加工硬化性能是评价金属材料强度与塑性的重要试验指标，可反映材料通过进一步变形来抵抗外载的能力。一般来说，加工硬化指数n值越大，材料的均匀变形能力越强，金属薄板材料的成形性越好，因此n值已成为评价深冲专用薄板等材料成形性的重要指标之一。目前，各类标准体系所引用的加工硬化性能评价方法均局限于薄板与薄带的拉伸硬化指数，包括GB/T 5028—2008《金属材料 薄板和薄带 拉伸应变硬化指数（n值）的测定》、ISO 10275：2020《金属材料-板材和带材-拉伸应变硬化指数的测定》与ASTM E646-16《金属薄板材拉伸应变硬化指数（n值）的标准试验方法》等。而T/CSTM 00514—2022《金属材料 拉伸应变硬化性能的测定》团体标准则有效突破了n值测定的局限性，实现了在金属材料拉伸均匀变形过程中，对其强度和塑性制约规律开展定量与全域化的指标表征。

1 、现行标准存在的问题

1.1 结构钢圆形试样与3mm厚度以上厚板试样的n值测定

     随着先进冶金技术如TMCP（控轧控冷）以及热处理工艺的成熟应用，n值已不再仅限于薄板和薄带冷成型领域。针对各类组织强化机制所主导的金属材料，n值可以定量表征其优异的宏观强度和塑性，如厚板结构钢领域常见的细晶强化、析出强化、固溶强化与复相强化等。显然，厚板材料的试样形状、变形特征等与薄板存在差异，这导致了n值的力学内涵与当前标准体系内的薄板成形指标存在一定歧义。

1.2 拉伸瞬时应变硬化指数的测定

      现行GB、ISO、ASTM标准体系内所评测的加工硬化指数均是在假定金属薄板符合Hollomon关系的前提下计算规定应变范围内的“区间回归”n值，即真应力-真应变在双对数坐标下的线性回归斜率。

      然而，随着各类强化机制所主导的先进高强钢板，如DP、TRIP、TWIP钢，特别是经济型第三代汽车板QP钢的广泛应用，Hollomon关系已不足以准确表征先进高强钢的强度和塑性关系。与此同时，通过拉伸试验评价材料的加工硬化性能已成为揭示材料内在微观组织机制的有效宏观手段，如拉伸应变硬化与相变增塑、残余奥氏体分数相关性等。因此，为了定量表征先进高强钢板特有的强化机制，国际钢协汽车轻量化组织在《先进高强钢板应用指南》中已明确要求，除传统n值外，还需评测屈服后均匀变形初始时刻的瞬时n值，如n5，即5%应变时刻的瞬时n值，以及n值随应变变化的关系曲线。在我国钢铁冶金行业，已有学者报道过基于拉伸应力-应变曲线，用差分法计算瞬时n值的方法。

1.3 拉伸应变硬化率的测定

     在重点新材料研发品种中，对于深海输油输气管线领域中的大变形管线钢产品、连续型油管产品、高技术船舶用钢领域中的高塑性耐撞型海工用钢等，由于产品在具备高强度的同时还要求保持良好的塑性，因此加工硬化性能已成为指导材料研发应用的重要依据。对于厚板圆形拉伸试样，目前尚无可引用的硬化性能评价方法。此外，除应变硬化指数、瞬时n值外，应变硬化率，即实测真应力与真应变的一阶导函数，也是评价材料加工硬化行为的常用指标，可用于指示微观组织特征。

2 、T/CSTM 00514—2022方法原理及其技术要求

2.1 方法原理

     T/CSTM 00514—2022标准由“中关村材料试验技术联盟”于2022年2月24日发布，2022年5月24日实施，归口于中国材料与试验团体标准委员会，钢铁材料领域委员会（CSTM/FC01），主体部分与现行国家标准GB/T 5028—2008保持一致，而将现行国标7.8条款中“计算和绘制瞬时应变硬化率-应变关系曲线也是有意义的”扩充为该CSTM标准，并有如下新增的技术内容。

   （1）对于圆形与厚板试样，论证采用现有区间回归n值的测定方法。

   （2）对于瞬时n值，假定在一微小应变区间内，真应力与真应变满足式（1）所示的关系。

    对式（1）进行微分等价变换，并变微分为差分，结果如式（2）所示。

     真应力-真应变曲线的光滑连续性对式（2）的差分结果影响较大。一般情况下，由于曲线的毛刺与抖动，相邻两点间的斜率差分值波动较大。此时可采用类似“数值平滑算法”进行光滑处理，建议优先采用T/CSTM 00514—2022 附录A中介绍的“变带宽移动回归算法”。

     对于拉伸应变硬化率，即定义应变硬化率m，如式（3）所示。

     任意应变时刻m即为真应力对真应变的导数，数学上可采用式（2）的差分外加数值平滑处理，得到拉伸应变硬化率随应变的演化关系曲线。

     在具体拉伸试验过程中，由试验机获得拉伸工程应力-工程应变曲线，应根据评测拉伸应变硬化性能的实际需求预先确定均匀塑性变形的范围，再参与后续计算。当按照T/CSTM 00514—2022测定整个拉伸均匀变形过程中的瞬时拉伸应变硬化性能时，应设定均匀塑性应变范围，包含由屈服后拉伸曲线单调递增的起始时刻直至最大力时刻。按照 式（2）与式（3），并采用附录A对差分计算后的瞬时n值与m值振荡曲线进行数值平滑处理，最终获得可靠的瞬时拉伸应变硬化性能曲线，以及设定应变时刻的应变硬化指数（ni）与瞬时硬化率（mi）。与 GB/T 5028—2008 标准中方法A与方法B类似，如试验相关方协商一致，可采用不扣除弹性应变的真实应变参与计算。

2.2 技术要求

     有关试验设备的要求，T/CSTM 00514—2022的规定优于GB/T 5028—2008标准。具体如下所示。

   （1）拉伸试验机应满足GB/T 16825.1—2022《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》中的1级或优于1级的要求，采样频率不低于50Hz，试样的夹持方式应符合GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》的规定。

    （2）试验机应配备能够测量标距变化的引伸计，引伸计的量程应能满足试样最大变形时的测量需求。引伸计应满足GB/T 12160—2019《金属材料 单轴试验用引伸计系统的标定》标准中的1级或优于1级的要求。目前，国内外测量n值的拉伸试验机均配置了等于或优于1级的自动引伸计，可跟踪至试样断裂。满足这一条的试验机可有效跟踪标距变形，准确测量屈服后至最大力时刻整个过程的应变，确保了瞬时n值与拉伸应变硬化率m的准确测量。

    （3）采用尺寸测量装置测量矩形截面试样平行长度部分的厚度和宽度，或圆形截面试样平行长度部分的直径，尺寸测量装置的分辨力应符合GB/T 228.1—2021的规定。这一条具体针对厚规格板状试样与圆形截面试样的规定，并与GB/T 228.1—2021标准中不同类型试样原始尺寸测量以及GB/T 5028—2008标准中薄板与薄带原始尺寸测量要求一致。

     有关试样的要求在GB/T 5028—2008标准中仅针对薄板与薄带材的基础上，增加“除非另有规定，板状试样厚度应是产品的原始厚度。其他类型的试样宜匹配拉伸试验机的载荷能力”，进一步推广了拉伸应变硬化性能的应用领域，原则上能够测试拉伸应力-应变曲线的试验机都能应用T/CSTM 00514—2022 标准。

     有关试验程序的要求与GB/T 5028—2008要求保持一致，由于瞬时n值及m是GB/T 5028—2008区间回归n值的差分化结果，因此3个结果可同步测量，分步解析。如测定瞬时n值与m时，建议在拉伸应力-应变曲线上首先界定需要分析的均匀塑性变形范围，然后根据前述章节进行相应的结果评价。

3 、标准应用的实际案例

3.1 拉伸试验测定厚板试样与圆棒试样的n值

      标准起草单位根据下游产品规范，已多年利用拉伸试验机开展厚板材料的加工硬化指数测定。综合国内用户单位反映，n值所反映的拉伸应变硬化性能已不再是金属薄板与薄带的专有指标，各类3mm厚度以上热轧板甚至数十毫米厚度的宽厚板产品均已要求提供n值，以确认其大变形条件下的强塑性能，如表1与表2所示（表中Rp0.2为拉伸屈服强度，Rm为抗拉强度，Ag为最大力塑性延伸率，A50为断后伸长率）。在报告中，板状试样的厚度达11mm，圆形试样直径为8.7mm，而在这种试样条件下，现有标准体系仅有GB/T 5028—2008供选择，因此这也反映了该团体标准具有较为广阔的应用前景。

3.2 测定瞬时n值的验证试验

     由于相变增塑、复相强化等过程性强化机制被大量应用于高强钢板的设计中，为了准确表征这些强化动力学过程，国际钢协《先进高强度钢应用指南》特别强调了需具备在拉伸均匀变形阶段准确测定瞬时n值的能力，即评测n值与应变的演化曲线。

     为确认T/CSTM 00514—2022标准计算瞬时n值的有效性，工作组从国际钢协《先进高强度钢应用指南》原文中查询到了TRIP 350/600相变增塑钢的原始拉伸曲线。采用人工描点的方式复制出拉伸原始数据，采用T/CSTM 00514—2022标准瞬时n值的测定方法，结合“变带宽移动回归算法”，得到TRIP350/600相变增塑钢的瞬时n值-应变关系曲线，如图1所示。

     需说明的是，由于人工描点数据量有限，因此差分计算瞬时n值并光滑处理后曲线仍有振荡。但从整体趋势与具体数值看，T/CSTM 00514—2022标准计算得到的结果与国际钢协《先进高强度钢应用指南》中TRIP钢对应的瞬时曲线完全一致。TRIP钢优异的强度和塑性与其加工硬化性能在整个均匀变形过程中维持较高水平密切相关。

3.3 测定拉伸应变硬化率m的验证试验

     在材料研究中，经常采用“拉伸应变硬化率”的概念去表征内部的微观强化过程，如文献中所报道的拉伸应变硬化率与T/CSTM 00514—2022标准要求一致，定义为真应力对真应变的一阶导数。另外一篇文献中给出了一例较为特殊的拉伸应变硬化率曲线，揭示出宏观拉伸强塑性能与显微组织特征存在多个特征行为区。

     为确认T/CSTM 00514—2022标准计算拉伸应变硬化率的有效性，从文献中采用人工描点的方式复制出拉伸原始数据，采用该标准有关拉伸应变硬化率的测定方法，结合“变带宽移动回归算法”得到了SMSH-EHEA材料的整个拉伸应变硬化率-真应变关系曲线，如图2所示。

     需要说明的是，由于人工描点数据量有限，因此差分计算拉伸应变硬化率m与真应变关系曲线经光滑处理后，曲线仍有振荡，但从整体趋势与具体数值上看，标准计算得到的结果与文献报道的曲线形态特征完全一致。

4、应用前景及其推广

     先进钢铁产品是钢铁业优化产能、产业升级的重要抓手。与此对应，力学标准则是“研发-生产-使用”这一产业链上下游、国内外企业共同遵照的程序，在产业布局中具有重要的指导意义。由于加工硬化性能几乎是所有金属材料的共性特征，因此T/CSTM 00514—2022 标准在金属材料产、学、研、用上下游，以及关联性行业应用广泛。

     拉伸试验是评价材料性能的基本方法，而对于先进拉伸试验机，我国已具备了完备的制造业产业链，产、学、研、用集成度高。T/CSTM 00514—2022团体标准在与现行国家标准GB/T 5028—2008测定n值保持一致的基础上，对试验设备提出了一定的优化提升空间，特别是根据式（2）与式（3）计算光滑可靠的瞬时拉伸应变硬化指数与硬化率曲线，对拉伸试验机的软件功能提出了新的需求，是否能在现有拉伸、n值、r值国标要求的基础上，进一步消化吸收，如T/CSTM 00514—2022标准“变带宽移动回归算法”等先进数值分析技术，将能够进一步推动我国高端拉伸试验机行业的发展。

作者：方健，李和田，张建伟

单位：宝山钢铁股份有限公司 中央研究院

来源：《理化检验-物理分册》2024年第10期