用于程序控制的金属材料拉伸试验全程位移控制法 【技术领域】
本发明涉及材料科学测试技术中一种试验方法，特别是一种用于程序控制的金属材料拉伸试验全程位移控制方法。
背景技术
拉伸试验速率对金属材料屈服强度测试有明显影响。尽管全世界许多拉伸试验的国家标准和国际标准都对拉伸速率做了规定，但不同实验室即使采用了相同的拉伸速率，例如屈服前以不变的2mm/min横梁分离速率进入屈服阶段，测得的屈服强度就会有较大分散性。这是因为绝大多数实验室没有考虑系统柔度对试样上实际变形速度的影响。
如果采用基于引伸计的反馈而得到的应变速率控制方法，以消除拉伸试验机柔度的影响，对于无明显物理屈服的金属材料可能是合适的，但因目前国内外仍有很多拉伸试验机不具备应变控制功能，或因担心引伸计刀口打滑引发控制问题，很少有人用应变控制方式完成屈服强度测试。对于有明显物理屈服的金属材料，是不可能用装夹在试样上的引伸计来控制应变速率的，因为局部的塑性变形可能发生在引伸计标距以外，可能会出现控制问题，这时应力应变曲线也失真了，测得的屈服强度会有偏离。
如果令不同拉伸试验机采用同一恒定的横梁分离速率，由于它们系统柔度不同，虽然横梁分离速率在屈服前后并没有发生变化，但实际上在试样上的变形速率却发生了变化：柔度越大，变化就越大，对屈服强度的影响也就越大。高柔度试验系统拉伸速率的变化甚至会达到几百倍，这势必影响试验结果的准确性。
因普遍认为系统柔度测试过程较复杂，目前很少有人考虑系统柔度的影响，使不同试验机做出的试验结果不具备可比性。
下表是由于系统柔度不同，以恒定夹头位移速率进入屈服阶段时，试样变形速度的变化。
注：So/Lc为试样横截面积与平行长度的比值；Vp为试样塑性变形速率；Ve为试样弹性变形速率。
现需要一种最简易可行且最实用的方法，来弥补目前金属材料拉伸试验的不足。
【发明内容】
为了解决上述技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种金属材料拉伸试验全程位移控制法，以利于使试样屈服前和屈服后的实际应变速率基本保持一致，可以间接实现试样上的应变速率控制，使不同试验机做出的试验结果真正具有可比性。用全程位移控制法克服了应变控制的不足，使试样屈服前后保持变形速率不发生明显变化，从而提高屈服强度测试准确度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种用于程序控制的金属材料拉伸试验全程位移控制法，该控制法设定在电液伺服或电子万能试验机的试验应用程序之中，该控制法包括有以下步骤：
①第一阶段位移控制
试验开始时，试验应用程序令试验机移动夹头以vc1＝0.00025(Lc+CMESO)的速度向试样伸长方向运动，直至试样上的载荷F＝F2时结束；CM和E取缺省值；当F＝F2时，程序自动计算再自动计算准备将CM计算值用于第二和第三阶段的公式中；
②第二阶段位移控制
当试样上的载荷达到F2时，试验应用程序令拉伸速度自动由vc1转换至vc2，进入第二阶段位移控制：
vc2＝0.00025(Lc+CMESO)，CM取计算值；
③第三阶段位移控制
当载荷-位移拟合曲线斜率变化30％时，试验应用程序令拉伸速度自动由vc2转换至vc3：
vc3＝0.00025Lc(1+CMΔF/ΔS)，CM取计算值；
④第四阶段位移控制
从ΔF≤0时开始，试验应用程序一直令ΔF＝0；直至屈服阶段结束时，由程序自动转换或由操作者手动转换至vc4，直至拉伸到试样断裂：
vc4＝0.0067Lc；
上述式中符号：
vci：第i阶段横梁位移速度，mm/s
Lc：试样平行长度；无面积缩减试样为两夹头间距，mm
CM：当前条件下试验系统柔度实测值，n/mm
E：试样弹性模量，N/mm2，黑色金属缺省值210000
S0：试样面积，mm2
：t1～t2时间段的应力增加速度，N/mm2s-1
F1：由操作者设定的用于计算的第一点载荷，N，或缺省值0.2Rq，N，
F2：由操作者设定的用于计算的第二点载荷，N，或缺省值0.5Rq，N
t1：达到F1点载荷所对应的时间，s
t2：达到F2点载荷所对应的时间，s
ΔS：任一时刻位移增量
ΔF：任一时刻载荷增量
Rq：估计的屈服强度。
本发明的效果是该控制法提供一种在试验过程中自动计算系统柔度的数学模型，该模型简单、可靠，是针对每一支测试样品的系统柔度计算。由于考虑了系统柔度的影响，可使试样屈服前后保持变形速率不发生明显变化。整个试验自动进行，一气呵成，给试验人员带来极大方便，明显提高工作效率和屈服强度测试准确度。适用于各种金属材料，无论其是否有明显物理屈服。同时适用于各种尺寸试样，试验前仅需为试验程序提供试样尺寸及估计的材料屈服强度，不必针对不同材料、不同尺寸试样分别设定不同阶段拉伸速率，就能满足ISO 6892和GB/T 228等最新版本标准规定的不同阶段拉伸速率要求，并且屈服阶段结束之前的速率转换平滑过渡，不会在应力-延伸曲线上引入不连续性。本发明适用于拉伸试验机的生产、研制和技术改造。
【附图说明】
图1是本发明划分不同阶段横梁位移速率区间的力与时间坐标图。
【具体实施方式】
结合附图及实施例对本发明的用于程序控制的金属材料拉伸试验全程位移控制法实现过程加以说明。
本发明的用于程序控制地金属材料拉伸试验全程位移控制法，该控制法的试验应用程序设定在电液伺服或电子万能试验机之中，该控制法包括有以下步骤：
①第一阶段位移控制
试验开始时，试验应用程序令试验机移动夹头以vc1＝0.00025(Lc+CMESO)的速度向试样伸长方向运动，直至试样上的载荷F＝F2时结束；CM和E取缺省值；当F＝F2时，程序自动计算再自动计算准备将CM计算值用于第二和第三阶段的公式中；
②第二阶段位移控制
当试样上的载荷达到F2时，试验应用程序令拉伸速度自动由vc1转换至vc2，进入第二阶段位移控制：
vc2＝0.00025(Lc+CMESO)，CM取计算值；
③第三阶段位移控制
当载荷-位移拟合曲线斜率变化30％时，试验应用程序令拉伸速度自动由vc2转换至vc3：
vc3＝0.00025Lc(1+CMΔF/ΔS)，CM取计算值；
④第四阶段位移控制
从ΔF≤0时开始，试验应用程序一直令ΔF＝0；直至屈服阶段结束时，由程序自动转换或由操作者手动转换至vc4，直至拉伸到试样断裂：
vc4＝0.0067Lc；
上述式中符号：
vci：第i阶段横梁位移速度，mm/s
Lc：试样平行长度；无面积缩减试样为两夹头间距，mm
CM：当前条件下试验系统柔度实测值，n/mm
E：试样弹性模量，N/mm2，黑色金属缺省值210000
S0：试样面积，mm2
：t1～t2时间段的应力增加速度，N/mm2s-1
F1：由操作者设定的用于计算的第一点载荷，N，或缺省值0.2Rq，N，
F2：由操作者设定的用于计算的第二点载荷，N，或缺省值0.5Rq，N
t1：达到F1点载荷所对应的时间，s
t2：达到F2点载荷所对应的时间，s
ΔS：任一时刻位移增量
ΔF：任一时刻载荷增量
Rq：估计的屈服强度。
本发明的用于程序控制的金属材料拉伸试验全程位移控制法是通过如下步骤来达到不同阶段横梁位移速率控制而实现的：
①第一阶段位移控制公式：vc1＝0.00025(Lc+CMESO)，CM和E取缺省值；这个横梁位移速率可使试样上的应变速率比较接近0.00025mm/mms-1。该阶段为图1所示材料弹性变形的初始阶段。
②第二阶段位移控制公式：vc2＝0.00025(Lc+CMESO)；由于这时CM取计算值(既实测值)，这个横梁位移速率可使试样上的应变速率非常接近0.00025mm/mms-1；该阶段为图1所示材料弹性变形的初始阶段结束至即将发生屈服的弹性变形阶段。
③第三阶段位移控制公式：vc3＝0.00025Lc(1+CMΔF/ΔS)，CM取计算值.该阶段为图1所示材料屈服阶段。
当载荷-位移拟合曲线斜率变化达到一定百分比时，例如达到30％时，自动由vc2转换至vc3。由于斜率不断变小，试样上的应变速率会实时进行向0.00025mm/mms-1调整，当ΔF＝0时，试样上的应变速率应为0.00025mm/mms-1。这里巧妙地用载荷/位移曲线斜率ΔF/ΔS代替应变/应力曲线斜率，有两方面考虑：一是当试验不需要安装引伸计时，可以按该公式计算横梁位移速率；二是如果使用引伸计，在引伸计标距外发生局部变形时，或者发生引伸计刀口打滑时，应力/应变曲线的该点斜率就不正确了，将该点斜率代入公式计算，反而并不稳妥。观察应力/应变曲线和载荷/位移曲线形态，它们是非常接近的，应该可以互换。况且该公式使用目的是为了实现弹性阶段向屈服阶段拉伸速率的平稳过渡，即使有一些微小误差也是可以接受的。
④第四阶段位移控制公式：vc4＝0.0067Lc，屈服阶段结束时，由程序自动转换或由操作者手动转换至这个速率。该阶段为图1所示材料屈服阶段结束直至断裂的阶段。