加工硬化性能是評價(jià)金屬材料強(qiáng)度與塑性的重要試驗(yàn)指標(biāo)，可反映材料通過進(jìn)一步變形來抵抗外載的能力。一般來說，加工硬化指數(shù)n值越大，材料的均勻變形能力越強(qiáng)，金屬薄板材料的成形性越好，因此n值已成為評價(jià)深沖專用薄板等材料成形性的重要指標(biāo)之一。目前，各類標(biāo)準(zhǔn)體系所引用的加工硬化性能評價(jià)方法均局限于薄板與薄帶的拉伸硬化指數(shù)，包括GB/T 5028—2008《金屬材料 薄板和薄帶 拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)(n值)的測定》、ISO 10275：2020《金屬材料-板材和帶材-拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)的測定》與ASTM E646-16《金屬薄板材拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)(n值)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》等。而T/CSTM 00514—2022《金屬材料 拉伸應(yīng)變硬化性能的測定》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)則有效突破了n值測定的局限性，實(shí)現(xiàn)了在金屬材料拉伸均勻變形過程中，對其強(qiáng)度和塑性制約規(guī)律開展定量與全域化的指標(biāo)表征。

　　1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)存在的問題

　　1.1 結(jié)構(gòu)鋼圓形試樣與3mm厚度以上厚板試樣的n值測定

　　隨著先進(jìn)冶金技術(shù)如TMCP(控軋控冷)以及熱處理工藝的成熟應(yīng)用，n值已不再僅限于薄板和薄帶冷成型領(lǐng)域。針對各類組織強(qiáng)化機(jī)制所主導(dǎo)的金屬材料，n值可以定量表征其優(yōu)異的宏觀強(qiáng)度和塑性，如厚板結(jié)構(gòu)鋼領(lǐng)域常見的細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化與復(fù)相強(qiáng)化等。顯然，厚板材料的試樣形狀、變形特征等與薄板存在差異，這導(dǎo)致了n值的力學(xué)內(nèi)涵與當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)的薄板成形指標(biāo)存在一定歧義。

　　1.2 拉伸瞬時(shí)應(yīng)變硬化指數(shù)的測定

　　現(xiàn)行GB、ISO、ASTM標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)所評測的加工硬化指數(shù)均是在假定金屬薄板符合Hollomon關(guān)系的前提下計(jì)算規(guī)定應(yīng)變范圍內(nèi)的“區(qū)間回歸”n值，即真應(yīng)力-真應(yīng)變在雙對數(shù)坐標(biāo)下的線性回歸斜率。

　　然而，隨著各類強(qiáng)化機(jī)制所主導(dǎo)的先進(jìn)高強(qiáng)鋼板，如DP、TRIP、TWIP鋼，特別是經(jīng)濟(jì)型第三代汽車板QP鋼的廣泛應(yīng)用，Hollomon關(guān)系已不足以準(zhǔn)確表征先進(jìn)高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度和塑性關(guān)系。與此同時(shí)，通過拉伸試驗(yàn)評價(jià)材料的加工硬化性能已成為揭示材料內(nèi)在微觀組織機(jī)制的有效宏觀手段，如拉伸應(yīng)變硬化與相變增塑、殘余奧氏體分?jǐn)?shù)相關(guān)性等。因此，為了定量表征先進(jìn)高強(qiáng)鋼板特有的強(qiáng)化機(jī)制，國際鋼協(xié)汽車輕量化組織在《先進(jìn)高強(qiáng)鋼板應(yīng)用指南》中已明確要求，除傳統(tǒng)n值外，還需評測屈服后均勻變形初始時(shí)刻的瞬時(shí)n值，如n5，即5%應(yīng)變時(shí)刻的瞬時(shí)n值，以及n值隨應(yīng)變變化的關(guān)系曲線。在我國鋼鐵冶金行業(yè)，已有學(xué)者報(bào)道過基于拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，用差分法計(jì)算瞬時(shí)n值的方法。

　　1.3 拉伸應(yīng)變硬化率的測定

　　在重點(diǎn)新材料研發(fā)品種中，對于深海輸油輸氣管線領(lǐng)域中的大變形管線鋼產(chǎn)品、連續(xù)型油管產(chǎn)品、高技術(shù)船舶用鋼領(lǐng)域中的高塑性耐撞型海工用鋼等，由于產(chǎn)品在具備高強(qiáng)度的同時(shí)還要求保持良好的塑性，因此加工硬化性能已成為指導(dǎo)材料研發(fā)應(yīng)用的重要依據(jù)。對于厚板圓形拉伸試樣，目前尚無可引用的硬化性能評價(jià)方法。此外，除應(yīng)變硬化指數(shù)、瞬時(shí)n值外，應(yīng)變硬化率，即實(shí)測真應(yīng)力與真應(yīng)變的一階導(dǎo)函數(shù)，也是評價(jià)材料加工硬化行為的常用指標(biāo)，可用于指示微觀組織特征。

　　2 T/CSTM 00514—2022方法原理及其技術(shù)要求

　　2.1 方法原理

　　T/CSTM 00514—2022標(biāo)準(zhǔn)由“中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟”于2022年2月24日發(fā)布，2022年5月24日實(shí)施，歸口于中國材料與試驗(yàn)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，鋼鐵材料領(lǐng)域委員會(huì)(CSTM/FC01)，主體部分與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5028—2008保持一致，而將現(xiàn)行國標(biāo)7.8條款中“計(jì)算和繪制瞬時(shí)應(yīng)變硬化率-應(yīng)變關(guān)系曲線也是有意義的”擴(kuò)充為該CSTM標(biāo)準(zhǔn)，并有如下新增的技術(shù)內(nèi)容。

　　(1)對于圓形與厚板試樣，論證采用現(xiàn)有區(qū)間回歸n值的測定方法。

　　(2)對于瞬時(shí)n值，假定在一微小應(yīng)變區(qū)間內(nèi)，真應(yīng)力與真應(yīng)變滿足式(1)所示的關(guān)系。

　　對式(1)進(jìn)行微分等價(jià)變換，并變微分為差分，結(jié)果如式(2)所示。

　　真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線的光滑連續(xù)性對式(2)的差分結(jié)果影響較大。一般情況下，由于曲線的毛刺與抖動(dòng)，相鄰兩點(diǎn)間的斜率差分值波動(dòng)較大。此時(shí)可采用類似“數(shù)值平滑算法”進(jìn)行光滑處理，建議優(yōu)先采用T/CSTM 00514—2022 附錄A中介紹的“變帶寬移動(dòng)回歸算法”。

　　對于拉伸應(yīng)變硬化率，即定義應(yīng)變硬化率m，如式(3)所示。

　　任意應(yīng)變時(shí)刻m即為真應(yīng)力對真應(yīng)變的導(dǎo)數(shù)，數(shù)學(xué)上可采用式(2)的差分外加數(shù)值平滑處理，得到拉伸應(yīng)變硬化率隨應(yīng)變的演化關(guān)系曲線。

　　在具體拉伸試驗(yàn)過程中，由試驗(yàn)機(jī)獲得拉伸工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線，應(yīng)根據(jù)評測拉伸應(yīng)變硬化性能的實(shí)際需求預(yù)先確定均勻塑性變形的范圍，再參與后續(xù)計(jì)算。當(dāng)按照T/CSTM 00514—2022測定整個(gè)拉伸均勻變形過程中的瞬時(shí)拉伸應(yīng)變硬化性能時(shí)，應(yīng)設(shè)定均勻塑性應(yīng)變范圍，包含由屈服后拉伸曲線單調(diào)遞增的起始時(shí)刻直至最大力時(shí)刻。按照 式(2)與式(3)，并采用附錄A對差分計(jì)算后的瞬時(shí)n值與m值振蕩曲線進(jìn)行數(shù)值平滑處理，最終獲得可靠的瞬時(shí)拉伸應(yīng)變硬化性能曲線，以及設(shè)定應(yīng)變時(shí)刻的應(yīng)變硬化指數(shù)(ni)與瞬時(shí)硬化率(mi)。與 GB/T 5028—2008 標(biāo)準(zhǔn)中方法A與方法B類似，如試驗(yàn)相關(guān)方協(xié)商一致，可采用不扣除彈性應(yīng)變的真實(shí)應(yīng)變參與計(jì)算。

　　2.2 技術(shù)要求

　　有關(guān)試驗(yàn)設(shè)備的要求，T/CSTM 00514—2022的規(guī)定優(yōu)于GB/T 5028—2008標(biāo)準(zhǔn)。具體如下所示。

　　(1)拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)滿足GB/T 16825.1—2022《金屬材料 靜力單軸試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn) 第1部分：拉力和(或)壓力試驗(yàn)機(jī) 測力系統(tǒng)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》中的1級或優(yōu)于1級的要求，采樣頻率不低于50Hz，試樣的夾持方式應(yīng)符合GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》的規(guī)定。

　　(2)試驗(yàn)機(jī)應(yīng)配備能夠測量標(biāo)距變化的引伸計(jì)，引伸計(jì)的量程應(yīng)能滿足試樣最大變形時(shí)的測量需求。引伸計(jì)應(yīng)滿足GB/T 12160—2019《金屬材料 單軸試驗(yàn)用引伸計(jì)系統(tǒng)的標(biāo)定》標(biāo)準(zhǔn)中的1級或優(yōu)于1級的要求。目前，國內(nèi)外測量n值的拉伸試驗(yàn)機(jī)均配置了等于或優(yōu)于1級的自動(dòng)引伸計(jì)，可跟蹤至試樣斷裂。滿足這一條的試驗(yàn)機(jī)可有效跟蹤標(biāo)距變形，準(zhǔn)確測量屈服后至最大力時(shí)刻整個(gè)過程的應(yīng)變，確保了瞬時(shí)n值與拉伸應(yīng)變硬化率m的準(zhǔn)確測量。

　　(3)采用尺寸測量裝置測量矩形截面試樣平行長度部分的厚度和寬度，或圓形截面試樣平行長度部分的直徑，尺寸測量裝置的分辨力應(yīng)符合GB/T 228.1—2021的規(guī)定。這一條具體針對厚規(guī)格板狀試樣與圓形截面試樣的規(guī)定，并與GB/T 228.1—2021標(biāo)準(zhǔn)中不同類型試樣原始尺寸測量以及GB/T 5028—2008標(biāo)準(zhǔn)中薄板與薄帶原始尺寸測量要求一致。

　　有關(guān)試樣的要求在GB/T 5028—2008標(biāo)準(zhǔn)中僅針對薄板與薄帶材的基礎(chǔ)上，增加“除非另有規(guī)定，板狀試樣厚度應(yīng)是產(chǎn)品的原始厚度。其他類型的試樣宜匹配拉伸試驗(yàn)機(jī)的載荷能力”，進(jìn)一步推廣了拉伸應(yīng)變硬化性能的應(yīng)用領(lǐng)域，原則上能夠測試?yán)鞈?yīng)力-應(yīng)變曲線的試驗(yàn)機(jī)都能應(yīng)用T/CSTM 00514—2022 標(biāo)準(zhǔn)。

　　有關(guān)試驗(yàn)程序的要求與GB/T 5028—2008要求保持一致，由于瞬時(shí)n值及m是GB/T 5028—2008區(qū)間回歸n值的差分化結(jié)果，因此3個(gè)結(jié)果可同步測量，分步解析。如測定瞬時(shí)n值與m時(shí)，建議在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上首先界定需要分析的均勻塑性變形范圍，然后根據(jù)前述章節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)果評價(jià)。

　　3 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的實(shí)際案例

　　3.1 拉伸試驗(yàn)測定厚板試樣與圓棒試樣的n值

　　標(biāo)準(zhǔn)起草單位根據(jù)下游產(chǎn)品規(guī)范，已多年利用拉伸試驗(yàn)機(jī)開展厚板材料的加工硬化指數(shù)測定。綜合國內(nèi)用戶單位反映，n值所反映的拉伸應(yīng)變硬化性能已不再是金屬薄板與薄帶的專有指標(biāo)，各類3mm厚度以上熱軋板甚至數(shù)十毫米厚度的寬厚板產(chǎn)品均已要求提供n值，以確認(rèn)其大變形條件下的強(qiáng)塑性能，如表1與表2所示(表中Rp0.2為拉伸屈服強(qiáng)度，Rm為抗拉強(qiáng)度，Ag為最大力塑性延伸率，A50為斷后伸長率)。在報(bào)告中，板狀試樣的厚度達(dá)11mm，圓形試樣直徑為8.7mm，而在這種試樣條件下，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)體系僅有GB/T 5028—2008供選擇，因此這也反映了該團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

　　3.2 測定瞬時(shí)n值的驗(yàn)證試驗(yàn)

　　由于相變增塑、復(fù)相強(qiáng)化等過程性強(qiáng)化機(jī)制被大量應(yīng)用于高強(qiáng)鋼板的設(shè)計(jì)中，為了準(zhǔn)確表征這些強(qiáng)化動(dòng)力學(xué)過程，國際鋼協(xié)《先進(jìn)高強(qiáng)度鋼應(yīng)用指南》特別強(qiáng)調(diào)了需具備在拉伸均勻變形階段準(zhǔn)確測定瞬時(shí)n值的能力，即評測n值與應(yīng)變的演化曲線。

　　為確認(rèn)T/CSTM 00514—2022標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算瞬時(shí)n值的有效性，工作組從國際鋼協(xié)《先進(jìn)高強(qiáng)度鋼應(yīng)用指南》原文中查詢到了TRIP 350/600相變增塑鋼的原始拉伸曲線。采用人工描點(diǎn)的方式復(fù)制出拉伸原始數(shù)據(jù)，采用T/CSTM 00514—2022標(biāo)準(zhǔn)瞬時(shí)n值的測定方法，結(jié)合“變帶寬移動(dòng)回歸算法”，得到TRIP350/600相變增塑鋼的瞬時(shí)n值-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖1所示。

　　需說明的是，由于人工描點(diǎn)數(shù)據(jù)量有限，因此差分計(jì)算瞬時(shí)n值并光滑處理后曲線仍有振蕩。但從整體趨勢與具體數(shù)值看，T/CSTM 00514—2022標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的結(jié)果與國際鋼協(xié)《先進(jìn)高強(qiáng)度鋼應(yīng)用指南》中TRIP鋼對應(yīng)的瞬時(shí)曲線完全一致。TRIP鋼優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性與其加工硬化性能在整個(gè)均勻變形過程中維持較高水平密切相關(guān)。

　　3.3 測定拉伸應(yīng)變硬化率m的驗(yàn)證試驗(yàn)

　　在材料研究中，經(jīng)常采用“拉伸應(yīng)變硬化率”的概念去表征內(nèi)部的微觀強(qiáng)化過程，如文獻(xiàn)中所報(bào)道的拉伸應(yīng)變硬化率與T/CSTM 00514—2022標(biāo)準(zhǔn)要求一致，定義為真應(yīng)力對真應(yīng)變的一階導(dǎo)數(shù)。另外一篇文獻(xiàn)中給出了一例較為特殊的拉伸應(yīng)變硬化率曲線，揭示出宏觀拉伸強(qiáng)塑性能與顯微組織特征存在多個(gè)特征行為區(qū)。

　　為確認(rèn)T/CSTM 00514—2022標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算拉伸應(yīng)變硬化率的有效性，從文獻(xiàn)中采用人工描點(diǎn)的方式復(fù)制出拉伸原始數(shù)據(jù)，采用該標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)拉伸應(yīng)變硬化率的測定方法，結(jié)合“變帶寬移動(dòng)回歸算法”得到了SMSH-EHEA材料的整個(gè)拉伸應(yīng)變硬化率-真應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖2所示。

　　需要說明的是，由于人工描點(diǎn)數(shù)據(jù)量有限，因此差分計(jì)算拉伸應(yīng)變硬化率m與真應(yīng)變關(guān)系曲線經(jīng)光滑處理后，曲線仍有振蕩，但從整體趨勢與具體數(shù)值上看，標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的曲線形態(tài)特征完全一致。

　　4應(yīng)用前景及其推廣

　　先進(jìn)鋼鐵產(chǎn)品是鋼鐵業(yè)優(yōu)化產(chǎn)能、產(chǎn)業(yè)升級的重要抓手。與此對應(yīng)，力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)則是“研發(fā)-生產(chǎn)-使用”這一產(chǎn)業(yè)鏈上下游、國內(nèi)外企業(yè)共同遵照的程序，在產(chǎn)業(yè)布局中具有重要的指導(dǎo)意義。由于加工硬化性能幾乎是所有金屬材料的共性特征，因此T/CSTM 00514—2022 標(biāo)準(zhǔn)在金屬材料產(chǎn)、學(xué)、研、用上下游，以及關(guān)聯(lián)性行業(yè)應(yīng)用廣泛。

　　拉伸試驗(yàn)是評價(jià)材料性能的基本方法，而對于先進(jìn)拉伸試驗(yàn)機(jī)，我國已具備了完備的制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)、學(xué)、研、用集成度高。T/CSTM 00514—2022團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)在與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5028—2008測定n值保持一致的基礎(chǔ)上，對試驗(yàn)設(shè)備提出了一定的優(yōu)化提升空間，特別是根據(jù)式(2)與式(3)計(jì)算光滑可靠的瞬時(shí)拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)與硬化率曲線，對拉伸試驗(yàn)機(jī)的軟件功能提出了新的需求，是否能在現(xiàn)有拉伸、n值、r值國標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步消化吸收，如T/CSTM 00514—2022標(biāo)準(zhǔn)“變帶寬移動(dòng)回歸算法”等先進(jìn)數(shù)值分析技術(shù)，將能夠進(jìn)一步推動(dòng)我國高端拉伸試驗(yàn)機(jī)行業(yè)的發(fā)展。