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嘉峪檢測網 2024-12-12 15:38
加工硬化性能是評價金屬材料強度與塑性的重要試驗指標，可反映材料通過進一步變形來抵抗外載的能力。一般來說，加工硬化指數n值越大，材料的均勻變形能力越強，金屬薄板材料的成形性越好，因此n值已成為評價深沖專用薄板等材料成形性的重要指標之一。目前，各類標準體系所引用的加工硬化性能評價方法均局限于薄板與薄帶的拉伸硬化指數，包括GB/T 5028—2008《金屬材料 薄板和薄帶 拉伸應變硬化指數（n值）的測定》、ISO 10275：2020《金屬材料-板材和帶材-拉伸應變硬化指數的測定》與ASTM E646-16《金屬薄板材拉伸應變硬化指數（n值）的標準試驗方法》等。而T/CSTM 00514—2022《金屬材料 拉伸應變硬化性能的測定》團體標準則有效突破了n值測定的局限性，實現了在金屬材料拉伸均勻變形過程中，對其強度和塑性制約規律開展定量與全域化的指標表征。
1 、現行標準存在的問題
1.1 結構鋼圓形試樣與3mm厚度以上厚板試樣的n值測定
隨著先進冶金技術如TMCP（控軋控冷）以及熱處理工藝的成熟應用，n值已不再僅限于薄板和薄帶冷成型領域。針對各類組織強化機制所主導的金屬材料，n值可以定量表征其優異的宏觀強度和塑性，如厚板結構鋼領域常見的細晶強化、析出強化、固溶強化與復相強化等。顯然，厚板材料的試樣形狀、變形特征等與薄板存在差異，這導致了n值的力學內涵與當前標準體系內的薄板成形指標存在一定歧義。
1.2 拉伸瞬時應變硬化指數的測定
現行GB、ISO、ASTM標準體系內所評測的加工硬化指數均是在假定金屬薄板符合Hollomon關系的前提下計算規定應變范圍內的“區間回歸”n值，即真應力-真應變在雙對數坐標下的線性回歸斜率。
然而，隨著各類強化機制所主導的先進高強鋼板，如DP、TRIP、TWIP鋼，特別是經濟型第三代汽車板QP鋼的廣泛應用，Hollomon關系已不足以準確表征先進高強鋼的強度和塑性關系。與此同時，通過拉伸試驗評價材料的加工硬化性能已成為揭示材料內在微觀組織機制的有效宏觀手段，如拉伸應變硬化與相變增塑、殘余奧氏體分數相關性等。因此，為了定量表征先進高強鋼板特有的強化機制，國際鋼協汽車輕量化組織在《先進高強鋼板應用指南》中已明確要求，除傳統n值外，還需評測屈服后均勻變形初始時刻的瞬時n值，如n5，即5%應變時刻的瞬時n值，以及n值隨應變變化的關系曲線。在我國鋼鐵冶金行業，已有學者報道過基于拉伸應力-應變曲線，用差分法計算瞬時n值的方法。
1.3 拉伸應變硬化率的測定
在重點新材料研發品種中，對于深海輸油輸氣管線領域中的大變形管線鋼產品、連續型油管產品、高技術船舶用鋼領域中的高塑性耐撞型海工用鋼等，由于產品在具備高強度的同時還要求保持良好的塑性，因此加工硬化性能已成為指導材料研發應用的重要依據。對于厚板圓形拉伸試樣，目前尚無可引用的硬化性能評價方法。此外，除應變硬化指數、瞬時n值外，應變硬化率，即實測真應力與真應變的一階導函數，也是評價材料加工硬化行為的常用指標，可用于指示微觀組織特征。
2 、T/CSTM 00514—2022方法原理及其技術要求
2.1 方法原理
T/CSTM 00514—2022標準由“中關村材料試驗技術聯盟”于2022年2月24日發布，2022年5月24日實施，歸口于中國材料與試驗團體標準委員會，鋼鐵材料領域委員會（CSTM/FC01），主體部分與現行國家標準GB/T 5028—2008保持一致，而將現行國標7.8條款中“計算和繪制瞬時應變硬化率-應變關系曲線也是有意義的”擴充為該CSTM標準，并有如下新增的技術內容。
（1）對于圓形與厚板試樣，論證采用現有區間回歸n值的測定方法。
（2）對于瞬時n值，假定在一微小應變區間內，真應力與真應變滿足式（1）所示的關系。
對式（1）進行微分等價變換，并變微分為差分，結果如式（2）所示。
真應力-真應變曲線的光滑連續性對式（2）的差分結果影響較大。一般情況下，由于曲線的毛刺與抖動，相鄰兩點間的斜率差分值波動較大。此時可采用類似“數值平滑算法”進行光滑處理，建議優先采用T/CSTM 00514—2022 附錄A中介紹的“變帶寬移動回歸算法”。
對于拉伸應變硬化率，即定義應變硬化率m，如式（3）所示。
任意應變時刻m即為真應力對真應變的導數，數學上可采用式（2）的差分外加數值平滑處理，得到拉伸應變硬化率隨應變的演化關系曲線。
在具體拉伸試驗過程中，由試驗機獲得拉伸工程應力-工程應變曲線，應根據評測拉伸應變硬化性能的實際需求預先確定均勻塑性變形的范圍，再參與后續計算。當按照T/CSTM 00514—2022測定整個拉伸均勻變形過程中的瞬時拉伸應變硬化性能時，應設定均勻塑性應變范圍，包含由屈服后拉伸曲線單調遞增的起始時刻直至最大力時刻。按照 式（2）與式（3），并采用附錄A對差分計算后的瞬時n值與m值振蕩曲線進行數值平滑處理，最終獲得可靠的瞬時拉伸應變硬化性能曲線，以及設定應變時刻的應變硬化指數（ni）與瞬時硬化率（mi）。與 GB/T 5028—2008 標準中方法A與方法B類似，如試驗相關方協商一致，可采用不扣除彈性應變的真實應變參與計算。
2.2 技術要求
有關試驗設備的要求，T/CSTM 00514—2022的規定優于GB/T 5028—2008標準。具體如下所示。
（1）拉伸試驗機應滿足GB/T 16825.1—2022《金屬材料 靜力單軸試驗機的檢驗與校準 第1部分：拉力和（或）壓力試驗機 測力系統的檢驗與校準》中的1級或優于1級的要求，采樣頻率不低于50Hz，試樣的夾持方式應符合GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的規定。
（2）試驗機應配備能夠測量標距變化的引伸計，引伸計的量程應能滿足試樣最大變形時的測量需求。引伸計應滿足GB/T 12160—2019《金屬材料 單軸試驗用引伸計系統的標定》標準中的1級或優于1級的要求。目前，國內外測量n值的拉伸試驗機均配置了等于或優于1級的自動引伸計，可跟蹤至試樣斷裂。滿足這一條的試驗機可有效跟蹤標距變形，準確測量屈服后至最大力時刻整個過程的應變，確保了瞬時n值與拉伸應變硬化率m的準確測量。
（3）采用尺寸測量裝置測量矩形截面試樣平行長度部分的厚度和寬度，或圓形截面試樣平行長度部分的直徑，尺寸測量裝置的分辨力應符合GB/T 228.1—2021的規定。這一條具體針對厚規格板狀試樣與圓形截面試樣的規定，并與GB/T 228.1—2021標準中不同類型試樣原始尺寸測量以及GB/T 5028—2008標準中薄板與薄帶原始尺寸測量要求一致。
有關試樣的要求在GB/T 5028—2008標準中僅針對薄板與薄帶材的基礎上，增加“除非另有規定，板狀試樣厚度應是產品的原始厚度。其他類型的試樣宜匹配拉伸試驗機的載荷能力”，進一步推廣了拉伸應變硬化性能的應用領域，原則上能夠測試拉伸應力-應變曲線的試驗機都能應用T/CSTM 00514—2022 標準。
有關試驗程序的要求與GB/T 5028—2008要求保持一致，由于瞬時n值及m是GB/T 5028—2008區間回歸n值的差分化結果，因此3個結果可同步測量，分步解析。如測定瞬時n值與m時，建議在拉伸應力-應變曲線上首先界定需要分析的均勻塑性變形范圍，然后根據前述章節進行相應的結果評價。
3 、標準應用的實際案例
3.1 拉伸試驗測定厚板試樣與圓棒試樣的n值
標準起草單位根據下游產品規范，已多年利用拉伸試驗機開展厚板材料的加工硬化指數測定。綜合國內用戶單位反映，n值所反映的拉伸應變硬化性能已不再是金屬薄板與薄帶的專有指標，各類3mm厚度以上熱軋板甚至數十毫米厚度的寬厚板產品均已要求提供n值，以確認其大變形條件下的強塑性能，如表1與表2所示（表中Rp0.2為拉伸屈服強度，Rm為抗拉強度，Ag為最大力塑性延伸率，A50為斷后伸長率）。在報告中，板狀試樣的厚度達11mm，圓形試樣直徑為8.7mm，而在這種試樣條件下，現有標準體系僅有GB/T 5028—2008供選擇，因此這也反映了該團體標準具有較為廣闊的應用前景。
3.2 測定瞬時n值的驗證試驗
由于相變增塑、復相強化等過程性強化機制被大量應用于高強鋼板的設計中，為了準確表征這些強化動力學過程，國際鋼協《先進高強度鋼應用指南》特別強調了需具備在拉伸均勻變形階段準確測定瞬時n值的能力，即評測n值與應變的演化曲線。
為確認T/CSTM 00514—2022標準計算瞬時n值的有效性，工作組從國際鋼協《先進高強度鋼應用指南》原文中查詢到了TRIP 350/600相變增塑鋼的原始拉伸曲線。采用人工描點的方式復制出拉伸原始數據，采用T/CSTM 00514—2022標準瞬時n值的測定方法，結合“變帶寬移動回歸算法”，得到TRIP350/600相變增塑鋼的瞬時n值-應變關系曲線，如圖1所示。
需說明的是，由于人工描點數據量有限，因此差分計算瞬時n值并光滑處理后曲線仍有振蕩。但從整體趨勢與具體數值看，T/CSTM 00514—2022標準計算得到的結果與國際鋼協《先進高強度鋼應用指南》中TRIP鋼對應的瞬時曲線完全一致。TRIP鋼優異的強度和塑性與其加工硬化性能在整個均勻變形過程中維持較高水平密切相關。
3.3 測定拉伸應變硬化率m的驗證試驗
在材料研究中，經常采用“拉伸應變硬化率”的概念去表征內部的微觀強化過程，如文獻中所報道的拉伸應變硬化率與T/CSTM 00514—2022標準要求一致，定義為真應力對真應變的一階導數。另外一篇文獻中給出了一例較為特殊的拉伸應變硬化率曲線，揭示出宏觀拉伸強塑性能與顯微組織特征存在多個特征行為區。
為確認T/CSTM 00514—2022標準計算拉伸應變硬化率的有效性，從文獻中采用人工描點的方式復制出拉伸原始數據，采用該標準有關拉伸應變硬化率的測定方法，結合“變帶寬移動回歸算法”得到了SMSH-EHEA材料的整個拉伸應變硬化率-真應變關系曲線，如圖2所示。
需要說明的是，由于人工描點數據量有限，因此差分計算拉伸應變硬化率m與真應變關系曲線經光滑處理后，曲線仍有振蕩，但從整體趨勢與具體數值上看，標準計算得到的結果與文獻報道的曲線形態特征完全一致。
4、應用前景及其推廣
先進鋼鐵產品是鋼鐵業優化產能、產業升級的重要抓手。與此對應，力學標準則是“研發-生產-使用”這一產業鏈上下游、國內外企業共同遵照的程序，在產業布局中具有重要的指導意義。由于加工硬化性能幾乎是所有金屬材料的共性特征，因此T/CSTM 00514—2022 標準在金屬材料產、學、研、用上下游，以及關聯性行業應用廣泛。
拉伸試驗是評價材料性能的基本方法，而對于先進拉伸試驗機，我國已具備了完備的制造業產業鏈，產、學、研、用集成度高。T/CSTM 00514—2022團體標準在與現行國家標準GB/T 5028—2008測定n值保持一致的基礎上，對試驗設備提出了一定的優化提升空間，特別是根據式（2）與式（3）計算光滑可靠的瞬時拉伸應變硬化指數與硬化率曲線，對拉伸試驗機的軟件功能提出了新的需求，是否能在現有拉伸、n值、r值國標要求的基礎上，進一步消化吸收，如T/CSTM 00514—2022標準“變帶寬移動回歸算法”等先進數值分析技術，將能夠進一步推動我國高端拉伸試驗機行業的發展。
作者：方健，李和田，張建偉
單位：寶山鋼鐵股份有限公司 中央研究院
來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第10期
來源：理化檢驗物理分冊
