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材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能

 

1.1 拉伸試驗(yàn)

1.1.1 概述

拉伸試驗(yàn)是標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度判據(jù)和塑性判據(jù)的力學(xué)性能試驗(yàn)。

強(qiáng)度指標(biāo)：彈性極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度；

塑性指標(biāo)：斷后伸長率、斷面收縮率。

 

1.1.2 概念

應(yīng)力：應(yīng)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(yīng)變：是被測試材料尺寸的變化率，它是加載后應(yīng)力引起的尺寸變化。由于應(yīng)變是一個(gè)變化率，所以它沒有單位。

 

原始標(biāo)距(L_o)：施力前的試樣標(biāo)距。

斷后標(biāo)距(L_u)：試樣斷裂后的標(biāo)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(biāo)距的殘余伸長(L_u-L_o)與原始標(biāo)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(qiáng)度：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)。

上屈服強(qiáng)度：試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應(yīng)力。

下屈服強(qiáng)度：在屈服期間，不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低應(yīng)力。

 

1.1.3 拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

以低碳鋼的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線為例。

OB—彈性階段，BC—屈服階段

CD—強(qiáng)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(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)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(shí)際中近似地用比例極限代替彈性極限。

 

 

屈服階段

屈服強(qiáng)度：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)，應(yīng)區(qū)分上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。通常把下屈服點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力值稱為屈服強(qiáng)度。

 

強(qiáng)化階段

經(jīng)過屈服階段后，曲線從C點(diǎn)又開始逐漸上升，說明要使應(yīng)變增加，必須增加應(yīng)力，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱作強(qiáng)化，CD段稱為強(qiáng)化階段（加工硬化）。

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

 

 

頸縮階段

曲線到達(dá)D點(diǎn)，在試件比較薄弱的某一局部(材質(zhì)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(yīng)力-應(yīng)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(chǎn)生縮頸，然后試樣斷裂；

b是中碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，它有屈服階段，但波動(dòng)微小，幾乎成一條直線，均勻塑性變形后產(chǎn)生縮頸，然后試樣斷裂。

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

d是鑄鐵、淬火鋼等較脆材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，它不僅無屈服階段，而且在產(chǎn)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(chǎn)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(biāo)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(guān)

 

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(biāo)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(yàn)： 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(biāo)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(yàn)：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(jīng)過機(jī)加工試樣

 

不經(jīng)機(jī)加工試樣

 

1.1.5 拉伸試驗(yàn)前的準(zhǔn)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(yàn)結(jié)果影響較大的3個(gè)因素，被稱為取樣三要素。

樣坯的切取部位、方向和數(shù)量應(yīng)按照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T2975-2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)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(yàn)；

從產(chǎn)品上的重要部位（最薄弱、最危險(xiǎn)的部位）取樣試驗(yàn)；

以實(shí)物零件直接試驗(yàn)，如、鋼筋、螺栓、螺釘或鏈條等；

以澆注的鑄件試樣直接試驗(yàn)或經(jīng)加工成試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）試樣加工

防止冷變形或受熱而影響其力學(xué)性能。通常以切削加工為宜。

平行段應(yīng)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(yīng)有較大半徑的圓弧過渡；

不經(jīng)機(jī)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(biāo)記

試驗(yàn)前應(yīng)先檢查試樣外觀是否符合要求。

試樣原始標(biāo)距一般采用細(xì)劃線或墨線進(jìn)行標(biāo)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(nèi)涂上快干著色涂料，再輕輕劃上標(biāo)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(biāo)距兩端及中間三處橫截面上相互垂直兩個(gè)方向測量直徑，以各處兩個(gè)方向測量的直徑的算術(shù)平均值計(jì)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(biāo)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(yàn)設(shè)備

拉力試驗(yàn)機(jī)又名萬能材料試驗(yàn)機(jī)。

萬能試驗(yàn)機(jī)是用來針對各種材料進(jìn)行儀器設(shè)備靜載、拉伸、壓縮、彎曲、剪切、撕裂、剝離等力學(xué)性能試驗(yàn)用的機(jī)械加力的試驗(yàn)機(jī)。萬能試驗(yàn)機(jī)組成：加載機(jī)構(gòu)、夾樣機(jī)構(gòu)、記錄機(jī)構(gòu)、測力機(jī)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)：《GB/T 16491-2008 電子萬能試驗(yàn)機(jī)》

 

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

 

試驗(yàn)設(shè)備校驗(yàn)：

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

引伸計(jì)：《GB/T 12160-2002 單軸試驗(yàn)用引伸計(jì)的標(biāo)定》

 

電子萬能試驗(yàn)機(jī)及其構(gòu)造

 

氣動(dòng)夾具（左）、液壓夾具（右）

 

CSS2210 電子萬能試驗(yàn)機(jī)引伸計(jì)（左）、WDW-100 電子萬能試驗(yàn)機(jī)引伸計(jì)（右）

 

1.1.7 拉伸試驗(yàn)步驟

1.2 性能指標(biāo)

1.2.1 彈性

彈性模量E（E=σ/ε）表征材料抵抗正應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)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(qiáng)度

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

上屈服強(qiáng)度：R_eH=F_eH/S₀

下屈服強(qiáng)度：R_eL=F_eL/S₀

抗拉強(qiáng)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(qiáng)度： R_p0.2表示規(guī)定塑性延伸率為0.2%時(shí)對應(yīng)的應(yīng)力）

 

硬鋼（高碳鋼）強(qiáng)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(qiáng)度，用條件屈服強(qiáng)度來代替屈服強(qiáng)度。

 

1.2.3 塑性

金屬材料斷裂前所產(chǎn)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(biāo)。

常用的塑性指標(biāo)有兩個(gè)：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(yīng)變硬化

在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線中，應(yīng)力與應(yīng)變之間符合Hollomon關(guān)系，即S=Keⁿ（n為加工硬化指數(shù)或應(yīng)變硬化指數(shù)）。

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

工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線與真應(yīng)力應(yīng)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(xué)性能指標(biāo)，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(shí)單位體積材料斷裂前所吸收的功，是強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。韌度為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積。

 

1.3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

 

 

來源：材易通