拉伸是一種簡單的力學性能試驗,在測試標距內,受力均勻,應力應變及其性能指標測量穩定、可靠、理論計算方便。通過拉伸試驗,可以測定材料彈性變形、塑性變形、和斷裂過程中最基本的力學性能指標,如正彈性模量E、屈服強度σ0.2、屈服點σs、抗拉強度σb、斷后延長率δ及斷面收縮率ψ等。拉伸試驗中獲得的力學性能指標,如E、σ0.2、σs、σb、δ、ψ等,是材料固有的基本屬性和工程設計中的主要依據。
拉伸試驗是金屬力學性能試驗中最常見的試驗,相同的材料通過不同的拉伸試驗過程測量結果不一定相同。都有哪些因素在影響拉伸試驗呢?
材料中因成分、組織、機構、缺陷加工變形等分布不均,使得同一批甚至同一產品不同部位出現差異,因此在切取樣品時,應嚴格按照GB/T-228附錄中的規定執行。
拉伸試樣三維圖
試驗設備直接影響結果數據的準確性和真實性,因此實驗時必須要保證試驗機在檢定的有效期內。如圖,為WDW-50 萬能試驗機,設備定期進行校驗和送檢。
微機控制電子萬能試驗機
試驗方法主要包括夾持方法、拉伸速率,拉伸橫截面積以及式樣尺寸的測量方法,在選擇測量式樣的尺寸時,宜選用外徑千分尺、游標卡尺或矩形樣用游標卡尺。
此外,由于主觀因素和操作技巧的不同,也會對測量結果帶來誤差。因此,檢驗人員應通過嚴格的培訓并按照GB/T 228 標準的方法進行試驗。
對于大多數金屬材料,在彈性變形區域,應力與應變成比例,當繼續增加應力或應變時,在某一點上,應變將不再與施加的應力成比例。
在這一點上,與鄰接的初始原子間的鍵合開始破裂并用一組新的原子進行改造。當這種情況發生時,應力被卸除后材料將不再恢復到原來的狀態,即變形是永久的和不可恢復的。這時材料進入塑性變形區(圖1)。
實際上,很難確定材料從彈性區轉變為塑性區的確切點。如圖2,繪制了應變為0.002的平行線。用該線截斷應力-應變曲線,將屈服的應力確定為屈服強度。屈服強度等于發生明顯塑性變形的應力。大多數材料并不均勻,也不是完美的理想材料,材料的屈服是一個過程,通常伴隨著加工硬化,所以不是一個具體的點。對于多數金屬材料應力-應變曲線看起來類似于圖3所示曲線。當加載開始以后,應力從零開始增加,應變線性增加,直到材料發生屈服以后,曲線開始偏離線性。
繼續增加應力,曲線達到最大值。最大值對應抗拉強度,這是曲線的最大應力值,由圖中的M表示。斷裂點是材料最終斷裂的點,由圖中的F表示。
典型的應力-應變測試裝置、測試樣品幾何形狀如圖4所示。在拉伸試驗期間,樣品被緩慢拉動,同時記錄長度和施加力的變化,記錄力-位移曲線,利用樣品原始長度、標距長度和截面積等信息可以繪制應力-應變曲線。對于可以發生拉伸塑性變形的材料,最常用的有兩類曲線:工程應力-工程應變曲線和真應力-真應變曲線。它們的區別在于計算應力時采用的面積不同,前者用樣品的初始面積,后者用拉伸過程中的實時橫截面積。因此,在應力-應變曲線上,真應力一般比工程應力高。
最常見的拉伸曲線有兩種:其一,有明顯屈服點的拉伸曲線;其二,無明顯屈服點的拉伸曲線。屈服點代表金屬對起始塑性變形的抗力。這是工程技術上最為重要的力學性能指標之一。殘余塑性變形量是重要依據,通常人為地把一定殘留塑性變形量時工程金屬對應的抗力作為屈服強度,也稱為條件屈服強度。即沒有明顯的塑性屈服點,就沒有明顯的屈服強度,要想知道實際金屬的屈服強度就需要一個判定條件,因此就有了條件屈服強度。對于不同的金屬構件,其條件屈服強度對應的殘余變形量不同。對于一些苛刻的金屬構件,其殘余變形量規定應較小,而普通金屬構件條件屈服時對應的殘余變形量則較大。常用的殘余變形量為0.01%,0.05%, 0.1%,0.2%,0.5%和1.0%等。
金屬的屈服是位錯運動的結果,因而金屬的屈服由位錯運動的阻力來決定。對于純金屬,包括點陣阻力、位錯交互作用阻力、位錯與其它缺陷或結構交互作用阻力。在拉伸曲線上的直線段,也即彈性部分對應的面積為彈性能。從彈性變形開始至斷裂過程中,樣品吸收總能量稱為斷裂功,金屬在斷裂前吸收的能量稱為斷裂韌性。實際金屬在拉伸過程中通常伴隨著力學性能的改變,最突出的現象就是加工硬化。金屬的加工硬化有利于避免實際工程構件在過載時突然斷裂,造成災難性后果。金屬塑性變形和形變硬化是保證金屬發生均勻塑性變形的先決條件,這就是說在多晶體金屬中,哪里發生了塑性變形,哪里就得到了強化,然后塑性變形得到抑制,使變形轉移到其它更容易的地方。在實際的拉伸曲線上看,大多數金屬在室溫條件下發生屈服后,在屈服應力作用下,變形不會繼續,繼續變形必須增加阻力。在真應力-真應變曲線上表現為流變應力不斷上升,出現加工硬化現象。這樣的曲線稱為加工硬化曲線。加工硬化指數n是一個重要的塑性指標,它代表材料抵抗繼續變形的能力。最后,談一下應變速率。通常測試的金屬材料的拉伸曲線都是在較低的應變速率下測試獲得的。只有一些特殊金屬構件才需要在較高應變速率下測試其力學性能,即發生高速形變的構件。正常室溫條件下應變速率拉伸,材料的變形主要以位錯的滑移或孿生為主。在拉伸曲線上,即工程應變-工程應變曲線上最大工程應力稱為極限拉應力,也就是抗拉強度。
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