《金属材料 薄板和薄带 循环加载-卸载法测定杨氏模量衰减》

ICS77.040.10

CCSH22

团体标准

T/CSTMXXXXX—202X

金属材料薄板和薄带循环加载-卸载法测

定杨氏模量衰减

Metallicmaterial—Sheetsandstrips—Cyclicloading-unloadingtestmethodfor

theYoung'smodulusattenuation

（征求意见稿）

202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施

中关村材料试验技术联盟发布

T/CSTMXXXXX—202X

金属材料薄板和薄带循环加载-卸载法测定杨氏模量衰减

警示——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

本文件规定了规定了金属薄板材料循环加载-卸载试验方法的原理、试样及其尺寸测量、试验设备、

试验条件及操作、性能测定、测定结果处理和试验报告。

本文件适用于金属薄板的循环加载-卸载试验及杨氏模量的测定。

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/T228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法

GB/T2975钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备

GB/T7314—2017金属材料室温压缩试验方法

GB/T10623金属材料力学性能试验术语

GB/T12160金属材料单轴试验用引伸计系统的标定

GB/T16825.1金属材料静力单轴试验机的检验与校准第1部分：拉力和（或）压力试验机测

力系统的检验与校准

GB/T22066静力单轴试验机用计算机数据采集系统的评定

GB/T22315金属材料弹性模量和泊松比试验方法

3术语和定义

GB/T228.1和GB/T10623界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

拉伸杨氏模量Young'smodulusintension

在弹性范围内轴向拉应力与相应应变的比值。

3.2

压缩杨氏模量Young'smodulusincompression

3

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在弹性范围内轴向压应力与相应应变的比值。

3.3

初始模量initialmodulus

塑性应变为零时计算所得的拉伸杨氏模量。

3.4

稳定模量stablemodulus

经循环加载-卸载，材料模量趋于稳定时的值。

注：杨氏模量为正应力和线性应变下的弹性模量特例。

[来源：GB/T10623-2008，有修改]

3.5

模量衰减指数modulus'sdecayexponent

表征循环加载-卸载过程中材料杨氏模量减小的速率。

3.6

弦线模量chordmodulus

在弹性范围内轴向应力-轴向应变曲线上任两规定点之间弦线的斜率。

3.7

应变速率strainrate

用引伸计的标距进行测量时，单位时间的应变增加值。

3.8

平行长度应变速率估计值estimatedstrainrateovertheparallellength

根据横梁位移速率和试样平行长度计算的试样平行长度的应变单位时间内的增加值。

3.9

试验速率testspeed

v

在试验过程中，试验机夹头互相接近的速率。

3.10

轧制方向rollingdirection

轧制工艺中板材运动的方向，与轧辊轴线方向垂直。

3.11

均匀延伸率percentagetotalextensionatmaximumforce

单轴拉伸试验中最大力时原始标距的总延伸与引伸计标距le之比的百分率。

4符号及说明

4

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本文件使用的符号及相应的说明见表1。

表1符号及说明

符号单位说明

试样

RD—先进高强钢板料的轧制方向

DD—与轧制方向呈45°的方向

TD—与轧制方向呈90°的方向

t0mm测得试样的初始厚度

b0mm测得试样的初始宽度

2

S0mm计算得试样初始横截面积

l0mm规定的标距

lcmm试样平行长度

mm试样轴向变形变化量

Lmm试样总长度

k—比例系数（见表6.1）

试验

FkN加载于试样的轴向力，即拉伸试验机横梁载荷

vmm/s试验速率

S-1平行长度估计的应变速率

lemm引伸计标距

N—循环加载-卸载次数

n—重复试验次数

FckN夹紧力

试验结果

SMPa工程应力

真实应力

%工程应变

%真实应变

E杨氏模量

弦线模量

%塑性应变

%循环试验中卸载点的塑性应变

5

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MPa循环试验中卸载点的应力

初始模量

稳定模量

—模量衰减指数

%均匀延伸率

r—各向异性系数，宽度方向和厚度方向塑性应变的比值

注1：，。

注2：应力-延伸率曲线的弹性部分的斜率值并不一定代表弹性模量。在最佳条件下（高分辨率，双侧平均引伸计，

试样的同轴度很好等），弹性部分的斜率值与弹性模量值非常接近

5原理

试验系用拉力拉伸试样，以单向拉伸为基础，增加不同应变点下的卸载-再加载循环过程，从而测

定第3节中定义的一项或几项力学性能。

应变采用适合试样尺寸的引伸计测量，精度满足第6章要求，应变率满足第8节要求。在待

测试的板材上分别沿RD、DD、TD三个方向制备试样进行试验，每种方向重复试验次数n≥3，且至少获得

3次重合性较好的实验曲线，以确保试验的准确性。每隔一定变化量在工程应变处将力卸载到零

（或接近零），然后进行反复加载-卸载过程，直至试样拉断，如图1所示。

图1加载示意图

除另有规定以外，试验一般在室温10℃-35℃范围内进行。对温度要求较为严格的材料，试验温度

应在23℃±5℃范围内。

6仪器和设备

6.1本试验使用的设备包括：拉伸试验机、引伸计、其他辅助装置等。

6.2试验机的测力系统应按照GB/T16825.1进行校准，并且其准确度应为1级或优于1级。

6

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6.3计算机控制拉伸试验机应满足GB/T22066。计算机控制拉伸试验机应按生产公司要求定期进行维护

和校准，重点关注同轴度、稳定性、刚性位移等可能影响本规范试验结果的因素。

6.4引伸计的准确度级别应符合GB/T12160的要求。测定屈服强度、屈服点延伸率等的试验，应使用不

劣于1级准确度的引伸计;测定其他具有较大延伸率的性能，例如最大力延伸率和最大力塑性延伸率，应

使用不劣于2级准确度的引伸计。

6.5引伸计的标定周期建议为12个月，除非特殊要求，标定周期最长不应超过18个月，标定温度18℃

~28℃。在每次修理或调整影响可能影响测量准确度的元器件后都应对引伸计进行重新标定。

6.5其他辅助装置，例如力导向装置、调平垫块和约束装置等的要求，应符合GB/T7314-2017中7.2~7.4

的规定。

7试样

7.1试样形状

试样的形状取决于被试验的金属产品的形状与尺寸。对于钢板或铝板，其试样一般取自厚度

0.1mm~3mm的薄板。参考标准GB/T228.1相关要求，对试样形状应符合如下规定：试样夹持端应比其

平行长度部分宽。夹持端与平行长度之间应有半径r*至少为20mm的过渡圆弧相连接。头部宽度应大

于1.2b0（b0为原始宽度）。

7.2试样尺寸

7.2.1比例试样尺寸见表2。平行长度不应小于l0+b0/2,有争议时，平行长度应为l0+2b0，除非材料尺寸

不足够。

表2比例试样尺寸单位为毫米

k=5.65k=11.3

a

b0r

l0lcl0lc

10

12.5

15

20

a优先采用比例系数k=5.65的比例试样

7.2.2当对每支试样测量尺寸时，应满足表3给出的尺寸公差和形状公差要求。

表3试样宽度公差单位为毫米

试样的名义宽度尺寸公差a形状公差b

12.5±0.050.06

20±0.100.12

25±0.100.12

a如果试样宽度公差满足要求,原始横截面积可用名义值而不必通过实际测量再计算。

b

形状公差为试样整个平行长度l0范围，宽度测量值的最大最小之差。

7.2.3试样尺寸可根据实际需求按上述规范进行调整，对于高强度钢板的研究性实验，本文件规定了优

选的试样尺寸如图2所示，对采用不同试样尺寸的试验结果是不可比较的。

7

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单位为毫米

图2推荐的试样尺寸

7.3试样制备

7.3.1制备试样应不影响其力学性能，应通过机加工方法去除由于剪切或冲切而产生的加工硬化部分材

料。这些试样优先从板材或带材上制备。如果可能，应保留原轧制面。

注：通过冲切制备的试样，在材料性能方面会产生明显变化。尤其是屈服强度或规定延伸强度，会由于加工硬化而

发生明显变化。对于呈现明显加工硬化的材料，通常通过铣削和磨削等手段加工。

7.3.2除非另有规定，试样的轴线应在原始材料内按如下方法定位：对于厚度或平面间距离小于或等于

40mm的产品，在中心位置取样；对于厚度、直径或平面间距离为40mm的产品，在中心至表面的中间

位置取样。

7.3.3推荐采用线切割方式制备试样。对于薄的材料，建议将其切割成等宽度薄片并叠成一叠，薄片之

间用油纸隔开，每叠两侧夹以较厚薄片，然后将整叠进行机加工。

7.3.4机加工试样的尺寸公差和形状公差应符合表3的要求。例如对于名义宽度12.5mm的试样，尺寸

公差为±0.05mm，表示试样的实测宽度b0应在12.45mm～12.55mm之间。

7.3.5对于钢板，试样制备后应做好试样的保存工作，宜放置于10℃-35℃环境，并注意防锈。试样应尽

量避免层叠放置，必要时可在每层试样之间用油纸隔开。

8试验步骤

8.1原始横截面积的测定

使用游标卡尺测量试样的宽度，精确至0.01mm；使用螺旋测微器测量试样的厚度，精确至0.001mm。

宜在试样平行长度中心区域以足够的点数测量试样的初始厚度t0和初始宽度b0。原始横截面积S0是平

均横截面积，应根据测量的尺寸由公式计算并求算术平均值。

8.2实验平台搭建

8.2.1设定试验力零点

对于大多数试验机和试样，由于间隙、试样弧度和原始夹头对中等原因，当对试样施加很小的试验

力时会对引伸计的输出量产生较大的偏差。在试验装置安装完成后，试样两端被夹持之前，应设定力测

量系统的零点。一旦设定了力值零点，在试验期间力测量系统不能再发生变化。

注：上述方法一方面是为了确保夹持系统的重量在测力时得到补偿，另一方面是为了保证夹持过程中产生的力不影

响力值的测量。

8.2.2试样的夹持

8

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8.2.2.1将试样与试验机轴线对中夹持，应使用例如楔形夹头、螺纹夹头、平推夹头、套环夹具等合适

的夹具夹持试样。应尽量减小弯曲。

8.2.2.2试样夹持端的宽度范围应全部包含在夹持力作用范围内，同时夹持长度应不少于2b0。试样夹

紧力的选择应根据试样厚度和试样材料强度进行调整。推荐的夹紧力：

a)厚度t≤1mm时，夹紧力Fc≥材料抗拉强度的60%；

b)厚度1mm＜t≤1.5mm时，夹紧力Fc≥材料抗拉强度的70%；

c)对于较厚的试样再适当增加;

8.2.2.3如有必要，为了得到直的试样和确保试样与夹头对中，可以施加不超过规定强度或预期屈服强

度5%相应的预拉力。宜对预拉力的延伸影响进行修正。

8.2.3应变速率控制

8.2.3.1对于本文件设计的循环加载-卸载试验，应变速率应符合GB/T228.1的规定，并推荐取下限。

速度应尽可能保持恒定。

8.2.3.2本文件推荐由试样的平行长度lc对应变速率进行估算，见公式（1），并通过调整拉

伸试验机横梁的位移速率来调整应变速率。

（1）

式中：（1）应变速率推荐值为0.1s−1至0.0001s−1。

注：为了避免发生绝热膨胀或绝热收缩的影响，并能够准确测定轴向力和相应的变形，试验速度不

应过高，但为了避免蠕变影响，速度不应太低。

8.2.4引伸计的使用

8.2.4.1测量试样轴向变形时，可使用单个引伸计测量试样平均变形，或在试样两侧分别固定一个轴向

引伸计。

8.2.4.2应保证引伸计测量基准线与试样中心线平行，且尽可能位于试样平行段中部。

8.2.4.3应保证引伸计与试样装夹相对稳定，若试样拉伸过程中引伸计脱落，应终止试验并调整引伸计

安装夹紧力。

注：测量模量的准确度取决于测量应变的精度。增加标距长度可以提高测量应变的精度，但前提是

必须保证加工试样平行段的公差要求。

8.2.5其他要求

8.2.5.1试验机夹持装置应能使试样承受轴向力，在初轴向力与终轴向力之间，在各个方向上在试样相

对两侧测定的应变变化量与其平均值之差的最大值（即最大弯曲应变)不超过平均值的3%。

8.2.5.2随后将与单拉机信号通道连接好的引伸计装夹在试件测量段中部，接着编辑好PC端的控制程

序，至此完成试验平台的搭建。

8.3加卸载试验

8.3.1加卸载试验以标准单向拉伸试验为基础，首先对试件进行准静态拉伸，当到达预定的工程应变时

将力卸载到零，然后增加不同应变下的卸载后重新加载，依次反复直至试样断裂。

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8.3.2加卸载试验过程要求在小于2%应变下有至少3个卸载点，在2%至均匀延伸率Ap阶段有至少3

个点。

本文件建议的实验流程设置如下：

a)首先加载至工程应变0.5%，然后卸载至应力为0；

b)再次加载至工程应变1%，然后卸载至应力为0；

c)再次加载至工程应变1.5%，然后卸载至应力为0；

d)再次加载至工程应变2%，然后卸载至应力为0；

e)再次加载至工程应变2.5%，然后卸载至应力为0；

f)再次加载至工程应变3%，然后卸载至应力为0；

g)按照1%的间隔，加载并卸载，直到接近均匀延伸率Ap结束。

9试验数据处理

9.1总则

通过拉伸机的轴向拉力除以试件原始截面积即可计算得到工程应力，同时通过引伸计测量得到试件中心

处的工程应变。然后通过工程应力-应变和真实应力-应变的公式计算出试件加卸载过程中的真实应力、

真实应变。参考相关文献计算每段卸载曲线的平均杨氏模量，最后拟合获得每段卸载曲线平均杨氏模量

和卸载点塑形应变的关系，并得到关系方程。

9.2应力应变曲线的获取

9.2.1工程应力-工程应变曲线

9.2.1.1工程应力是按照原始横截面面积计算的轴向应力，其值为试验期间任一时刻的力除以试样原始

横截面积的商，见公式（2）：

（2）

9.2.1.2引伸计测得试样轴向变形变化量除以引伸计标距le得到工程应变，见公式（3）:

（3）

9.2.1.3对于比例试样，如果原始标距计算值与其标记值之差小于10%l0，可将原始标距计算值按GB/T

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8170修约至最接近5mm的倍数。

9.2.1.4当断裂发生在原始标距以内时，采用引伸计提取与试样中心垂直距离为的两点间试样

的延伸率，如图3所示。

图3引伸计测量方法

9.2.1.5当断裂发生在原始标距以外时，获取的试验数据无效，重新进行试验。

9.2.1.6将取得的数据逐点描迹，即可画出工程应力-工程应变曲线，见图4。

图4加载-卸载工程应力-应变曲线

9.2.2真实应力-真实应变曲线

9.2.2.1真实应变与工程应变之间有下述换算关系，见公式（4）：

…………………（4）

9.2.2.2真实应力与工程应力之间有下述换算关系，见公式（5）：

………（5）

9.2.2.3将计算得到的数据逐点描迹，即可画出真实应力-真实应变曲线如图5所示。

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图5加载-卸载真实应力-应变曲线

9.3衰减杨氏模量测定

9.3.1为了研究卸载杨氏模量，定义弦线模量为在某个应力范围内应力应变曲线的斜率，如图6中

红线所示。工程应用中，可以采用本规范提供的应力范围来计算其中一段卸载曲

线的弦线模量，为卸载点的真实应力。计算完每段卸载曲线的弦线模量后，通过数学拟合可以获得卸

载阶段弦线模量和对应卸载点塑形应变的数学关系。

图6卸载曲线计算弦线模量的应力范围

9.3.2推荐采用杨氏模量指数衰减方程式(6)对弦线模量随卸载点塑性应变变化的散点数据进行拟合[1]，

进而得到材料三个方向的杨氏模量衰减参数：初始模量、稳定模量及衰减指数。

（6）

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其中初始模量表示塑性应变时材料的杨氏模量，即材料未变形时的弹性模量；杨氏模量衰减速

度随着塑性应变的增大而减小，当塑性应变增大到一定值时，弹性模量趋于稳定，趋于

稳定的弹性模量称为稳定模量，记作；衰减指数反映了模量的衰减速度，衰减指数

越大，模量衰减得越快。

9.3.3工程中常用数据处理软件拟合弦线模量和塑性应变的关系，并计算出衰减方程的参数，进而用于

回弹仿真的参数设置中。

9.4试验结果数值的修约

9.4.1计算所得的杨氏模量和弦线模量取3位有效数字。

9.4.2试验测定的其他性能结果数值应按照相关产品标准的要求进行修约。如未规定具体要求，应按照

如下要求进行修约：

——强度性能值修约值1MPa；

——卸载点延伸率修约值0.5%。

10测量不确定度

10.1总则

测量不确定度分析对于辨识测量结果不一致性的主要来源是很有用的。基于本规范得到的产品标准

和材料性能的数据库以及较早版本的规范对测量不确定度都有内在的贡献。因此根据测量不确定度进行

调整是不恰当的，为了顺从失效产品而冒险也是不恰当的。正因为此，按照一下步骤推到出来的不确定

度的估计值也仅仅是个参考值，除非客户特别指明。

10.2试验要求

本规范规定的试验条件和极限不应考虑测量不确定度而进行调整，除非客户特别指明。

10.3试验结果

10.3.1估计的测量不确定度不应与测量结果组合起来评判是否满足产品标准要求，除非客户特别指明。

10.3.2如果试样符合要求，试验全过程均符合本规范的规定，则测得的模量的精度在1%量级。有关不

确定度参见附录B。还有利用准拉伸标样来评定不确定度的，参见文献[2]。

11试验报告

试验报告应包括下列内容：

a）本文件编号；

b）识别样品、实验室和试验日期所需的全部资料；

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c）结果及其表示；

d）注明试验条件信息；

e）测定中发现的异常现象；

f）对结果可能已产生影响的本文件中未作规定的各种操作或任选的操作。

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附录A

（资料性）

考虑设备刚度（或柔度）的应变速率修正

A.1公式（A.1）没有考虑试验装置(机架、力传感器、夹具等）的弹性变形。这意味着应将变形分为试

验装置的弹性变形和试样的弹性变形。横梁位移速率只有一部分转移到了试样上。试样上产生的应变速

率由式(A.1)给定：

(A.1)

式中：

—试样上产生的应变速率，单位为每秒(s-1)；

—试验速率，即横梁位移速率，单位为毫米每秒(mm/s)；

—给定时刻应力-应变曲线的斜率，单位为兆帕(MPa)；

—原始横截面积，单位为平方毫米(mm2);

—试验装置的刚度，mm•N-1(在试验装置的刚度不是线性的情况下，比如楔形夹头，应取

相关参数点附近的刚度值)；

—试样的平行长度，单位为毫米(mm)。

注：从应力-应变曲线弹性段获得的和不能用。

A.2试样上产生应变速率所需地的横梁位移速率可以由公式（A.2）计算得到，单位为毫米每秒

(mm/s)：

(A.2)

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附录B

（资料性）

测量结果不确定度的评定

B.1重复试验A类相对标准