一種采用拉伸試驗機自動測量厚度減薄率的測試方法與流程
本發明涉及金屬材料力學性能測試技術領域，尤其涉及一種采用拉伸試驗機自動測量厚度減薄率的測試方法。
背景技術：
目前拉伸試驗相關的標準中，無論國家標準GB/T 228.1-2010，還是國外標準都沒有規定減薄率這一檢測項目或指標。實際上減薄率無論是對于薄壁管材和薄板材的成形加工領域，還是厚壁管材和厚板材的斷裂失效分析來說都是非常重要的，如厚度減薄率、厚度梯度等參數在工程上可作為材料制造過程中設計控制依據、結構失效分析的判據，在理論上也可以作為預測材料成形極限及斷裂的判據。
另外在金屬薄板帶成形加工領域有一個表征材料抵抗厚度減薄能力的參數:塑性應變比(r值)，但是該參數表征材料抵抗減薄能力不直接，也不形象，絕大部分金屬薄板帶成形數值模擬的結果仍然以厚度減薄率來描敘材料的成形性能高低、成形工藝優劣和成形質量好壞。如果在拉伸試驗或r值測試時順帶提供一個直接形象的厚度減薄率，則給金屬薄板帶成形加工領域多一個選擇也是有意義的。因此拉伸試樣厚度減薄率的測試非常有必要。
文獻《板材拉伸破裂厚度分布及成形極限預測》中提出方法一：將拉伸試驗斷后試樣分切制成鑲塊，在顯微硬度儀上測試了試樣中心線厚度隨離斷口距離遠近的變化規律，并求得了厚度梯度。另外，文獻《金屬板材拉伸厚度減薄率的測試研究》中提出了方法二：在拉伸試驗斷后試樣上做中心線標記，并標記距離斷口不同間隔的測量點，采用尖頭千分尺測量各標記點的厚度，除以原始厚度，得到厚度減薄率的測試方法。這兩種方法均為手動測量方法，方法一制樣過程復雜，測試效率低；方法二測試過程簡單，操作便捷，但是手動測點太多，后期數據處理也較為繁瑣，而且人工測量誤差較大，影響測試精度。
金屬板材拉伸厚度減薄率測試難點在于：1)目前力學測試各項國家或國際標準中還沒有現成的關于厚度減薄率的測試方法記錄；2)現有文獻中關于金相鑲樣在顯微鏡下測試厚度減薄率的方法，制樣過程復雜，測試效率低下，不適于大規模生產檢驗，僅適用于實驗室研究；3)現有文獻中關于尖頭千分尺測試厚度減薄率的方法測試過程簡單，操作便捷，但是手動測點太多，后期數據處理也較為繁瑣，而且人工測量誤差較大，影響測試精度。
本發明專利提出了一種采用帶縱向和橫向引伸計的拉伸試驗機自動測量厚度減薄率的測試方法。該方法簡單易行，測試快捷，拉伸試驗結束后即可根據計算公式直接求得厚度減薄率，并繪制均勻變形階段的厚度減薄率實時變化曲線，可在今后的力學測試中推廣采用。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中的缺陷，提供一種采用拉伸試驗機自動測量厚度減薄率的測試方法。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種采用拉伸試驗機自動測量厚度減薄率的測試方法，所述拉伸試驗機為帶縱向和橫向引伸計的拉伸試驗機，包括以下步驟：
1)測試試樣原始初始厚度a0、初始寬度b0和初始長度L0；
2)將被測試樣裝持到帶縱向和橫向引伸計的拉伸試驗機上，通過縱、橫向引伸計分別跟蹤記錄拉伸試驗全過程中測試試樣長度方向和寬度方向的瞬時尺寸L和b；根據以下公式，分別求得實時的縱向應變eL和橫向應變eb：
3)根據以下公式計算拉伸試樣瞬時厚度減薄率：
式中：a為瞬時厚度，η為瞬時厚度減薄率；
其中，瞬時厚度a通過以下公式計算：
a0b0L0＝abL(4)
則，
4)設最大力總延伸率為Agt，最大力塑性延伸率為Ag，將Ag、Agt對應的厚度減薄率分別定義為最大力下塑性減薄率ηg、最大力下總減薄率ηgt；
將最大力時對應的縱向應變eLt和橫向應變ebt帶入公式(5)計算得到最大力下總減薄率ηgt：
即
最大力下塑性減薄率采用以下公式計算：
其中，
其中：Fm為最大力；ν為泊松比；mE為拉伸應力應變曲線彈性部分的斜率；S0為原始橫截面積，S0＝a0b0；eLp為縱向應變塑性分量；ebp為橫向應變塑性分量；
5)試驗斷裂后最小厚度處減薄率定義為斷后減薄率ηu，通過尖頭千分尺測試斷后試樣頸縮區域最小厚度au，依據公式(10)計算斷后減薄率ηu；
本發明產生的有益效果是：
1)本發明專利通過拉伸試驗機縱向和橫向引伸計測量應變的方法直接在拉伸試驗時得到了厚度減薄率，相比手動在斷后試樣上逐點測量的方法，更加方便快捷，適用于大批量檢驗；
2)本發明專利除提供瞬時減薄率η和斷后減薄率ηu的測量外，還創新性的提出了最大力下塑性減薄率ηg、最大力下總減薄率ηgt，對應材料在成形過程中發生失穩變形時的減薄率特征值，能更好的指導材料成形設計；
3)本發明專利構建了拉伸瞬時減薄率及特定階段減薄率的計算公式，為快速自動測量板材厚度減薄率提供了理論基礎。
附圖說明
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
圖1是本發明實施例的縱向和橫向引伸計結構示意圖；
圖2是本發明實施例的斷后減薄率測量位置示意圖；
圖3是本發明實施例的厚度減薄率隨縱向應變變化曲線圖；
圖4是本發明實施例的厚度減薄率隨橫向應變變化曲線圖；
圖5是本發明實施例的應力-縱向應變曲線；
圖6是本發明實施例的某銅合金厚度減薄率隨縱向應變變化曲線圖；
圖7是本發明實施例的某銅合金厚度減薄率隨橫向應變變化曲線圖；
圖8是本發明實施例的某銅合金應力-縱向應變曲線；
圖9是本發明實施例的厚度減薄率隨離斷口距離變化曲線。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
本發明專利涉及金屬板材拉伸厚度減薄率自動測量方法，需借助配備有縱向和橫向雙引伸計的板材拉伸試驗機來實現，適用于金屬板材、管材厚度減薄率的測定或與拉伸試驗原理相似的脹形等試驗的金屬管材厚度減薄率的測定。
具體實施過程說明如下：
1)測試被測板材試樣的初始厚度a0、初始寬度b0和初始長度L0。
2)將試樣裝配到板材拉伸試驗機上，調整縱向、橫向引伸計標記，并使之與試樣縱向、橫向平面接觸，如圖1所示。設置引伸計全程跟蹤試驗過程縱向和橫向變形，開啟拉伸試驗程序，記錄測試全過程載荷、縱向引伸計位移量L、橫向引伸計位移量b的原始數據，根據公式計算縱向應變eL和橫向應變eb；
3)根據以下公式計算拉伸試樣瞬時厚度減薄率：
式中：a為瞬時厚度，η為瞬時厚度減薄率。
在實際測量中，由于厚度的變化量很小，不易精確測量，因此通過假定體積不變，可以將試樣厚度方向的變形換算成長度方向和寬度方向的變形來測量。根據體積不變假設，在試樣拉伸發生頸縮之前的彈性階段和均勻塑性變形階段都存在下式：
a0b0L0＝abL (4)
式中：b0-初始寬度；L0-初始長度；b-減薄后寬度；L-減薄后長度。
緊縮發生前拉伸過程中試樣各處瞬時厚度減薄率變化一致，滿足以下關系式：
根據長度方向和寬度方向的工程應變計算公式：
從而有
將式(8)和式(9)代入式(5)，即可求得：
將縱向應變eL和橫向應變eb代入公式(10)計算實時的厚度減薄率η。依據實時縱向應變eL、橫向應變eb、厚度減薄率η，可以繪制厚度減薄率隨縱向應變和橫向應變變化曲線，如圖3和圖4所示。
4)如圖5所示，繪制應力-縱向應變曲線，根據彈性階段應力-應變線性關系，測量彈性階段斜率mE。計算應力-縱向應變曲線上最大應力Rm對應的最大力Fm，依據公式(11)和(12)計算最大力下縱向應變和橫向應變的塑性分量，然后代入公式(13)計算最大力下塑性減薄率ηg。將最大力總延伸率Agt下對應的縱向應變和橫向應變，代入公式(10)可以計算最大力下總減薄率ηgt。
其中：Fm為最大力；ν為泊松比；mE為拉伸應力應變曲線彈性部分的斜率；S0為原始橫截面積，S0＝a0b0；eLp為縱向應變塑性分量；ebp為橫向應變塑性分量。
5)如圖2所示，將斷后試樣拼接起來，測試斷口中心線附近多處厚度，選取最小厚度值代入公式(14)計算斷后減薄率ηu。由于試樣斷裂部位不一定是頸縮最嚴重的地方，需要如圖2所示，在例如A、B、C這些斷口附近區域尋找厚度最小點。
au為通過尖頭千分尺測試斷后試樣頸縮區域最小厚度。
實施例1：
1)測試對象為某銅合金，初始厚度a0＝5.00mm、初始寬度b0＝19.98mm和初始長度L0＝50mm。
2)采用帶縱向和橫向雙引伸計的板材拉伸試驗機開展拉伸試驗，記錄測試全過程載荷、縱向引伸計位移量、橫向引伸計位移量原始數據，根據公式(1)和(2)計算縱向應變eL和橫向應變eb。
3)將縱向應變eL和橫向應變eb代入公式(10)計算實時的厚度減薄率η。依據實時縱向應變eL、橫向應變eb、厚度減薄率η，可以繪制厚度減薄率隨縱向應變和橫向應變變化曲線，如圖6和圖7所示。
4)繪制應力-縱向應變曲線，如圖8所示，根據彈性階段應力-應變線性關系，測量彈性階段斜率mE＝54709MPa。計算應力-縱向應變曲線上最大應力Rm＝213.82MPa對應的最大力Fm＝21.34kN，泊松比ν＝0.3，最大力下依據公式(11)和(12)計算最大力下縱向應變的塑性分量eLp＝0.265和橫向應變的塑性分量ebp＝0.106，然后代入公式(13)計算最大力下塑性減薄率ηg＝0.116，即11.6％。最大力總延伸率Agt下縱向應變eL＝0.269和橫向應變eb＝0.105，代入公式(10)可以計算最大力下總減薄率ηgt＝0.120，即12.0％。
5)為驗證該自動測量方法結果的可信度，采用文獻《金屬板材拉伸厚度減薄率的測試研究》中提出的手動測量方法，測試了該銅合金試樣斷后試樣中心線厚度，并計算了厚度減薄率如表1所示。根據表1測試結果繪制厚度減薄率隨離斷口距離變化曲線如圖9所示。兩擬合直線交點為失穩減薄率，即自動測量方法中定義的最大力下塑性減薄率ηg，手動測量值為11.49％，與自動測量值11.60％僅偏差0.95％，誤差極小，說明自動測量結果是可靠的。
表1 手動測量某銅合金厚度減薄率
6)斷后減薄率ηu的測量采用手動測量方法，測試結果如表1中離斷口附近最近幾點中出現的厚度減薄率最大值，即80.80％。
應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。
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