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材料在單向靜拉伸載荷下的力學性能

 

1.1 拉伸試驗

1.1.1 概述

拉伸試驗是標準拉伸試樣在靜態(tài)軸向拉伸力不斷作用下以規(guī)定的拉伸速度拉至斷裂，并在拉伸過程中連續(xù)記錄力與伸長量，從而求出其強度判據(jù)和塑性判據(jù)的力學性能試驗。

強度指標：彈性極限、屈服強度、抗拉強度；

塑性指標：斷后伸長率、斷面收縮率。

 

1.1.2 概念

應力：應力是在它所作用面積上的力，用N/mm²表示，在米制單位中，用千帕（kPa）或兆帕（MPa）表示。    

                  

應變：是被測試材料尺寸的變化率，它是加載后應力引起的尺寸變化。由于應變是一個變化率，所以它沒有單位。

 

原始標距(L_o)：施力前的試樣標距。

斷后標距(L_u)：試樣斷裂后的標距。

平行長度(L_c)：試樣兩頭部或兩夾持部分(不帶頭試樣)之間平行部分的長度。

斷后伸長率(A)：是斷后標距的殘余伸長(L_u-L_o)與原始標距(L_o)之比的百分率。

斷面收縮率(Z)：斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量(S_o-S_u)與原始橫截面積(^So)之比的百分率。

最大力(F_m)：試樣在屈服階段之后所能抵抗的最大力。

屈服強度：當金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗期間達到塑性變形發(fā)生而力不增加的應力點。

上屈服強度：試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應力。

下屈服強度：在屈服期間，不計初始瞬時效應時的最低應力。

 

1.1.3 拉伸應力-應變曲線

以低碳鋼的拉伸應力—應變曲線為例。

OB—彈性階段，BC—屈服階段

CD—強化階段，DE—頸縮階段

 

 

試樣在各階段變化的示意圖

 

彈性階段

金屬材料在彈性變形階段，其應力和應變成正比例關系，符合胡克定律，即 σ= E·ε，其比例系數(shù)E稱為彈性模量。

彈性極限σ_p與比例極限σ_e非常接近，工程實際中近似地用比例極限代替彈性極限。

 

 

屈服階段

屈服強度：當金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗期間達到塑性變形發(fā)生而力不增加的應力點，應區(qū)分上屈服強度和下屈服強度。通常把下屈服點對應的應力值稱為屈服強度。

 

強化階段

經過屈服階段后，曲線從C點又開始逐漸上升，說明要使應變增加，必須增加應力，材料又恢復了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱作強化，CD段稱為強化階段（加工硬化）。

曲線最高點所對應的應力值記作，稱為材料的抗拉強度(或強度極限)，它是衡量材料強度的又一個重要指標。 強度極限是材料在整個拉伸過程中所能承受的最大拉力。

 

 

頸縮階段

曲線到達D點，在試件比較薄弱的某一局部(材質不均勻或有缺陷處)，變形顯著增加，有效橫截面急劇減小，出現(xiàn)了縮頸現(xiàn)象。此后，試件的軸向變形主要集中在頸縮處，試件最后在頸縮處被拉斷。

 

 

 

 

a是低碳鋼的應力-應變曲線，它有鋸齒狀的屈服階段，分上下屈服，均勻塑性變形后產生縮頸，然后試樣斷裂；

b是中碳鋼的應力-應變曲線，它有屈服階段，但波動微小，幾乎成一條直線，均勻塑性變形后產生縮頸，然后試樣斷裂。

c是淬火后低、中溫回火鋼的應力-應變曲線，它無可見的屈服階段，均勻塑性變形后產生縮頸，然后試樣斷裂；

d是鑄鐵、淬火鋼等較脆材料的應力-應變曲線，它不僅無屈服階段，而且在產生少量均勻塑性變形后就突然斷裂。

 

1.1.4 拉伸試樣形狀及尺寸

拉伸試樣的一般形狀

 

需要加工制樣：壓制坯、鑄錠、無恒定截面的產品；

不需加工制樣：有恒定橫截面的型材、棒材、線材、鑄造試樣；

橫截面的形狀：圓形、矩形、多邊形、環(huán)形，其他形狀；

試樣的原始標距：

比例試樣  L_o=kS_o^1/2   (短比例試樣：k=5.65;長比例試樣：k=11.3)

非比例試樣  L_o與S_o^1/2 無關

 

圓形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號

比例試樣尺寸

原始直徑d₀：3、5、6、8、10、15、20、25，優(yōu)先采用5、10、20mm

原始標距L₀≥15mm，短試樣（優(yōu)先） L₀=5d₀ ，長試樣L₀=10d₀

平行長度L_C ≥ L₀+d₀/2 ，仲裁試驗： L_C=L_o+2d₀

試樣總長度 L_t 取決于夾持方法，原則上L_t>L_c+4d₀

過渡圓半徑r≥0.75d₀

 

 

矩形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號

 

 

矩形截面非比例試樣

原始厚度b₀>3mm

原始標距L₀：短試樣(優(yōu)先) L₀=5.65s₀^1/2 ,長試樣L₀=11.3s₀^1/2 ；若L₀<15mm，采用非比例試樣

平行長度L_C≥L_o+ 1.5s₀^1/2 ，仲裁試驗：L_C=L_o+2s₀^1/2

過渡圓半徑r≥12mm.

 

薄板非比例試樣

 

原始寬度b₀=12.5、20、25mm

頭部寬度≥1.2b₀

過渡弧半徑r≥20mm

b₀=12.5mm，L₀=50mm，帶頭L_C=75mm，不帶頭L_C=87.5mm

b₀=20.0mm，L₀=80mm，帶頭L_C=120mm，不帶頭L_C=140mm

b₀=25.0mm，L₀=50mm，帶頭L_C=100mm，不帶頭L_C=120mm

 

 

經過機加工試樣

 

不經機加工試樣

 

1.1.5 拉伸試驗前的準備

（1）取樣與制樣

取樣部位、取樣方向、取樣數(shù)量是對材料性能試驗結果影響較大的3個因素，被稱為取樣三要素。

樣坯的切取部位、方向和數(shù)量應按照相關產品標準GB/T2975-2018《鋼及鋼產品力學性能取樣位置及試樣制備》或協(xié)議的規(guī)定。

取樣方法

從原材料（型材、棒材、板材、管材、絲材、帶材等）上直接取樣試驗；

從產品上的重要部位（最薄弱、最危險的部位）取樣試驗；

以實物零件直接試驗，如、鋼筋、螺栓、螺釘或鏈條等；

以澆注的鑄件試樣直接試驗或經加工成試樣進行試驗。

（2）試樣加工

防止冷變形或受熱而影響其力學性能。通常以切削加工為宜。

平行段應光滑，無加工硬化，無缺口、刀痕、毛刺等缺陷；

脆性材料夾持部分與平行段應有較大半徑的圓弧過渡；

不經機加工鑄件試樣表面上的夾砂、夾渣、毛刺、飛邊等必須加以清除。

（3）試樣檢查、標記

試驗前應先檢查試樣外觀是否符合要求。

試樣原始標距一般采用細劃線或墨線進行標定，所采用的方法不能影響試樣過早斷裂。

對于特薄或脆性材料，可在試樣平行段內涂上快干著色涂料，再輕輕劃上標線。

（4）尺寸測量（試樣的原始橫截面積）

圓形截面試樣：圓形在標距兩端及中間三處橫截面上相互垂直兩個方向測量直徑，以各處兩個方向測量的直徑的算術平均值計算橫截面積;取三處測得橫截面積平均值作為試樣原始橫截面積。（S₀=1/4πd₀²）

矩形截面試樣：在標距兩端及中間三處橫截面上測量寬度和厚度，取三處測得橫截面積平均值作為試樣原始橫截面積。（S₀=a₀×b₀）

 

1.1.6 拉伸試驗設備

拉力試驗機又名萬能材料試驗機。

萬能試驗機是用來針對各種材料進行儀器設備靜載、拉伸、壓縮、彎曲、剪切、撕裂、剝離等力學性能試驗用的機械加力的試驗機。萬能試驗機組成：加載機構、夾樣機構、記錄機構、測力機構。標準：《GB/T 16491-2008 電子萬能試驗機》

 

夾持裝置用于對不同形狀、尺寸和材質的試樣能順利進行試驗。引伸計用于測定微小塑性變形的長度測量儀。

 

試驗設備校驗：

電子萬能試驗機：《GB/T 16825.1-2008 靜力單軸試驗機的檢驗 第1部分：拉力和壓力試驗機測力系統(tǒng)的檢驗與校準》、《GB/T 16825.2-2005靜力單軸試驗機的檢驗 第2部分：拉力蠕變試驗機 施加力的檢驗》

引伸計：《GB/T 12160-2002 單軸試驗用引伸計的標定》

 

電子萬能試驗機及其構造

 

氣動夾具（左）、液壓夾具（右）

 

CSS2210 電子萬能試驗機引伸計（左）、WDW-100 電子萬能試驗機引伸計（右）

 

1.1.7 拉伸試驗步驟

1.2 性能指標

1.2.1 彈性

彈性模量E（E=σ/ε）表征材料抵抗正應變的能力。工程上彈性模量被稱為材料的剛度，表征金屬材料對彈性變形的抗力，其值越大，則在相同的應力狀態(tài)下產生的彈性變形量越小。

比彈性模量為彈性模量與密度的比值。

 

1.2.2 強度

材料強度的大小通常用單位面積上所承受的力來表示。（單位：Pa、MPa、N/m²）

抗拉強度（或強度極限）是指試件斷裂前所能承受的最大工程應力，用來表征材料對最大均勻塑性變形的抗力。

上屈服強度：R_eH=F_eH/S₀

下屈服強度：R_eL=F_eL/S₀

抗拉強度：R_m=F_m/S₀

 

oa——總變形；ba—彈性變形99.8%；塑性變形0.2%

（條件屈服強度： R_p0.2表示規(guī)定塑性延伸率為0.2%時對應的應力）

 

硬鋼（高碳鋼）強度高，塑性差，拉伸過程無明顯屈服階段，無法直接測定屈服強度，用條件屈服強度來代替屈服強度。

 

1.2.3 塑性

金屬材料斷裂前所產生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分組成。試樣拉伸至頸縮前的塑性變形是均勻塑性變形，頸縮后頸縮區(qū)的塑性變形是集中塑性變形。

試件拉斷后，彈性變形消失，但塑性變形仍保留下來。工程上用試件拉斷后遺留下來的變形表示材料的塑性指標。

常用的塑性指標有兩個：斷后伸長率A=[(L_u-L₀)/L₀]×100%，斷面收縮率Z=[(S₀-S_u)/S₀] ×100%。

 

 

1.2.4 應變硬化

在真應力-真應變曲線中，應力與應變之間符合Hollomon關系，即S=Keⁿ（n為加工硬化指數(shù)或應變硬化指數(shù)）。

應變硬化指數(shù)n反映了材料開始屈服后，繼續(xù)變形時材料的應變硬化情況，它決定了材料開始發(fā)生緊縮時的最大應力σ_b。形變硬化是提高材料強度的重要手段。

工程應力-應變曲線與真應力應變曲線對比

 

1.2.5 韌性

韌性是指材料在斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。

韌度是度量材料韌性的力學性能指標，分為靜力韌度、沖擊韌度和斷裂韌度。

靜力韌度是指金屬材料在靜拉伸時單位體積材料斷裂前所吸收的功，是強度和塑性的綜合指標。韌度為應力-應變曲線下的面積。

 

1.3 相關標準

 

 

來源：材易通