利用改進的引伸計自動測量鈹材的斷后伸長率

李美歲, 張子富, 李志年, 張健康, 呂一格, 李樹榮, 黃旭剛, 代彥明

(西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司 稀有金屬特種材料國家重點實驗室， 石嘴山 753000)

金屬材料的力學(xué)性能中，斷后伸長率是反映金屬材料塑性的一個重要指標，其值越大，表示金屬材料的塑性越好。GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》中規(guī)定的斷后伸長率測試方法有兩種，一種是采用人工測量的常規(guī)方法，用25 mm標距塊壓住試樣兩側(cè)，用刻刀輕刻兩條平行線，將刻畫后的試樣放在顯微鏡下進行測量，計算出原始標距長度Lo。安裝試樣到試驗機上進行拉伸試驗直至試樣被拉斷，根據(jù)ASTM E8：2016aStandardTestMethodsforTensionTestingofMetallicMaterials的技術(shù)要求，將試樣斷口配接在一起，使軸線處于同一直線上，測量斷后標距長度Lu，然后根據(jù)公式A=(Lu-Lo)/Lo×100%，計算出斷后伸長率A[1-3]；第二種方法是使用帶有引伸計測定斷后伸長率功能的試驗機,引伸計標距Le應(yīng)等于試樣原始標距Lo,無需標記出試樣原始標距。

由于鈹材拉伸試驗時兩夾具間的距離太小，無法直接安裝設(shè)備原裝標距為25 mm的引伸計，為了滿足GB/T 228.1-2010對引伸計使用的技術(shù)要求，筆者對引伸計刀口進行了重新設(shè)計。但其測量精度尚不清楚，為此筆者采用配備改進引伸計的拉力試驗機對斷后伸長率進行自動測量試驗，并將測量結(jié)果與常規(guī)人工測量結(jié)果進行了對比。

1 試驗方法

根據(jù)GB/T 228.1-2010的技術(shù)要求，取直徑為6 mm，抗拉強度為460～560 MPa的鈹材圓棒試樣78個，試樣標距為25 mm，試樣形狀及尺寸如圖1所示。在INSTRON 5582型拉伸試驗機上安裝改進后的引伸計，改進后的引伸計刀口長度在原有基礎(chǔ)上增加了10 mm，捆綁皮筋用的溝槽加深并向前延長，如圖2所示。引伸計標距Le=Lo=25 mm。在拉伸速度為0.2 mm·min-1條件下進行拉伸試驗，全程使用引伸計跟蹤測量標距內(nèi)的縱向變形直至試樣斷裂。同時在試驗完成后，采用常規(guī)的方法對斷后伸長率進行人工測量，并與自動測量的結(jié)果進行比較[4-5]。

圖1 試樣形狀和尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of shape and size of the sample

圖2 改進后的引伸計夾持示意圖Fig.2 Schematic diagram of clamping the improved extensometer

2 試驗結(jié)果

斷后伸長率的測量結(jié)果如表1所示，結(jié)合圖3所示的試樣斷裂前、后宏觀形貌可以看出鈹材的斷后伸長率較低，屬于脆性材料。

表1 兩種方法測得的斷后伸長率Tab.1 The percentage elongation after fracture determing by two methods %

續(xù)表1 %

圖3 鈹材試樣斷裂前、后的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of beryllium samples before and after fracture

從表1可以看出，兩種方法測量結(jié)果的絕對誤差均在±0.5%以內(nèi)[6-7]，結(jié)果非常接近。絕對誤差為負值的出現(xiàn)概率為82%，表明引伸計自動測量的斷后伸長率高于人工測量值。最高絕對誤差為-0.36%，最低絕對誤差為0，誤差波動僅0.36%。

為提高試驗結(jié)果的可比性，將表1數(shù)據(jù)繪制散點圖，如圖4所示?？梢妼τ谕辉嚇?，引伸計自動測量數(shù)據(jù)普遍高于人工測量值。

圖4 A25和A的散點圖Fig.4 The scatter plot of A25 and A

由于計算得到的數(shù)據(jù)會有誤差，不能只根據(jù)簡單的樣本統(tǒng)計結(jié)果下結(jié)論，必須使用嚴格的統(tǒng)計假設(shè)試驗方法才能得出準確的判斷結(jié)論[8]。為提高試驗結(jié)果的可比性，了解利用人工測量和引伸計自動測量的斷后伸長率是否相同，并得出較準確的判斷結(jié)果，采用假設(shè)試驗進行驗證。

將檢驗人工測量的斷后伸長率均值與引伸計自動測量的是否相等的兩樣本均值問題，轉(zhuǎn)化為檢驗人工測量的斷后伸長率與引伸計自動測量的差值的均值是否為0的雙樣本T檢驗。首先做出如下假設(shè)。原假設(shè)(H0)：A25-A=0, 備擇假設(shè)(H1)：A25-A≠0。用MINITAB軟件計算A25與A(數(shù)據(jù)見表1)兩個總體均值之差的置信區(qū)間，來判斷來自兩個相互獨立的總體均值之間是否有顯著差異，進行雙樣本T檢驗[9]得到A25和A的單值圖和箱體圖，如圖5和圖6所示，檢驗結(jié)果如表2所示。平均差的95%置信區(qū)間: (-0.549, 0.301)；平均差=0(與≠0)的T檢驗:T=-0.58，P=0.565。

圖5 A25和A的單值圖Fig.5 Single valued graph of A25 and A

通過圖5和圖6可以看出，A25和A的數(shù)據(jù)一致性較好，均值連線接近水平。

P值是指當原假設(shè)為真時所得到的樣本觀察結(jié)果或更極端結(jié)果出現(xiàn)的概率，并由FISHER R A首先提出P值取0.05來表示發(fā)生的概率非常小，因此P值越大，接受原假設(shè)的理由越充分。從MINITAB軟件分析結(jié)果可知，P=0.565>0.05，故接受原假設(shè)H0(A25-A=0)，即認為人工測量的斷后伸長率A25與引伸計自動測量的斷后伸長率A的均值之差為0的假設(shè)成立；置信區(qū)間為(-0.549,0.301)，區(qū)間包含0，表示兩個總體均值沒有明顯差異。

圖6 A25和A的箱體圖Fig.6 Boxgraph of A25 and A

表2 兩種方法測得的斷后伸長率配對T檢驗結(jié)果Tab.2 Paired T test results for the percentage elongation after fracture measured by two methods

3 結(jié)論

(1) 利用改進的引伸計自動測量鈹材的斷后伸長率，可得到準確可靠的結(jié)果，可以替代常規(guī)的人工測量方法。

(2) 采用引伸計法無需標出試樣原始標距，可以減少由于繪制標距所帶來的鈹粉塵危害；無需使用顯微鏡測量標距，可以減少人為誤差和眼部疲勞，因此可推薦應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)檢驗，有利于減少對試驗操作人員的健康損害，降低勞動強度，提高工作效率，在一定程度上可減少檢驗過程中試驗人員操作造成的偶然誤差，使斷后伸長率的測試更快捷、數(shù)據(jù)更準確。

(3) 采用改進的引伸計自動測量的斷后伸長率值較人工測量的偏高，在試樣斷后伸長率要求余量較小的情況下，使用引伸計法可能更滿足測試要求。