T∕CSTM 00514-2022 金属材料 拉伸应变硬化性能的测定

1、ICS 77.040.10CCS H 22团体标准T/CSTM 005142022金属材料 拉伸应变硬化性能的测定Metallic materials Determination of tensile strain hardening properties2022-02-24 发布2022-05-24 实施中关村材料试验技术联盟发布T/CSTM 005142022目次前言II引言31 范围12 规范性引用文件13 术语和定义14 符号和说明25 原理36 试验设备37 试样38 试验程序49 结果处理610 试验结果的数值修约811 试验报告9附录A（规范性）变带宽移动回归算法10附录B（资料

2、性）起草单位和主要起草人12参考文献13I库七七 标准下载T/CSTM 005142022前言本文件参照GB/T 1.12020 标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则，GB/T 20001.42015标准编写规则 第4部分：试验方法标准给出的规则起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国材料与试验团体标准委员会钢铁材料领域委员会（CSTM/FC01）提出。本文件由中国材料与试验团体标准委员会钢铁材料领域委员会（CSTM/FC01）归口。IIT/CSTM 005142022引言本文件试验原理与GB/T 5028一致，拓展了应用范围

3、。当试样为薄板和薄带时建议优先采用GB/T 5028。本文件亦可应用于厚板矩形、圆形试样及其他类型试样。除测定拉伸应变硬化指数外，本文件同时规定了瞬时拉伸应变硬化指数与瞬时拉伸应变硬化率的测定方法。III库七七 标准下载T/CSTM 005142022金属材料 拉伸应变硬化性能的测定重要提示使用本文件的人员应有正规实验室工作的实践经验。本文件并未指出所有可能的安全问题。使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合国家有关法规规定的条件。1 范围本文件规定了在室温准静态条件下测定金属材料拉伸应变硬化性能的术语和定义、符号和说明、原理、试验设备、试样、试验程序、结果评价、试验结果的数据修约和试

4、验报告。本文件适用于拉伸塑性变形范围内应力-应变曲线呈单调连续上升的试验部分，测定拉伸应变硬化指数(简称：n值)，均匀变形过程中的瞬时应变硬化指数（简称：瞬时n值），以及瞬时拉伸应变硬化率(简称：瞬时硬化率m)三类指标。经相关方协商，其他温度试验也可参照本文件执行。2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 228.1金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法GB/T 50282008金属材料 薄板和薄带 拉伸应变硬化指数（n值

5、）的测定GB/T 8170数值修约规则与极限数值的表示和判定GB/T 121602019金属材料 单轴试验用引伸计系统的标定GB/T 16825.12008静力单轴试验机的检验 第1部分：拉力和（或）压力试验机测力系统的检验与校准3 术语和定义3.1拉伸应变硬化指数 tensile strain hardening exponentn在单轴拉伸应力作用下，真实应力与真实塑性应变数学方程式中的真实塑性应变指数。用公式1库七七 标准下载（1）表示：ps = C e n（1）此方程可转变成公式（2）所示的对数方程：lns = ln C + n ln ep（2）式中，o = R (1+ e)（3）ep

6、 = ln(1+ ep )（4）假定金属材料在一定的塑性变形范围内保持恒定的幂率关系，即式（1）中n值保持不变，则在双对数坐标平面内的直线斜率即为材料在这一塑性变形范围内的拉伸应变硬化指数(n值)。3.2瞬时拉伸应变硬化指数 instantaneous tensile strain hardening exponentni在材料拉伸均匀变形过程中，工程应变为i%时的拉伸应变硬化指数（3.1）。若金属材料的n值在均匀变形过程中不恒定(普遍情形)，则根据式（2），工程应变为i%时刻的瞬时n值为Ln(s)对于Ln(e)的一阶导数，进行等价变换后，瞬时n值根据式（5）计算得到。n = dLns = e

7、p ds（5）dLneps dep3.3瞬时拉伸应变硬化率 instantaneous tensile strain hardening ratem均匀变形过程中，真实应力与真实塑性应变(s-e)曲线上任一点的切线斜率，见式（6）所示。m = dsde p.（6）瞬时n值与瞬时硬化率m存在内在的相关性，见式（7）所示：n = e p ms（7）4 符号和说明4.1 本文件使用的符号及说明见表 1。表1符号和说明符 号说明单 位Ae屈服点延伸率%Ag最大力塑性延伸率%C强度系数MPaCV变异系数%CVmax最大相邻变异系数%e工程应变%ep测定拉伸应变硬化指数的规定塑性（工程）应变水平（用于单应

8、变量测算方法）%ep - ep测定拉伸应变硬化指数的约定塑性（工程）应变范围 (线性回归方式，ep：塑性应变下限 ，ep ：塑性应变上限 )%F施加于试样上的瞬时力NL引伸计标距部分的瞬时长度 L = Le + LmmLe引伸计标距mmT/CSTM 005142022表1（续）m瞬时拉伸应变硬化率MPami工程应变为i% 时刻的拉伸应变硬化率MPaN平滑带宽n拉伸应变硬化指数ni工程应变为i%时刻的瞬时拉伸应变硬化指数R工程应力MPaRm抗拉强度MPaL引伸计标距部分的瞬时延伸mmSo试样平行长度部分的原始横截面积mm2S真实横截面积mm2真实应力MPap真实塑性应变p,i工程应变为i% 时刻

9、的真实塑性应变注：1 MPa=1 N/mm2。5 原理试样在轴向拉伸载荷作用下以规定的恒定速率发生塑性变形。用整个均匀塑性变形范围内的应力-应变曲线，或用均匀塑性变形范围内应力-应变曲线的一部分计算n值、瞬时n值（ni）和瞬时硬化率（m）。6 试验设备6.1 拉伸试验机应满足GB/T 16825.12008 中的1级或优于1级的要求。试样的夹持方式应符合GB/T 228.1的规定。6.2 试验机应配备能够测量标距变化的引伸计，引伸计的量程应能满足试样最大变形时的测量需求。引伸计应满足 GB/T 121602019中的1级或优于1级的要求。6.3 采用尺寸测量装置测量矩形截面试样平行长度部分的厚

10、度和宽度，或圆形截面试样平行长度部分的直径，尺寸测量装置的分辨力应符合表2的规定。表2 尺寸测量装置的分辨力单位为毫米测量尺寸分辨力不大于0.10.50.52.02.010.010.00.0010.0050.0100.0507 试样7.1 试样的取样应符合相关产品标准的要求。产品标准未要求时，则按照试验相关方的协议取样。试样尺寸公差、形状公差及标记应符合GB/T 228.1的规定。7.2 除非另有规定，板状试样厚度应是产品的原始厚度。其他类型的试样宜匹配拉伸机的载荷能力。137.3 试样表面不应有影响材料塑性变形的划痕、划伤等缺陷。8 试验程序8.1 试验一般在10 35 室温下进行。对于温度

11、要求严格的试验，室温应为23 5 。8.2 除非另有规定，在塑性变形阶段，试样平行长度部分的应变速率应不超过0.008s-1。在测定拉伸应变硬化性能的整个应变区间内，该速率应保持恒定。8.3 如需测定整个均匀塑性变形范围内的n值，测量区间的应变上限ep应稍小于Ag。当材料呈现单调上升的均匀变形行为（即材料无明显上、下屈服）时，测量区间的应变下限ep应稍大于拉伸速率切换点对应的塑性应变水平（有关“切换点”，详见GB/T 228.1的规定），见图1所示。当材料呈现明显的上、下屈服现象时，测量区间的应变下限ep应稍大于加工硬化（均匀变形）起始点以及拉伸速率切换点对应的塑性应变水平，见图2和图3。测量

12、应变的上、下限ep与ep应在报告中注明。注：测定瞬时n值与拉伸应变硬化率m，建议在拉伸工程应力-工程应变（Re）曲线上根据8.3确定均匀塑性变形范围，然后根据9.2与9.3确定最终结果。120251015202530XYRm0Ag标引序号说明：X工程应变 ，用%表示；Y工程应力，单位为兆帕（MPa）； 1下限；2上限。图 1n2-20/Ag 或n2-Ag应变取值范围210251015202530XYRm0AeAg标引序号说明：X工程应变 ，用%表示；Y工程应力，单位为兆帕（MPa）； 1下限；2上限。图 2n4-20/Ag 或n4-20应变取值范围YRm210025Ae10152025Ag30

13、X标引序号说明：X工程应变 ，用%表示；Y工程应力，单位为兆帕（MPa）； 1下限；2上限。图 3n4-20/Ag 或n4- Ag应变取值范围9 结果处理9.1 确定 n 值根据拉伸试验记录的工程应力（R）、工程应变（e），按照 GB/T 50282008 计算相应的真实应力与真实塑性应变，通过线性回归获得规定塑性应变区间内的 n 值。如试验相关方协商一致，可采用不扣除弹性应变的真实应变计算 n 值，即采用 GB/T 50282008 中的方法 B 近似计算真实塑性应变， 并在报告中注明。n 值的表示方法如下：n4-6: 线性回归设定的应变区间为4%6% ；n10-15：线性回归设定的应变区间

14、为10%15% ；n10-20/Ag: 线性回归设定的应变区间为10%20% ，如果Ag20% ，则用n10-Ag表示；n2-20/Ag：线性回归设定的应变区间为2%20% ，如果Ag20% ，则用n2-Ag表示。9.2 确定瞬时 n 值（ni）根据 8.3 在工程应力-工程应变曲线(R-e)上确定 ep 与 ep 界定均匀塑性变形范围参与后续计算。根据公式（5），瞬时 n 值可根据均匀塑性变形范围内设定点的真实应力（）、真实塑性应变（p）以及真实应力对真实塑性应变的一阶导数（d/dp）确定。为便于计算，可将一阶导数近似为差分运算（D/Dp），公式（5）可转化为式（8）与公式（9）。n = e

15、p Ds（8）o Depn = ep, i si+1 -si（9）ise- eip, i+1p, i式(8)与式(9)中的真实塑性应变应采用小数形式。根据式（9），基于相邻的两组真实应力与真实塑性应变数据对（i , p, i）与（i+1 , p, i+1）即可获得工程应变 i%时刻的瞬时 n 值。应预先计算由 ep 与ep 界定的整个均匀塑性变形范围内的全部瞬时 n 值，并根据附录 A 变带宽移动回归算法对差分计算后的瞬时 n 值振荡曲线进行数值平滑处理，最终获得可靠的工程应变 i%时刻的瞬时 n 值结果，见图 4 所示。注 1：也可采用其他数值平滑算法，以确保设定应变区间内瞬时 n 值的算术

16、平均值与 GB/T 50282008 区间回归 n 值近似一致。注 2：过高的原始数据采样频率会导致瞬时 n 值震荡加剧。标引序号说明：X工程应变 ，用%表示；Y工程应力，单位为兆帕（MPa）； Z拉伸应变硬化指数（n值）； 1下限，5%工程应变时刻；2上限，30%工程应变时刻；3瞬时n值曲线；4根据GB/T 50282008线性回归计算的n5-30=0.25。图 4 瞬时n值曲线与 GB/T 50282008拉伸应变硬化指数示例如试验相关方协商一致，可采用不扣除弹性应变的真实应变计算瞬时 n 值，此时宜在报告中注明。瞬时 n 值的表示方法如下：n4: 工程应变量为4%时的瞬时n值；n10：工

17、程应变量为10%时的瞬时n值；nAg: 最大力时对应的瞬时n值。9.3 确定瞬时硬化率 m根据 8.3 在工程应力-工程应变曲线(R-e)上确定 ep 与 ep 界定均匀塑性变形范围参与后续计算。根据公式（6），瞬时拉伸应变硬化率 m 为均匀塑性变形范围内真实应力对真实塑性应变的一阶导数（d/dp）。为便于计算，可将一阶导数近似为差分运算（D/Dp），公式（6）可转化为公式（10） 与公式（11）。m = DsDep.（10）m = si+1 -si.（11）iep, i+1 - ep, i式(10)与式(11)中的真实塑性应变应采用小数形式。根据式（11），基于相邻的两组真实应力与真实塑性应

18、变数据对（i , p, i）与（i+1 , p, i+1）即可获得工程应变 i%时刻的瞬时硬化率 mi。应预先计算ep 与 ep 界定的整个均匀塑性变形范围内的全部 mi 值，并根据附录 A 对差分计算后的振荡曲线进行数值平滑处理，最终获得可靠的第 i%工程应变时刻的 mi 结果，见图 5 所示。标引序号说明：X工程应变 ，用%表示；Y工程应力，单位为兆帕（MPa）；Z瞬时拉伸应变硬化速率，m，单位为兆帕（MPa）； 1下限，5%工程应变时刻；2上限，30%工程应变时刻；3瞬时硬化率曲线。图 5 拉伸应变硬化速率曲线示例如试验相关方协商一致，可采用不扣除弹性应变的真实应变计算 m 值，此时需在

19、报告中注明，并同时记录 m 值对应的塑性应变水平。10 试验结果的数值修约试验结果应按照GB/T 8170进行修约，n值与瞬时n值（ni）修约至0.01，瞬时硬化率m值修约至5 MPa。11 试验报告试验报告应包括以下内容：a) 本文件编号；b) 试验材料的说明；c) 采用的试样类型；d) 测定拉伸应变硬化性能所对应的均匀塑性应变范围，即ep与ep界定的区间；e) 测定n值的工程应变区间，瞬时n值与瞬时硬化率m对应的工程应变时刻；f) 注明计算真实塑性应变时是否扣除弹性应变；g) 计算瞬时n值与瞬时硬化率m所采用的数值平滑方法；h) 试验结果。附录A（规范性）变带宽移动回归算法当采用差分法对一

20、阶导数进行近似计算并根据9.2与9.3测定瞬时n值与瞬时硬化率m时，预先获得的整个均匀塑性变形范围内瞬时n值及m与工程应变e的原始曲线存在显著的振荡现象。为消除振荡效应对结果的干扰，获得可靠的瞬时n值与m结果，本文件采用“变带宽移动回归算法”对原始振荡曲线进行光滑处理。这一算法在保持与传统n值原理一致性的基础上，有效避免了对原始曲线引入相位差，保证结果所对应的应变时刻的准确性。以测定瞬时n值为例，平滑处理程序如下：a) 根据8.3在工程应力-工程应变曲线上（Re）确定均匀塑性变形范围，计算出曲线上每一个点的真实应力i与真实塑性应变p,i，根据公式（9）差分计算的瞬时n值与工程应变（e）振荡曲线

21、如图A.1所示；b) 瞬时n值的原始振荡曲线由p个点构成，即i=1, 2, 3, , p-1, p，每一个ni对应一个工程应变ei；c) 定义一个平滑带宽(或回归带宽)N，N应为奇数，即N=3、5、7、9，数值越大，则平滑程度越高；数值越小，平滑干预的程度越低，振荡越明显；d) 每一个瞬时n值按照公式(A.1)计算。与公式（8）相比，公式（A.1）将i对p,i的一阶导数近似为设定带宽范围内因变量为对自变量为p的线性回归值。需注意当jp时，令p,j=0与j=0，此时公式（A.1）与（A.2）中的带宽N需同时减少，即N=N-1，以保证均值计算的有效性。因此，在振荡曲线两端回归带宽为(N+1)/2，

22、振荡曲线中部带宽为N，有效带宽根据振荡曲线的部位自行发生变化。i+ N -12 sn = ep, i j=i- N -12ep, js j - N ep si = 1, 2,3.p. （A.1）2i2ii+ N -1j=i- N -12e 2p, j- Nepi+ N -1i+ N -122 j=i- N -1ep, j s jj=i- N -1ep = 2,s = 2NNi = 1, 2,3.p . （A.2）e) 平滑处理后重新绘制ni与ei的关系曲线，即可获得如图4的瞬时n值曲线。图A.1b)同时给出了带宽N=19平滑处理后的瞬时n值曲线，而图A.1 c)给出了 N=23平滑处理后的瞬时n值曲线;f) 每次平滑处理后，在所有ni集合中，依次计算相邻两个瞬时n值间的变异系数(CV)。统计学上， CV为标准偏差与平均值的比值。记录最大相邻变异系数CVmax，推荐最佳平滑带宽N为使CVmax小于等于0.5%的最小带宽。图A.1 a)CVmax=44%，图A.1