GB/T 48350-2026 金属材料 圆环微试样压缩试验 应力-应变曲线和强度的测定

前言

本文件按照 GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

本文件采信中关村材料与试验联盟发布的 T/CSTM 00278—2021《金属材料强度、应力应变关系的圆环压缩试验方法》。

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。

本文件由中国钢铁工业协会提出。

本文件由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC 183)归口。

本文件起草单位:西南交通大学、成都微力特斯科技有限公司、康增特材集团有限公司、江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司、北京农业职业学院、郑州大学、苏州热工研究院有限公司、冶金工业信息标准研究院、北京航空材料研究院股份有限公司、长沙理工大学。

本文件主要起草人:蔡力勋、包陈、郑鸿达、熊青、刘建华、韩光照、余伟炜、李娴、於旻、姜振海、王斌、董莉、刘晓坤、王建国、侯慧宁、徐广涛、郭碧城、彭群家、王翔、陈辉、彭晖。

引言

本文件采信 T/CSTM 00278—2021《金属材料强度、应力应变关系的圆环压缩试验方法》,但改进了数据处理方法,主要体现在:

由力-位移试验曲线直接确定试验材料的实时应力、应变数据;
由应力-应变曲线确定试验材料的应变硬化系数 K 和应变硬化指数n,通过计算确定规定塑性延伸强度及抗拉强度。

1 范围

本文件规定了圆环微型试样(以下简称“圆环试样”)压缩试验方法测定金属材料应力-应变曲线和强度的原理、试验设备、试样、试验条件、试验程序、数据处理及结果和试验报告。

本文件适用于均质、各向同性的金属材料应力-应变曲线、规定塑性延伸强度和抗拉强度的测定。

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/T 228.1 金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法

GB/T 7997 硬质合金 维氏硬度试验方法

GB/T 10623 金属材料 力学性能试验术语

GB/T 12160 金属材料 单轴试验用引伸计系统的标定

GB/T 16825.1 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

3 术语和定义

GB/T 10623界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1 优度 goodness

采用多个圆环试样测得的应力-应变曲线中,单个试样的应力-应变测量曲线与平均应力-应变曲线的接近程度。

3.2 圆环试样位移 displacement of ring specimen

采用引伸计测得的圆环试样在施力方向上产生的压缩位移。

注:以下简称位移。

4 符号和说明

本文件使用的符号及说明见表1。

符号	说明	单位
A^*	圆环试样特征面积	mm2
αm	刚度比	—
B	圆环试样宽度	mm
β	圆环试样宽度效应系数	—
D	圆环试样外直径	mm
d	圆环试样内直径	mm
E	试验材料的弹性模量	MPa
ε	应变	mm/mm
F	施加于圆环试样上的试验力	N
Fu	力-位移曲线初始卸载点的力	N
h0	零点平移截距	mm
hu	经零点修正后的力-位移曲线初始卸载点的位移	mm
hU	未经零点修正的力-位移曲线初始卸载点的位移	mm
K	应变硬化系数	MPa
n	应变硬化指数	—
ρ	圆环的内外径比值d/D	—
Rm	抗拉强度	MPa
Rp	规定塑性延伸强度	MPa
Rp0.2	规定塑性延伸率为0.2%时的强度	MPa
SU	力-位移曲线的卸载刚度	N/mm
σ	应力	MPa

5 原理

采用圆柱压头对圆环试样进行加载、卸载、再加载试验得到力-位移试验曲线。根据力-位移试验曲线的卸载段数据确定试验材料的弹性模量 E,由第二次加载阶段数据确定硬化阶段的应变、应力数据,处理得到完整的应力-应变曲线。对应力-应变曲线回归得到应变硬化系数K 和应变硬化指数n,通过计算确定材料相应的规定塑性延伸强度及抗拉强度

6 试验设备

6.1 试验设备包括试验机、压头、力和位移测量装置等。典型圆环压缩试验设备示意图见图1
6.2 试验机应具备对试样连续施加试验力的能力。

标引序号说明:

1———上圆柱压头;
2———圆环试样;
3———下圆柱压头;
4———位置测量装置。

图1 典型圆环压缩试验设备示意图

6.3 试验一般采用圆柱压头,其他端头为平面的压头可参照本文件。圆柱压头材料一般采用硬质合金,推荐使用碳化钨。压头直径应不小于圆环试样宽度,推荐圆柱压头直径不小于20 mm。

压头应具有下列特性:

按 GB/T 7997测定时,维氏硬度不小于1500 HV10;
上下压头端头平面之间的平行度不超过0.02 mm。
表面粗糙度 Ra 不大于0.8 μm 。

6.4 力传感器的测量准确度应满足 GB/T 16825.1的1级或优于1级准确度要求,引伸计测量准确度应符合 GB/T 12160的1级准确度要求。

6.5 测量圆环试样尺寸的量具分辨力应为1 mm 或优于1 mm。

7 试样

7.1 圆环试样外径应在5 mm~20 mm 范围内,内外径比值应在0.6~0.7范围内,宽度应在 D/10~ /3范围内。圆环试样几何构型示意图见图2。
7.2 试样数量应保证试验获得的有效的应力-应变曲线不少于3个。

图2 圆环试样几何构型示意图

8 试验程序

8.1 除另有规定,试验应在10 ℃~35 ℃的室温进行。对于室温不满足上述要求的实验室,应评估此类环境条件下运行的试验机对试验结果和/或校准数据的影响。当试验和校准活动超过10 ℃~35 ℃的要求时,应记录和报告温度。对温度要求严格的试验,试验温度应为 23^°C ±5^°C 。试验过程中环境温度应保持稳定,且应避免对试验结果造成不利影响的冲击和振动等环境干扰
8.2 在圆环试样上每间隔120°测量试样的外径 D、内径 d 和宽度 B,取三次测量结果的平均值作为最终结果,保留三位有效数字。
8.3 圆环试样按试验机加载方向放置在圆柱压头端头平面中心位置,施加预压力,保证试样与圆柱压头端头平面接触。
8.4 按以下步骤对试样进行加载、卸载、再加载试验:

a) 第一加载阶段以横梁位移控制加载到0.01D~0.03D 范围内,位移速率应为0.1 mm/min~ 0.3 mm/min;
b) 卸载阶段以力控制卸载至 0.2F_u ∼ 0.5F_u ,卸载区数据采集点宜不少于50个;
c) 第二加载阶段以横梁位移控制加载至0.15D,加载速率与第一加载阶段保持一致

8.5 在试验过程中应实时采集位移、试验力试验数据。

9 数据处理及结果

9.1 零点的确定

9.1.1 对于每次试验,均应单独确定零点。在力-位移曲线线性段,应采集足够多的数据点,一般不少于20个数据点。
9.1.2 按图3,采用线性方程拟合力-位移曲线的初始线性段,通过反向延长线确定零点,力-位移曲线在位移坐标轴上的截距即为 h₀

标引符号说明:

abc 首次加载曲线;

cd 卸载曲线;

dc'f 第二次加载曲线;

h₀ 位移零点平移截距,单位为毫米(mm);

F_u ——— 力-位移曲线初始卸载点的力,单位为牛顿(N);

h_U 力-位移曲线初始卸载点的位移,单位为毫米(mm);

X 位移,单位为毫米(mm);

Y 试验力,单位为牛顿(N)。

图3 确定零点示意图

9.1.3 将力-位移试验曲线沿位移坐标轴平移,以力-位移曲线的初始点 (O') 作为新的坐标原点,得到修正后的力-位移曲线。

9.2 弹性模量的确定

弹性模量的确定应按以下步骤进行:

a) 经零点修正后的力-位移曲线卸载阶段的部分曲线 (0.7F_u∼0.95F_u) )可采用公式(1)拟合:

F = q₁ h ^ q₂

式中:

q₁ 拟合参数1;

q₂ 拟合参数2。

b) 将公式(1)对圆环试样在试验力方向所产生的位移 h 求导,并在经零点修正后卸载点位移 h处取值,可得卸载刚度 S_u ,见公式(2):

S_u = q₁ q₂ h_u^q₂ -1(2)

c) 弹性模量按公式(3)计算:

E = (α_m S_u)/(betak₀ D); β = b₁ (B/D)² + b₂ B/D; k₀ = b₃ (1 + ρ) (1 - ρ)^b₄(3)

式中:

α_m 刚度比;

b 圆环宽度效应系数;

k₀ 弹性变形系数;

b₁simb₄ 弹性变形系数,其参考值见表2。

注 1: α_m=0.967 适用于高刚度试验系统。对于刚度较差的试验机,可采用与试验材料相近且已知弹性模量的试样进行圆环压缩预试验,通过式(3)反向标定试验机的刚度比 α。

注2:弹性模量测试示例参见附录 B。

参数	b1	b2	b3	b4
数值	0.365 1	0.928 4	0.570 8	3.198

9.3 应力-应变曲线的确定

9.3.1 由力-位移试验曲线的卸载段根据9.2所述方法确定材料弹性模量 E
9.3.2 在第二次加载阶段位移 h 超过0.03D 时,将硬化阶段的试验力、位移试验数据代入公式(4)分别实时计算应变和应力:

i = (c₁ + c₂ ρ) ((h_i)/D)^c₃ + c₄ ρ + c₅ ρ²; σ_i = (c₆ + c₇ ρ) (P_i)/(betaD²) ((h_i)/D)^{c₈ + c₉ ρ}(4)

式中:

i 试验数据点序号, i=1,2,⋯,m ;

c₁simc₉ 等效变换常数,其值见表3。

注:应力-应变曲线测试示例参见 B.1。

参数	c1	c2	c3	c4	c5	c6	c7	c8	c9
数值	0.825 8	-0.737 1	0.182 9	2.052	-1.457	-42.96	83.32	-0.314 1	0.445 9

9.4 抗拉强度的确定

9.4.1 采用公式(5)拟合9.3.2所确定的应变、应力数据,得到材料的应变硬化系数 K 和应变硬化指数n:

σ = E σ ≤ σ_y; σ = Kⁿ σ > σ_y(5)

式中:

σ_y 参考屈服应力。

9.4.2 抗拉强度 R_m 按公式(6)计算:

R_m = K (n/e)ⁿ (6)

式中:

e ———自然常数。

注:抗拉强度测试示例参见附录 B。

9.4.3 由获得的应力-应变曲线根据 GB/T 228.1确定材料的规定塑性延伸强度 R_p

注:规定塑性延伸强度测试示例参见 B.3。

9.5 试验结果的有效性

9.5.1 将 N 个试样的应力、应变数据参考附录 A 进行等间距插值,得到新的应力、应变数据序列,按公式(7)计算第 k 个试样应力、应变数据曲线与平均应力、应变数据曲线之间的优度 r_k

r_k =1 - √((Σ_I=1^w (σ_I , k^- σ_Im))/(Σ_I=1^w σ_I,k²)) (7)

式中:

w 等间距应变数据点个数;

ε_I 等间距插值后得到的新应变,其中,I=1,2,…,w;

σ_I,k 等间距插值后得到的新应力,其中,=1,2,… , ,=1,2,… , ;

σ_Im N 个试样在相同应变ε
I
下对应的应力平均值。

9.5.2 当所有圆环试样的应力-应变曲线优度不小于0.95时,则试验结果有效。

9.5.3 当存在一个圆环试样的应力-应变曲线优度低于0.95时,且出现如图4所示显著偏离情形,应去除有较大偏离的应力-应变曲线。

注:当两个及以上圆环试样的应力-应变曲线优度低于095时,不同试样的测试应力-应变曲线之间或测试应力-应变曲线与平均应力-应变曲线结果之间存在如图5所示较大分散性。原因可能来自于材料的分散性、试样尺寸测量不准确,数据是否可用,由相关方商定

标引符号说明:

单次应力-应变;

平均应力-应变;

X ——— 应变,单位为毫米每毫米(mm/mm);

Y ——— 应力,单位为兆帕(MPa)。

图4 应力-应变测试结果偏离示例

标引符号说明:

单次应力-应变;

平均应力-应变;

X ——— 应变,单位为毫米每毫米(mm/mm);

Y ——— 应力,单位为兆帕(MPa)。

图5 应力-应变测试结果分散示例

10 试验报告

试验报告应至少包括以下内容:

a) 本文件编号;
b) 试验材料信息;
c) 试样信息,包括取样部位、尺寸、表面状态等;
d) 试验设备;
e) 试验条件;
f) 试验结果;
g) 试验日期,试验、数据分析和校对人员。

附录 A (资料性)

等间距应变序列生成与应力插值方法

对于 N 个试样的应力、应变原始试验数据点 (ε_i,k,σ_i,k)_{i=t,t+1,cdotst+N,M;k=1,2,⋯,N} ,其应变范围为
[ε_t,k,ε_M,k] 。为统一各试样的应变区间,取所有试样起始应变的最大值作为新应变序列的起始值,取所有试样终止应变的最小值作为新应变序列的终止值,见公式(A.1):

ε_start = max_k ε_t,k, ε_end = max_k ε_M,k(1)

式中:

ε_start 等间距插值后得到的新应变序列 ε_I 的起始值;

ε_end 等间距插值后得到的新应变序列 ε_I 的终止值;

ε_t,k 第 个试样的起始应变;

ε_M,k 第 个试样的终止应变。

取定值应变间隔,获得新的应变序列,见公式(A.2):

ε_I = ε_start + (I -1) (ε_end - ε_start)/(w -1)(2)

对于新的应变点 ε_I ,在原始数据中寻找相邻应力、应变数据点 (ε_i,k,σ_i,k),(ε_i+1,k,σ_i+1,k) ,且满足
ε_i,k≤ε_I≤ε_i,k+1 ,则通过线性插值得到对应的应力值 σ_I,k

σ_I,k = σ_i,k + (σ_i+1,k - σ_i,k)/(ε_i+1,k - ε_i,k) (ε_I - ε_i,k)(3)

生成第 k 个试样的应力、应变新数据序列 (ε_I,σ_I,k)_{I=1,2,⋯,w;k=1,2,⋯,N}

附录 B (资料性)

应力-应变曲线和强度测试示例

B.1 应力-应变曲线测试示例

图B.1(a)~(c)给出了多种材料和尺寸圆环试样压缩试验测定的应力-应变曲线,试样尺寸由表B.1列出。

试样	外径 D/mm	内径 d/mm	宽度 B/mm
A1	6	4	1
A2	8	5	1
A3	10	6	1
A4	10	6	2

图 B.1 (a)A508-Ⅲ、Q345E和16MnR

图 B.2 (b)30Cr和P91

图 B.3 (c)7075Al和TC4-DT

B.2 弹性模量测试示例

表 B.2给出了多种材料和尺寸圆环试样压缩试验测定的弹性模量。

材料	试样	拉伸测得模量/GPa	本文件测得圆环试样模量/GPa	相对误差e/%
Q345E	A1	210	209	-0.50
	A2		213	1.4
	A3		209	-0.5
	A4		206	-1.9
16MnR	A1	210	207	-1.4
	A2		209	-0.5
	A3		214	1.9
	A4		206	-1.9

材料	试样	拉伸测得模量/GPa	本文件测得圆环试样模量/GPa	相对误差e/%
A508-III	A1	210	208	-1.0
	A2		202	-3.8
	A3		212	1.0
	A4		207	-1.4
P91	A1	208	211	1.4
	A2		216	3.8
	A3		213	2.4
	A4		211	1.4
30Cr	A1	202	198	-2.0
	A2		206	2.0
	A3		205	1.5
	A4		198	-2.0
TC4-DT	A1	120	119	-0.80
	A2		123	2.5
	A3		124	3.3
	A4		116	-3.3
7075Al	A1	72	73	1.3
	A2		75	4.2
	A3		77	6.9
	A4		76	5.6

B.3 规定塑性延伸强度 R p0.2 测试示例

表 B.3给出了多种材料和尺寸圆环试样压缩试验测定的规定塑性延伸率0.2%时的强度。

材料	试样	拉伸测得 Rp0.2/MPa	本文件测得圆环试样Rp0.2/MPa	相对误差 e/%
16MnR	A1	300	301	0.333
	A2		276	-8.00
	A3		299	-0.333
	A4		309	3.00

材料	试样	拉伸测得Rp0.2/MPa	本文件测得圆环试样Rp0.2/MPa	相对误差e/%
A508-III	A1	511	508	-0.587
	A2		521	1.96
	A3		488	-4.50
	A4		497	-2.74
P91	A1	597	578	-3.18
	A2		591	-1.01
	A3		594	-0.503
	A4		588	-1.51
30Cr	A1	798	800	0.251
	A2		799	0.125
	A3		794	-0.501
	A4		787	-1.38
TC4-DT	A1	804	811	0.871
	A2		818	1.74
	A3		815	1.37
	A4		798	-0.746
7075Al	A1	437	431	-1.37
	A2		439	0.458
	A3		435	-0.458
	A4		422	-3.43

B.4 抗拉强度 R_m 测试示例

表 B.4给出了多种材料和尺寸圆环试样压缩试验测定的抗拉强度。

材料	试样	拉伸测得抗拉强度/MPa	圆环测得抗拉强度/MPa	相对误差e/%
Q345E	A1	585	575	-1.71
	A2		576	-1.54
	A3		578	-1.20
	A4		576	-1.54

材料	试样	拉伸测得抗拉强度/MPa	圆环测得抗拉强度/MPa	相对误差e/%
16MnR	A1	515	505	-1.94
	A2		513	-0.388
	A3		511	-0.777
	A4		506	-1.75
A508-III	A1	656	657	0.152
	A2		661	0.762
	A3		665	1.37
	A4		660	0.610
P91	A1	692	694	0.289
	A2		683	-1.301
	A3		688	-0.578
	A4		682	-1.45
30Cr	A1	886	884	-0.226
	A2		882	-0.452
	A3		882	-0.452
	A4		883	-0.339
TC4-DT	A1	875	865	-1.143
	A2		867	-0.914
	A3		862	-1.49
	A4		872	-0.343
7075Al	A1	519	513	-1.16
	A2		510	-1.73
	A3		498	-4.05
	A4		506	-2.50

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