GB/T.1—中最大力塑性延伸率测量新方法及其验证
最大力塑性延伸率Ag是GB/T.1—《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》中表征金属材料力学性能的一个重要指标，其基本定义是最大力时原始标距的塑性延伸与引伸计标距之比的百分率。标准给出的测量方法为：在用引伸计得到的力-延伸曲线上，从最大力时的总延伸中扣除弹性延伸部分，即得到最大力时的塑性延伸，将其除以引伸计标距得到Ag。计算公式为
先在拉伸试验过程中的拉伸曲线的最大力处读出引伸计给出的伸长率，将该值作为材料的最大力总延伸率，然后在力-延伸曲线上求出弹性应变εe，再根据式(1)计算出最大力塑性延伸率。这一方法通常被称为引伸计法，虽然该方法直观、科学、准确，但容易受到引伸计的引伸距离不够长、测试时不够安全，以及测量时操作人员精力分散的影响。
依据金属材料变形的物理原理及卸载定律，建立了一个新的材料最大力塑性延伸率的测量方法，该方法既能符合GB/T.1—给出的最大力塑性延伸率的定义，又能克服利用引伸计法测量的各种缺点，实现科学有效、简便安全的测量。
一、测量原理
材料在外力的作用下会产生变形，且随着外力的增加，材料的变形增加，直至断裂。典型的金属材料拉伸曲线如图1所示。
如果当应力小于弹性极限时停止加载，并将载荷逐渐减小至零，即卸去载荷，则可以看到，在卸载过程中，应力-应变曲线将沿着原路径aO回到O点(见图1)，变形完全消失；如果在超过弹性极限后，如在硬化阶段，某一点c的载荷逐渐减小，则卸载过程中的应力-应变曲线如图1中的cO1所示，该直线与Oa几乎平行。线段O1O2代表随卸载而消失的应变，即弹性应变εe；而线段OO1则代表应力减小至零时残留的应变，即塑性应变或残余应变εp。由此可见，当应力超过弹性极限后，材料的应变包括弹性应变εe和塑性应变εp，但在卸载过程中，应力与应变之间仍保持线性关系，即Δσ=Δε，这称为卸载定律。
该方法的基本思路是在金属材料拉伸曲线上达到最大应力处立即停止施加外力并卸载，然后取下试样，根据卸载定律，当卸载后，弹性变形部分消失，只保留了塑性变形部分。这样，最大力处卸载后测量的试样的伸长即为塑性伸长，按GB/T.1—给出的定义，即可计算出Ag。即
该方法的创新之处为：科学利用材料变形的物理原理及卸载定律，结合最大力塑性延伸率的定义，建立了一个科学有效、简便安全的材料最大力塑性延伸率的直接测量方法。
二、测量方法
2.1试样
以牌号分别为HRB，HRBE，HRB，HRBE，HRBF，HRBFE的国产热轧螺纹钢为试验对象，每10个试样为一组(具有相同的牌号和规格)，试样来自不同的生产厂家和炉批号。测量结果与已有足够引伸距离引伸计的直接测量结果进行比较。螺纹钢试样表面状态符合GB/T.1—的有关要求，试样夹具间的最小自由长度如表1所示。
在试样的自由长度范围内，均匀划分为10mm或5mm的等距标距，标距的划分和测量应符合GB/T.1—的有关规定。
2.2测量方法
按照GB/T.1—进行螺纹钢的拉伸试验，当应力-应变曲线达到应力最大值时，立即停止加载并卸载，然后取下试样并进行测量。
以试样自由长度处的mm为初始长度L0，测量试样最大力时的伸长Lp。按照材料拉伸时的卸载定律，卸载后测量到的伸长Lp即为最大力时的塑性伸长，按照式(2)即可计算出螺纹钢的最大力塑性延伸率Ag。
三、测量结果及验证
利用上述方法，采用电子拉力试验机(INSTRON5R)和万能材料试验机(INSTRON)以相同的速率对不同牌号螺纹钢的最大力塑性延伸率进行了测量，并与引伸计直接读数法的测量结果进行比较，结果如表2所示。
由表2可知，该方法测量的螺纹钢最大力塑性延伸率与引伸计法测量的结果有很好的一致性。
四、不确定度评估
依据GB/T.1—附录L对断后伸长率不确定度的评定，其测量不确定度主要来源于4个方面：测量重复性、试样原始标距、断后伸长率及数值修约，其相对标准不确定度分别为1.31%，0.58%，1.32%，0.66%。断后伸长率的相对合成不确定度为2.05%，相对扩展不确定度为4.1%。
与断后伸长率的测量方法不同，测量螺纹钢最大力塑性延伸率时，拉伸试验时无法立即确定拉伸应力是否到了最高点，只有当拉伸应力不继续上升或瞬时开始下降时才能确定拉伸应力已经到了最高点，因此在实际测量时会因为检验人员的经验及能力带来一定测量误差。研究人员认为这部分的不确定度属于测量重复性。依据GB/T—《钢筋混凝土用钢材试验方法》，测量重复性带来的偏离值约为0.2%，将该数值加到测量重复性的相对标准不确定度中，并依据GB/T.1—附录L，可计算出测量重复性相对不确定度为1.%，其他试样的原始标距、断后伸长及数值修约的相对标准不确定度不变。这样就可计算出上述方法测量Ag的相对合成不确定度为2.42%，相对扩展不确定度为4.84%。
五、结语
依据材料变形的物理原理及卸载定律，并结合GB/T.1—给出的Ag的定义，建立了一种新的金属材料Ag的测量方法，与引伸计法的测量结果具有很好的一致性，在实际测量中具有很好的操作性。
理论和验证试验证明该方法可以作为大生产检验的辅助方法，但建议仲裁试验时使用引伸计法。
作者：莫明珍，刘健斌，樊志维，李俊杰，陈明，曹标
单位：广州海关技术中心
来源：常州精密钢管博客网