉伸试验新标准 GB T 2 2 8 1 2 0 1 0也 完成 了修 订 ， 并 于 2 0 1 0年 1 2月 2 3日发布 ， 2
29、 0 1 1年 1 2月 1日实施。GB T 2 2 8 2 0 1 0的前言里使 用了“ 本部分修改采用 国际标准 I S O 6 8 9 2 1 ： 2 0 0 9 ( 英文版) ” 的文 字说 明， 这可能是 我国标准化政策 的一大变化。 3 2 G B T 2 2 8 1 2 O 1 O有关试验速率的规定 G B T 2 2 8 1 -2 0 1 0提出了两种试验速率 的控 制方法： 方法 A和方法 B 。其中， 方法 B与 G B T 2 2 8 -2 0 0 2 中的试验速率控制方法基本相同； 方法 A即是 I S O 6 8 9 2 1 ： 2 0 0 9中的应变速率控制方法，
30、也是以前拉伸试验标准未明确规定的试验速率控制 方法， 以下重点讨论。 方法 A提 出了两种不同类型 的应变速率控制 模式。第一种是基于引伸计的反馈模式得到应变速 率， 这种模式应用于均匀变形材料或处于均匀变形 性能的应变速率 的控制。这种控制速率的模式 ， 可 以消除试验机柔度对速率 的影响， 也是最本质的控 制拉伸试验速率的模式 。第二种是根据平行长度估 算 的应变速率， 即通过控制平行长度 与需要的应 变 速率相乘得到的横梁分离速率来实现 ， 主要是针对 不连续屈服材料或不均匀变形性能的应变速率的控 制。这种情况是不可能用装夹在试样上的引伸计来 控制应变速率的， 因为局部 的塑性变形可能发
31、生在 引伸计标记以外 。如果有一种引伸计 ， 其标距可随 试样平行长度和试验机 的夹 口自由变化 ， 用这类 引 伸计控制拉伸应变速率最好 ， 但这种引伸计 目前 还 没有 。对于暂不能用引伸计控制应变速率的拉伸试 验 ， 可 以用第二种模式替代第一种模式 。 用横梁分离速率 控制试样的应变速率是一 种粗糙的方法 ： Vc= = = L e I ( 1 ) 式中L 试样平行长度 ； e k 设定的平行长度的应变速率， 也是标 准中规定的并希望在试样上达到的应 变速率 。 但在拉伸试验过程 中， e 与实际试样上的应变 速率并不一致_ 1 ， 特别是在弹性变形初期， 实际应 变速率 比 e k
32、低得多， GB T 2 2 8 1 2 0 1 0也明确指 出这一现象 ， 这是 由于试验机的柔度造成的， 目前所 有试验机都会 出现这种现象 。随着力值 的增加 ， 实 际应变速率逐渐增大 ， 弹性变形阶段后期增加很快 ， 当进入不连续屈服材料 的屈服阶段 ， 实际应变速率 反而大于 e 当材料进入均匀变形阶段 ， 实际应变 速率与设定的 e k比较接近 ， 文献- 1 1 通过试验清晰 地反映出上述变化 ， 如图 1 所示 ， 图中虚线为为横梁 分离速率而设定的应变速率 e k。 横梁分离速率所依 据的应变速率 e L c 与实 际拉 伸试样的应变速率有一定的差异 ， 但 目前还没有更 适
33、宜的方法替代横梁分离速率的控制模式。G B T 2 2 8 1 -2 0 1 0中明确指出， 在平行长度范围利用恒 定的横梁分离速率并根据V 一L e 计算而得到 的应变速率具有足够的准确度 。 77 7 董 强等： G B T 2 2 8 1 2 O l O中的拉伸试验速率及其控制 倍。如果屈服性能测试完成后急速提高横梁分离速 率， 则应力 一应变 曲线可能会 出现异常 ， 如 图 2所 示。正常情况下曲线的A， B段应由图中虚线相连， 但由于试验速率的突变， 在 c处形成凸起， 凸起的 最高点可 能被 误判 为抗 拉 强度 。GB T 2 2 8 1 2 0 1 0 指出， 进行应变速率控
34、制模式转换时， 不应在 应力一应变 曲线上引入不连续性 ， 而歪曲抗拉强度 R m 、 最大力非比例伸长率 A 和最大力总伸长率 A G B T 2 2 8 1 -2 0 1 0中的图1 0 清晰地反映了这 种现象。这种不连续效应可以通过降低转换速率来 减轻。在保证应力一应变 曲线连续性 的前提下 ， 过 屈服阶段以后 ， 一般在屈服性能到抗拉强度过程 中 间之前将试验速率提高到所设定的数值， 并在以后 予 以保持 ， 直至试验完毕。要实现这一过程 ， 可用位 移量或时间作为转换条件， 分段逐渐升高试验速率。 具体实施办法可根据试验机软件的规定进行。但有 些钢种屈强 比在 0 9以上， 断后伸
35、长率较低， 如 6 0 S i 2 Mn 这类弹簧钢， 断后伸长率在 8 1 0 ； 航天 用 的 1 8 Ni钢 ， 平 均 RD 0 2 1 7 5 0 MP a ， R 1 8 0 0 MP a ， 而断后伸长率也就在 4 6 ， 这类材 料过屈服阶段后很快就会断裂， 因而横梁分离速率 设定的不宜过高 ， 升速也不宜过快 。 图2 试验速率突变形成的拉伸曲线不连续性 Fi g 2 Di s c o n t i n u i t y o f t e n s i l e c u r v e f o r me d d u r i n g mu t a t i o n r a t e 对于金属制品
36、用 的线材 ， 一般 只需测定抗拉强 度和断面收缩率 ， 此种情况可用横梁分离速率控制 模式， 按照标准规定 的某一试验速率 ， 完成整个拉伸 试验过程 。 ( 2 ) 试样平行长度与横梁分离速率的关系 由于横梁分离速率等于试样平行长度乘以所估 算的( 设定) 应变速率， 因此测量试样平行长度的精 确度对横梁分离速率有直接的影响。一般在加工拉 伸试样时只是保证试样平行长度的最小尺寸， 并不 测量其具体数值。当应用横梁分离速率控制试验速 率时 ， 就必须有试样平行长度的准确值。如果这项 工作由试验人员来测量， 必然会影响到工作效率而 且也不易测准。因而最好能在试样制备完成后提供 试样平行长度的具
37、体数值。 对于机加工圆形标准拉伸试样 ， 由于这类试样 的直径已经标准化， 在一个生产单位基本上是一种 直径的试样， 机加工可制备出统一的平行长度的试 样 ， 并保证其偏差在1 之内， 这一要求不会增加 制样工序 的难度。 对于机加工矩形带肩试样 ， 由于矩形试样基本 上都要求保留板带材的原始厚度， 试样的厚度不同， 其原始标距和平行长度均不同， 但一个生产单位的 板带材厚度一般会有一个范围， 因而可按厚度分成 2 3 组， 每组统一试样的平行长度， 并在制样工序 中予以保证 。 对于各部分横截面尺寸相同的试样， 其平行长 度是试验夹持试样 时两个钳 口的距离 ， 这个距离可 以测量 。如果试
38、验机可动横梁位置固定 ( 可用活动 横梁标尺注明) ， 两钳口 距离也就是一个固定值。为 了工作方便也可对试样进行分组， 每组试样对应一 种可动横梁位置， 则这组试样就有一个统一的平行 长度。 4 2 2测试屈 服 性能 的速 率控 制 G B T 2 2 8 1 2 0 1 0对材料屈服性能的测试给 出了应变速率和应力速率两种速率控制方法， 在实 际工作中应根据材料 的特点以及所测试的性能选择 合适的速率控制方法。 ( 1 )测试规定强度的应变速率控制 测定规定强度 ( R。 ， R 或 R ) 都需要在试样 上 安装引伸计， 用引伸计的应变信号按要求控制拉伸 应变速率， 直至性能测试完毕。
39、凡是需用引伸计测 试的性能项 目， 均可用该模式控制应变速率 。用引 伸计控制试验速率 ， 可以消除试验机柔度的影响， 试 验速率控制的准确性较高。 ( 2 )测试屈服强度的应力速率控制 GB T 2 2 8 1 2 0 1 0指出， 用应变速率控制方 法测试上屈服强度需要在试样上安装引伸计 ， 如果 材料处于不连续屈服状态 ， 测试下屈服点又不能用 安装在试样上的引伸计来控制应变速率， 原因是局 部的屈服可能出现在引伸计的标距之外， 引伸计得 不到这部分的应变信息。这就需要用横梁分离速率 模式控制应变速率， 但由于试验机柔度的影响， 试样 上的实际应变速度与设定的应变速率之间会存在 7 7
40、9 董 强等： GB T 2 2 8 1 -2 0 1 0中的拉伸试验速率及其控制 明显的差异。因此， 此种情况下采用应变速率控 制方法来 测 试 材料 的屈服 强度 既 不方 便 也不 很 准确 。 GB T 2 2 8 1 -2 0 1 0 还 给出了用应力速率控制 来测试屈服强度的方法。应力速率是间接控制拉伸 试样应变速率的方法 ， 但从控制原理和试验结果上 均能完全满足对应变速率的要求。 具有屈服现象的材料， 在其拉伸曲线上都有明 显的弹性直线段 。在此区间可认为应力 d r 与应变 之间符合虎克定律 一E s ， 对其求导得 一Ee L c ， 即应力速率 k 与应变速率 Ee k
41、之问也呈比例关 系， 控制了应力速率就等于控制了应变速率， 反之亦 然。拉伸试验时在弹性极限到上屈服强度之间会发 生微观的塑性变形 ， 应力与应变之问在理论上偏离 了虎克定律 ， 在这个 阶段 内用较精密的仪器可测出 不大的应变量 ， 但拉伸试样 在此 阶段并未 出现塑性 变形 的标志性现象 吕德斯带 。因此仍可用应力 速率按虎克定律的型式表述应变速率。基于此 GB T 2 2 8 1 2 0 1 0指出， 测试上屈服强度时 ， 在弹 性范围和直至上屈服强度 ， 只需要选取规定 的应力 速率即符合拉伸试验速率要求。 在拉伸过程的屈服阶段应力不增加 ， 有 时还会 下降， 在表观上应力速率已不能
42、反映试验速率的要 求了。但试样仍在变形 ， 在什么条件下 ， 这种变形是 多少， 这就是文献E T 中所述的英国试验研究结果： 只要屈服开始前的应力速率不超过标准规定的最大 速率进入屈服阶段 ， 且试验机的控制在此阶段不再 改变 ， 试验的应变速率就不会超过 0 0 0 2 5 S _ 1 。这 一 研究结果给出了在一定条件下采用应力速率控制 方法测试下屈服强度时与应变速率的关系， 也是 GB T 2 2 8 1 2 0 1 0中规定 的应力速率控制方法测 试下屈服强度的依据。通过应力速率控制方法i贝 0 试 材料的屈服强度操作简单 ， 并积累了大量 的试验数 据， 在实践上能够满足工程中对性
43、能测试的要求。 5 速率控制与试验设备的关系 试验机行业和试验人员往往依据拉伸试验时， 施力系统的操作形式和试验状况的显示及数据处理 情况， 把万能材料试验机分为三类。第一类为全 自 动试验设备， 引伸计可自动装卡或人工捆绑； 第二类 为半自动试验设备， 引伸计全部为人工装卡； 第三类 为手动试验设备。这种分类很粗糙， 也不专业。不 同类型的试验设备， 其试验速率的控制也不相同。 7 8 0 5 1 全自动拉伸试验设备的速率控制 全 自动拉伸试验设备的主要特点是所设定 的速 率与施力系统形成闭环控制 。根据事先设定的试验 速率方法或模式及具体 的数值 和速率转换点 ， 编制 试验速率方案并输入
44、计算机 中， 试验时人工不再对 试验机的运行予以操作。使用这类试验机， 需要读 懂其说 明书， 并对试验材料的特性有深刻的理解 ， 才 能编制出符合实际特点 的试验方案， 并在实践 中不 断地修正完善 。试验设备的供货商也能编制出一些 通用 的试验速率方案 ， 但是用户应予以验证 。 5 2 半 自动拉伸试验设备的速率控制 这类试验设备的速率控制与施力系统没有形成 闭环 ， 在拉伸试验过程 中， 必须由试验员人工操作施 力系统以满足所设定的试验速率要求 。这种类型 的 试验设备 ， 在试验条件和过程 的显示 以及数据 的处 理系统与 自 动拉伸试验设备相似， 只是手动施力。 半自动拉伸试验设备
45、的速率控制易受人为因素 的干扰 ， 操作者应有一定 的经验。但试样品种较单 一 的试验室或对材料特性掌握得不太准确时用此类 设备较为方便。试验人员也可以用时间一应力曲线 或时间一位移 曲线检查试验速率状况。 5 3 手动拉伸试验设备的速率控制 人工手动操作的拉力试验机 ， 在 2 0 。 世纪 9 0年 代初期还是主要的拉伸试验设备， 现在处于存量使 用状态。这类试验机仅有模拟力值显示装置， 施力 和数据处理都要由人工进行 ， 试验速率均 由应力速 率换算的力值速率控制。力值速率的控制为拉伸全 过程或区间段所用 的时间 ， 但时间的掌握全凭试 验 人员的感 觉 和 经 验。这 种 时 间控 制
46、 方 法 在美 标 AS TM E 8 M一2 0 0 6和 E t 标 J I S Z 2 2 4 1 1 9 9 8的拉 伸试验方法中仍作为控制应力速率的方法之一 。经 验较丰富的试验人员使用该类设备仍可满足试验速 率的控制要求 。 手动试验机控制试验速率不宜过高， 以中下限 为宜 ， 该类试验机在测试规定强度时不方便 ， 须配置 专门的设施， 操作也比较麻烦。手动试验机在存量 使用中， 目 前一般用于比较典型的具有明显屈服阶 段的材料的拉伸性能测试。 6 试验速率的文件化 G B T 2 2 8 1 2 0 1 O 对试验速率控制提供了两 种方法， 方法 A中又有两种模式， 在不同的方法
47、或 模式中， 试验速率的控制又分为弹性阶段、 屈服阶段 董 强等： G B T 2 2 8 1 2 0 l O中的拉伸试验速率及其控制 和均匀变形三个阶段 ， 在均匀变形阶段又可分为几 个小的速率变化区段， 如不计具体的速率选择， 大约 有十多种试验速率的变化方式。如果由试验人员 自 由选择试验速率必然会造成混乱 。这就需要试验速 率的文件化管理。以前的拉伸试验标准对试验速率 规定的比较具体， 虽然便于管理， 但不便于拉伸试验 技术的发展和提高 ， 试验速率的文件化管理在 G B T 2 2 8 1 2 0 1 0中已有规定 ， 在执行标准过程中应 予 以遵守。 在制定文件化试验速率的规定 中， 要注意对具 体试验速率的选择 。一般的习惯是尽量选择高的试 验速率 ， 以便于提高工作效率 ， 但这是通用原则 ， 在 拉伸试验过程中从开始施力拉伸至断裂， 在大生产 中标准的 1 0 m m试样约需 1 m i n ， 屈服前的时间基 本 占 1 3 ； 截 面 尺 寸 为 3 5 mm2 5 mm 的板 状 Q3 4 5 钢试样约需 2 3 rai n ， 屈服前时间接近 2 3 ； 在 生产检验试 验室平均拉伸一个试样 约需 2 ra