钢材拉伸试验屈服期间荷载瞬时松弛对Rel或σs测定的影响

中图分类号：TG142.3 文献标识码：A 文章编号：

发现

本人从事多年的钢材拉伸试验，操作过十几台类型的液压式万能试验机。经验表明，有些试验机的夹具部位在试验过程不断发出嘎嘎声，这种现象，越在追求效率和忽视试验机保养的试验室，情况就越是严重。而更为重要的是，这种现象，是否会影响试验数据的准确性。

下图为在上述现象存在时的一支带肋钢筋的拉伸曲线。

上图显示：该曲线存在许多“毛刺”；图中打印的屈服点荷载与自动记录装置取值一致。

该次试验结果为：屈服点低于指标值不合格，其他指标均符合指标要求。经本人在意识地采取措施：对试验机上试样夹具的滑道进行修磨至拉伸曲线的“毛刺”消失，拉伸曲线平滑和拉伸过程试验机没有嘎嘎声，再对备样进行复验，复验结果为：屈服点荷载自动记录值为114.153kN，屈服点应力值比初检提高约3.5%，达到合格要求。

由上可见，拉 伸过程夹具部位的嘎嘎声现象或者反映于拉伸曲线上的“毛刺”现象，可对试样屈服点（σs）的测定造成影响。

分析

1、技术标准引发的问题

首先，钢材产品标准中，多数以屈服点（σs）视同GB/T228—2010《金属材料室温位伸试验方法》所指的下屈服强度（ReL），该条对ReL的定义为：屈服期间，不计初始瞬时效应时的服务阶段中的最小值对应的应力。

其次，GB/T228—2010试验要求中，是以秒为单位要求控制屈服阶段的应变速率或者通过调节屈服开始前方应力速率来调整并在屈服完成之前不再调节试验机的应力速率来控制。

可见，由标准给出的定义，在屈服期间，只要拉伸曲线在初始瞬时效应之后，产生的最长的“毛刺”（所见“毛刺”均朝下）下端所代表的应力，均可被取为ReL（或σs）。这种取值，既符合标准给出的定义，又因“毛刺”为瞬间产生，未明显违背应变速率的控制要求。

故此，现行的拉伸试验技术标准未能解决前述的误测σs的问题。

2、现用的自动记录系统造成的问题

就所见而言，现用的万能试验机自动记录系统，是根据ReL（σs），定义设计和运作的，因其反应的灵敏度比人工从度盘指针读数高得多，故此很自然地将屈服期间初始瞬时效应之后的最低应力记录做ReL（σs），此期间，当存在因嘎嘎声引发的较长“毛刺”，其代表的最低应力就被记录成试样的ReL（σs），造成误测。

3、屈服期间试样夹具在滑道中跳动是误测的根源

对于未经办工且横截面积较大的试样，在拉伸过程夹具部位嘎嘎声比较严重的试验，只要将拉伸曲线作3倍左右的放大，并进行细心的观察，即可发现所指的嘎嘎声与拉伸曲线上的“毛刺”存在对应关系。据此，本人认为，在试样与夹具的钳口咬牢的情况下，曲线中的“毛刺”来源于夹具在其滑动中不平衡地滑动（或称跳动）。

根据试验机的工作原理，拉伸过程夹具在滑道中的每一次跳动，就存在一次应力松驰，跳动愈甚，应力检驰愈严重。由于这种松驰在瞬间完成，所以在杠杆指针测力和人工读数的情况下，不容易读到，而对高灵敏度的电子自动记录系统，往往就会将屈服期间一次最强烈的因夹具跳动，造成应力松驰最大的应力，记录作该试样的下屈服强度（ReL）或屈服点（σs），成为ReLσs误测的根源。

4、试验机本身产生的问题

从液压式万能试验机的相关资料得知，其试样夹具一般都用合金结构风40Cr制作，并进行调质热处理，使夹具具有高强度和高耐磨的物理性能（通常其σs＞830Pa，硬度HB达200左右）。而与夹具互相接触的滑道，一般是铸造状态的铸铁或铸钢。很多这类试验机的使用事实均证明，由于上述所指的材质差距，经多次不同荷载使用后，夹具的滑道就被挤压至不平滑。如果夹具的滑道疏于保养（指经常卸下夹具修磨其滑道），就会导致拉伸过程夹具部位发出嘎嘎声，拉伸曲线出现所谓“毛刺”，担伸试验中产生不正常的应力松驰，进而造成电子自动记录系统误将不正常的松驰应力记录为试件的性能指标。

验证

为了验证上述的分析，曾做以下验工作。

验证一：

取σs值接近临界值，直径为φ20、22、25、28mm，长度均为850mm按GB1499合格的4走马观花带肋II级强度钢筋，各切成2支拉伸试样，每种规格的2支试样，分别在具有电子自动记录功能的A、B两台试验机上做拉伸试验，其中A试验机存在一定的夹具跳动现象，B试验机夹具滑道修磨后，整个位伸过程是平稳的。

验证试验的结果列表1

验证二：

首先，将A试验机的夹具滑道修磨至拉伸过程夹具部位无异常的嘎嘎声和自动记录系统显示的担伸曲线无“毛刺”。然后，采取验证一同样的备样方式，再在A、B两台试验机上，以同样的方法做拉伸试验。

试验结果列表2

验证结果证明：试验屈服期间，夹具在其滑道的不平稳现象（注：即跳动），可以造成误测试样的下屈服强度ReL或其屈服点σs；这种不平稳现象，是造成现用的自动记录系统误测ReL或σs的根源。

验证明结查表时，屈服期间试样夹具的不平稳现象，应受到重视，必要时还应作更深层次的研究。

讨论

1、关于技术标准的讨论

现行的GB/T228—2010有试验机应符合加、卸荷平稳的基本要求，现行的GB/T228—2010则无此基本要求，仅以试验机的准确度级别及以秒为单位的应变速率（见其第10条试验要求中）代之。这就造成了拉伸过程出现的瞬间应力松驰问题的处理，在技术上，现行无法可依了。此乃一个值得有关部门及有关人士关注的问题。

2、关于试验机自动装置或自动测试系统测定屈服强度的讨论

此类测定，为GB/T228—2010许可使用，在技术上有法可依。问题出在此类测定一般的工作原理均依据GB/T228—2010给出的定义而设计，其中下屈服强度（ReL）的定义为：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的屈服阶段中的最小力值对应的应力。由此产生了以上述定义设计工作原理的试验机自动装置或自动测试系统，以很高的灵敏性，将定义规定期间一次因夹具跳动形成的最低应力记录为试件的Rel或σs。

由此造成的误测，在生产检测机构中，可能已经较多地发生，这也是一个应当引起关注的问题。本人借此处提出：试验机自动装置或自动测试系统对ReL或 σs的测试，能否设置为在相应的取值阶段，以每秒取若干个值后以平均值作为测试结果。

3、关于试验机夹具引发跳动的讨论

前面《分析》之4中，已对试验机的试样夹具和夹具滑道与造成下屈服强度或屈服点误测的关系作了论述，这里要讨论的是如何从试验机的这部分结构上防止或减少误测。

从有的进口万能试验机的结构上看，国外已经有人注意并解决了本人讨论的问题，例如日本岛津产的200吨万能试验机，它在结构上采用了试件夹与夹具的滑道之间，设置固定的材质与夹具相同的衬板，使经多年使用的该机，保持拉伸试验过程一直处于良好的平稳状态。

如果国内试验机制造者也能明白该道理，采取有效的技术措施，则既可试验机构上解决我们讨论的误测问题，又可减少试验机用户需要经常修磨夹具滑道的麻烦。

结论

由于现用的多数液压式万能材料试验机的试件夹具与夹具滑道两者材质存在一定差距，经一定时间使用和疏于保养滑道后，造成夹具滑道不平滑，引致试件拉伸过程产生试件应力瞬间松驰。当使用具有高灵敏性的，且以GB/T228—2010所给的定义进行工作的试验机自动装置或自动测试系作件下屈服强度（ReL）或屈服点（σs）测定，就可能造成误测，甚至引起误判。

这个问题的彻底解决，需要依靠技术标准的进一步完整，以及试验机自动装置或自动测试系统和试验机夹具的相关结构做对症下药的改进。

暂时应急措施

在标准法规及仪器设备对症下药解决问题之前，要防止ReL或σs误测，可以采取如下的暂时性应急措施：

1、勤于保养夹具滑道，首先，应注意适当滑滑道和保持不让铁屑掉进滑道；再者，最好是每星期修磨一次，或者当夹具部位在工作时发出嘎嘎声就尽快进行修磨，修磨的方法一般为卸下夹具，手工用油石有序地对滑道进行旨在磨平的修磨，直至拉伸时该部位的嘎嘎声消失。

2、应注意：不让具有自动采集数据功能且拉伸过程出现嘎嘎声的试验机承担比对、仲裁等重要试验任务；或者留意承担重要试验任务的自动记录试验机工作时有没有在试件屈服期间产生嘎嘎声，若有，则其采集的ReL或σs数据，应视为可疑数据。

3、在日常工作中，如果在用的，具有自动采集数据功能的试验机使用时已存在从夹具部位发出嘎嘎声，且测试结果出现ReL或σs不合格而其他指标比较正常，此时，应将ReL或σs的数据当可疑处理。