摘 要:從位錯(cuò)滑移著手并結(jié)合晶體結(jié)構(gòu)的特征,從細(xì)觀層面和宏觀唯象層面詳細(xì)探討了拉伸變形的本質(zhì)行為,即微塑性變形具有不同時(shí)性和不均勻性,并貫穿于拉伸應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線的各個(gè)階段;著重分析了應(yīng)變速率對拉伸性能的影響,并從剛度修正、應(yīng)變速率控制等方面探討了 GB/T２２８．１－２０１０的科學(xué)性和其在實(shí)際運(yùn)用方面存在的難點(diǎn)及對應(yīng)的建議.結(jié)果表明:拉伸試驗(yàn)各階段的塑性變形在不同程度上受到應(yīng)變速率的影響.

關(guān)鍵詞:拉伸變形本質(zhì);位錯(cuò)滑移;微塑性變形;剛度修正;應(yīng)變速率

中圖分類號(hào):TG１１５．５＋２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０４Ｇ０２３９Ｇ０５

AnalysisonTestMethodsBaseduponIntrinsicBehaviorofTensileDeformation

LIHuawei,WANGChengzhong

(ShanghaiXiuyangMaterialTestingTechnologyCo．,Ltd．,Shanghai２０１８１８,China)

Abstract:TheintrinsicbehavioroftensiledeformationwasdiscussedonmesoＧlevelandmacroＧlevel,starting

fromdislocationslipandcombining withthecharacteristicsofcrystalstructure．Itisthat microscopicplastic

deformationappearsatdifferenttimesanddistributesindifferentareas,andoccursinallstagesofthetensilestressＧ

straincurve．Theinfluenceofstrainrateontensilepropertieswasanalyzedemphatically,andthescientificalness,

difficultiesandsuggestionsinpracticaloperationofGB/T２２８．１－２０１０werealsoinvestigatedfromtheaspectsof

rigidnesscorrectionandstrainratecontrol．Theresultsindicatethattheplasticdeformationinallstagesoftensile

testwasaffectedbythestrainrateindifferentdegrees．

Keywords:nature oftensile deformation;dislocation slip; microscopic plastic deformation;rigidness

correction;strainrate

金屬材料拉伸試驗(yàn)是測試其力學(xué)性能的基本方法之一,廣泛應(yīng)用于航空航天、核電、軍工、汽車、機(jī)械設(shè)備、電子器材、醫(yī)療器械、建筑等各個(gè)行業(yè).自GB/T２２８．１－２０１０«金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第１部分:室溫試驗(yàn)方法»實(shí)施以來,業(yè)界對標(biāo)準(zhǔn)中的部分內(nèi)容存在著各種各樣的爭議和解讀,僅«理化檢驗(yàn)Ｇ物理分冊»公開發(fā)表持各種觀點(diǎn)的專題報(bào)道就達(dá)幾十篇之多[１].爭議的內(nèi)容涉及了諸如應(yīng)力控制、應(yīng)變控制、彈性階段的速率、屈服階段的速率、閉環(huán)控制試驗(yàn)機(jī)、剛度修正、引伸計(jì)、平行長度估算速率等諸多方面[２],這些爭議的焦點(diǎn)全都指向了拉伸過程中的速率問題.然而,目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)大多是從宏觀唯象層次概括試驗(yàn)事實(shí)并得出規(guī)律或研究結(jié)論,很少有去探究拉伸試驗(yàn)的內(nèi)在本質(zhì),而細(xì)觀尺度(晶粒、晶界、位錯(cuò)、滑移)是聯(lián)系宏觀尺度(毫米到千米尺度)和微觀尺度(原子、電子等基本粒子尺度)的橋梁.為此,筆者嘗試從細(xì)觀尺度的晶粒、晶面、位錯(cuò)、滑移等方面探討了拉伸試驗(yàn)變形的本質(zhì),并結(jié)合宏觀的試驗(yàn)現(xiàn)象探討了拉伸試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中的爭議內(nèi)容.

１ 彈性的不完整性完整的彈性應(yīng)該是加載時(shí)立即變形,卸載時(shí)立即恢復(fù)原狀,應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線上加載線與卸載線完全重合,即應(yīng)力和應(yīng)變同相.但是實(shí)際上,彈性變形時(shí)加載線與卸載線并不重合,應(yīng)變落后于應(yīng)力,存在著彈性后效、滯彈性和包申格(Bauschinger)效應(yīng),這些效應(yīng)的存在說明宏觀彈性變形并非理想的彈性變形,即宏觀的彈性變形中存在著非彈性變形[３].文獻(xiàn)[４]發(fā)現(xiàn)了超高強(qiáng)度鋼中的晶格微屈服現(xiàn)象,其 研 究 結(jié) 果 表 明:規(guī) 定 塑 性 延 伸 強(qiáng) 度 Rp０．２ 為１１６０MPa的 某 超 高 強(qiáng) 度 系 泊 鏈 鋼,以 ５．５×１０－５s－１的應(yīng)變速率對其進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸過程中的原位中子衍射測試結(jié)果顯示其宏觀線彈性階段在應(yīng)力為７００MPa時(shí),(２００)晶面族優(yōu)先于其他晶面出現(xiàn)了非彈性變形,即發(fā)生了微屈服[４].文獻(xiàn)[５]研究了氫對微屈服的影響,對充氫０．０００８％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的同類型超高強(qiáng)度系泊鏈鋼(充氫前其同批試樣

的Rp０．２為１１６０MPa),以５．５×１０－５s－１的應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸至５００ MPa時(shí)發(fā)生脆性斷裂,

即該材料只呈現(xiàn)出了宏觀線彈性特征.拉伸過程中的原位中子衍射測試結(jié)果顯示其宏觀線彈性階段在應(yīng)力為３００MPa時(shí),具有(１１０)取向且平行于拉伸方向(TensileDirection,TD)的晶粒,即(１１０)//TD取向的晶粒優(yōu)先于其他取向的晶粒率先呈現(xiàn)了非彈性變形,即出現(xiàn)微屈服現(xiàn)象[５].該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[６]中的表述相一致,即在外力作用下,部分位錯(cuò)會(huì)先達(dá)到

臨界切應(yīng)力而滑移(產(chǎn)生微屈服),值得注意的是位錯(cuò)滑移不僅取決于促使位錯(cuò)開動(dòng)的臨界切應(yīng)力,同時(shí)也取決于位錯(cuò)的取向因子μ[６].文獻(xiàn)[７]關(guān)于位錯(cuò)滑移與彈性變形的表述則更為詳細(xì),具有密排六方結(jié)構(gòu)(hcp)的αＧTi拉伸試樣(納米長度的單晶試樣)的彈性應(yīng)變?yōu)椋玻叮福?原位拉伸過程中隨著應(yīng)變的增加αＧTi先后產(chǎn)生了３ 種不同 Burgers矢量的滑 移 位 錯(cuò),其 中 最 先 啟 動(dòng) 的 Burgers 矢 量 為１/３[１２１０]的位錯(cuò),其在拉伸應(yīng)變量很小時(shí)(應(yīng)變?yōu)椋埃矗矗?即開始滑移[７].非彈性變形、微屈服現(xiàn)象、位錯(cuò)滑移均為塑性變形的表現(xiàn)形式,宏觀線性階段的微屈服現(xiàn)象研究最多的材料當(dāng)屬鈹材,有研究者歸納出了鈹材產(chǎn)生一個(gè)單位(１０－６)微屈服σmys與規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp０．２的經(jīng)驗(yàn)公式為:Rp０．２＝１７１．０＋２．７２８σmys[８].事實(shí)證明拉伸試驗(yàn)的彈性階段確實(shí)存在著塑性變形,彈性性能宏觀上呈近似線性特征.

２ 彈性的本質(zhì)

彈性在微觀上表現(xiàn)為原子間的作用力與原子間的位移,對于理想晶體而言,由公式 P＝Ar２ ＋Br４ (式中:P 表示原子間的作用力;r 表示原子間距;A 表示原子間吸引力常數(shù),B 表示原子間排斥力常數(shù),A和B 均與原子本性和晶格類型有關(guān))可知,原子間.

３ 拉伸試驗(yàn)過程中各階段變形行為的本質(zhì)

眾所周知,根據(jù)非連續(xù)屈服試樣的拉伸應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線特征,為簡單起見可將其大致分為４個(gè)階段,即:彈性階段、屈服階段、均勻塑性變形階段、頸縮階段.當(dāng)然,對于連續(xù)屈服試樣,其屈服階段和均勻塑性變形階段可認(rèn)為是一個(gè)階段.由上述彈性的不完整性和彈性的本質(zhì)分析可知,拉伸試驗(yàn)的宏觀彈性階段也存在微區(qū)塑性變形,并貫穿于拉伸試驗(yàn)的各個(gè)階段.塑性變形的主要機(jī)制為滑移和孿生,而孿生能夠提供的塑性變形量相比滑移來說是非常有限的,在探討塑性變形時(shí)該文主要考慮滑移的影響.

為此,有必要引入以下兩個(gè)公式[３]

式中:ε 表示塑性應(yīng)變速率;b 表示位錯(cuò) Burgers矢量的模;ρ表示位錯(cuò)密度;v 表示位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率.式中:τ為作用于位錯(cuò)滑移面上的切應(yīng)力;τ０ 為位錯(cuò)以單位速率運(yùn)動(dòng)所需要的切應(yīng)力;m 表示位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率的應(yīng)力敏感性指數(shù).

３．１ 頸縮階段

為了敘述的方便同時(shí)也考慮到塑性變形的明顯性,先分析頸縮階段的本質(zhì).為分析方便,引入一個(gè)公式如下

式中:dP 表示拉伸過程中瞬時(shí)力值的增加量;A 表

示拉伸試樣某時(shí)刻的截面積;dA 表示截面積瞬時(shí)減小量;S 表示某時(shí)刻截面上的應(yīng)力;dS 表示加工硬化造成的應(yīng)力瞬時(shí)增加量.頸縮前試樣平行部分各處的塑性變形宏觀上呈近似均勻變形,頸縮開始后變形主要集中于頸部區(qū)域,這時(shí)dP＝AdS－SdA＝０,即AdS＝SdA,加工硬化和試樣截面積的減少對試樣承載力的影響達(dá)到平衡,力值不再增加,對應(yīng)拉伸曲線的抗拉強(qiáng)度點(diǎn)位置.隨著應(yīng)變的增加,dP ＝AdS －SdA ＜ ０,即AdS ＜SdA,此時(shí)試樣截面積減小的影響占主導(dǎo),力值持續(xù)減小直至斷裂[３].

３．２ 屈服階段和均勻塑性變形階段

由式(１)可 知,試 樣 微 區(qū) 的 塑 性 應(yīng) 變 速 率 由Burgers矢量、位錯(cuò)密度、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率三者的乘積決定.隨著塑性變形的增加,位錯(cuò)密度快速增加使得位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率降低.由式(２)可知,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率的降低必然會(huì)使切應(yīng)力降低,從而造成試樣整體應(yīng)力的下降[３],這即為拉伸曲線上觀察到的上屈服點(diǎn)和屈服下降的本質(zhì).屈服的整個(gè)過程與上屈服點(diǎn)和屈服下降的本質(zhì)是一樣的,所不同的僅僅是應(yīng)力的增加與否或增加快慢的問題,而這主要取決于式(３)中的各個(gè)變量.式(３)亦可解釋連續(xù)屈服和非連續(xù)屈服,連續(xù)屈服時(shí)AdS 永遠(yuǎn)大于SdA,非連續(xù)屈服時(shí)將多次或者長時(shí)間出現(xiàn)AdS＝SdA 的現(xiàn)象,從真應(yīng)力Ｇ真應(yīng)變曲線來看,連續(xù)屈服和非連續(xù)屈服的圖形均為向上的拋物線,兩者并無本質(zhì)區(qū)別,反映在人為的日常所見的應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線上才出現(xiàn)了連續(xù)屈服和非連續(xù)屈服現(xiàn)象.值得注意的是,鑒于位錯(cuò)滑移的本質(zhì)和特性,屈服階段和均勻塑性變形階段從細(xì)觀的層面來研究的話也具有不同時(shí)性和不均勻性.為了表述清晰,定義一個(gè)微頸縮的概念,即不同時(shí)性和不均勻性的位錯(cuò)滑移必將在試樣局部微區(qū)域產(chǎn)生不均勻塑性變形(局部微區(qū)域產(chǎn)生微頸縮).在定義了這樣一個(gè)概念之后,就可以從細(xì)觀層面描述屈服階段和均勻塑性變形階段,即該階段自始至終都在不同的微區(qū)、不同的時(shí)間不間斷地產(chǎn)生一個(gè)個(gè)不同的微頸縮,當(dāng)某些微頸縮達(dá)到一定程度時(shí)就不再繼續(xù),而未達(dá)到微頸縮停止條件的則繼續(xù)進(jìn)行,這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)不均勻過程產(chǎn)生了屈服階段和均勻塑性變形階段宏觀上近似的均勻變形.

３．３ 拉伸總體過程的細(xì)觀與宏觀

至此,結(jié)合細(xì)觀和宏觀現(xiàn)象,可以對拉伸過程進(jìn)行總體描述,即整個(gè)拉伸過程中均伴隨有微區(qū)域不同時(shí)性和不均勻性的微塑性變形和微頸縮現(xiàn)象,這種微塑性形變和微頸縮的不均勻程度不僅與材料特性相關(guān),同時(shí)也與拉伸各個(gè)階段的應(yīng)變速率或應(yīng)力速率有關(guān).例如,由于面心立方(fcc)金屬具有更多的滑移系,因而在宏觀上比體心立方(bcc)金屬呈現(xiàn)出更強(qiáng)的均勻塑性變形能力;同時(shí)拉伸速率的不同也會(huì)影響屈服強(qiáng)度或規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度.所不同的是各個(gè)階段微塑性變形和微頸縮程度的大小各有不同:彈性階段由于位錯(cuò)滑移系和滑移量較少,微塑性變形和微頸縮程度較小,反應(yīng)在宏觀層面上即呈近似線性特征,由于該階段的塑性變形較小,在宏觀上的非線性不一定能夠被宏觀拉伸試驗(yàn)檢測出;屈服階段和均勻塑性變形階段相比于彈性階段則呈現(xiàn)出劇烈的微塑性變形和微頸縮,這種微塑性變形和微頸縮分布的不均勻性有時(shí)可在宏觀上表現(xiàn)出來(如

非連續(xù)屈服材料拉伸屈服階段在使用裝卡式引伸計(jì)時(shí)可能造成的拉伸試驗(yàn)機(jī)失控現(xiàn)象[１０]);頸縮階段這種微塑性變形和微頸縮不均勻性表現(xiàn)得最為強(qiáng)烈,直接反映在宏觀上的局部頸縮直至斷裂(平行長度的某一部分的中心或近中心位置首先形成微孔,并逐漸聚集長大形成微裂紋直至斷裂).

４ 拉伸速率對拉伸試驗(yàn)的影響

材料屈服強(qiáng)度受拉伸溫度和應(yīng)變速率的影響已有共識(shí),但是在宏觀線性階段拉伸速率對應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線的影響尚存在爭議[１１],鑒于上述分析中微屈服現(xiàn)象貫穿于拉伸過程的各個(gè)階段,而塑性變形的速率對屈服強(qiáng)度有影響,因此可以從理論上推出實(shí)際的金屬材料不存在理想狀態(tài)下的絕對線彈性,彈性段的應(yīng)變速率或多或少也會(huì)影響材料的屈服強(qiáng)度.用剪切強(qiáng)度表達(dá)的屈服強(qiáng)度公式為[９]

τ＝αGbρ (４)

式中:τ為剪切強(qiáng)度;α 為幾何常數(shù);G 為剪切模量;b 為位錯(cuò) Burgers矢量的模;ρ為位錯(cuò)密度.由式(４)可知,材料的屈服強(qiáng)度正比于位錯(cuò)密度和位錯(cuò) Burgers矢量的模,彈性段也有位錯(cuò)的滑移,也會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)的增值或位錯(cuò)密度的增加,因此從這個(gè)角度來講拉伸試驗(yàn)過程中的各個(gè)階段并無本質(zhì)區(qū)別,彈性段的拉伸速率也會(huì)影響屈服強(qiáng)度,由于材料對速率的敏感程度不同,這種影響不一定能夠被宏觀拉伸試驗(yàn)檢測出.對于一種確定的材料,拉伸試驗(yàn)應(yīng)力Ｇ應(yīng)變曲線受溫度和拉伸速率的影響,限于篇幅,文獻(xiàn)[１１]并未把溫度和速率的影響單獨(dú)分開來研究,由圖１[１２]可知,宏觀彈性階段的拉伸溫度和速率不僅影響屈服強(qiáng)度,也影響抗拉強(qiáng)度,甚至還影響材料斷裂的性質(zhì).

５ GB/T２２８．１－２０１０中附錄F和剛度修正

剛度修正的問題在業(yè)界引起的爭議較大,值得注意的是剛度修正首先要忽略拉伸試樣的滑動(dòng),基于這個(gè)前提剛度修正才能成立.