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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(guò)程中連續(xù)記錄力與伸長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(méi)有單位。
原始標(biāo)距(Lo)：施力前的試樣標(biāo)距。
斷后標(biāo)距(Lu)：試樣斷裂后的標(biāo)距。
平行長(zhǎng)度(Lc)：試樣兩頭部或兩夾持部分(不帶頭試樣)之間平行部分的長(zhǎng)度。
斷后伸長(zhǎng)率(A)：是斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)(Lu-Lo)與原始標(biāo)距(Lo)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(So-Su)與原始橫截面積(So)之比的百分率。
最大力(Fm)：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(xiàn)
以低碳鋼的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)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(chēng)為彈性模量。
彈性極限σp與比例極限σe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(duì)應(yīng)的應(yīng)力值稱(chēng)為屈服強(qiáng)度。
強(qiáng)化階段
經(jīng)過(guò)屈服階段后，曲線(xiàn)從C點(diǎn)又開(kāi)始逐漸上升，說(shuō)明要使應(yīng)變?cè)黾?，必須增加?yīng)力，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱(chēng)作強(qiáng)化，CD段稱(chēng)為強(qiáng)化階段（加工硬化）。
曲線(xiàn)最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值記作，稱(chēng)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(guò)程中所能承受的最大拉力。
頸縮階段
曲線(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)，它有屈服階段，但波動(dòng)微小，幾乎成一條直線(xiàn)，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(xiàn)，它無(wú)可見(jiàn)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(xiàn)，它不僅無(wú)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(wú)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(xiàn)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 Lo=kSo1/2 (短比例試樣：k=5.65;長(zhǎng)比例試樣：k=11.3)
非比例試樣 Lo與So1/2 無(wú)關(guān)
圓形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號(hào)
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(zhǎng)試樣L0=10d0
平行長(zhǎng)度LC ≥ L0+d0/2 ，仲裁試驗(yàn)： LC=Lo+2d0
試樣總長(zhǎng)度 Lt 取決于夾持方法，原則上Lt>Lc+4d0
過(guò)渡圓半徑r≥0.75d0
矩形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號(hào)
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=5.65s01/2 ,長(zhǎng)試樣L0=11.3s01/2 ；若L0<15mm，采用非比例試樣
平行長(zhǎng)度LC≥Lo+ 1.5s01/2 ，仲裁試驗(yàn)：LC=Lo+2s01/2
過(guò)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(guò)渡弧半徑r≥20mm
b0=12.5mm，L0=50mm，帶頭LC=75mm，不帶頭LC=87.5mm
b0=20.0mm，L0=80mm，帶頭LC=120mm，不帶頭LC=140mm
b0=25.0mm，L0=50mm，帶頭LC=100mm，不帶頭LC=120mm
經(jīng)過(guò)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(duì)材料性能試驗(yàn)結(jié)果影響較大的3個(gè)因素，被稱(chēng)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(wú)加工硬化，無(wú)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(guò)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(guān)是否符合要求。
試樣原始標(biāo)距一般采用細(xì)劃線(xiàn)或墨線(xiàn)進(jìn)行標(biāo)定，所采用的方法不能影響試樣過(guò)早斷裂。
對(duì)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(xiàn)。
（4）尺寸測(cè)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(cè)量直徑，以各處兩個(gè)方向測(cè)量的直徑的算術(shù)平均值計(jì)算橫截面積;取三處測(cè)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(cè)量寬度和厚度，取三處測(cè)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(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。
萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是用來(lái)針對(duì)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(wàn)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(cè)力機(jī)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)：《GB/T 16491-2008 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)》
夾持裝置用于對(duì)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(cè)定微小塑性變形的長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x。
試驗(yàn)設(shè)備校驗(yàn)：
電子萬(wàn)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(cè)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?cè)囼?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(wàn)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)引伸計(jì)（左）、WDW-100 電子萬(wàn)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(chēng)為材料的剛度，表征金屬材料對(duì)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(lái)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(lái)表征材料對(duì)最大均勻塑性變形的抗力。
上屈服強(qiáng)度：ReH=FeH/S0
下屈服強(qiáng)度：ReL=FeL/S0
抗拉強(qiáng)度：Rm=Fm/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： Rp0.2表示規(guī)定塑性延伸率為0.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力）
硬鋼（高碳鋼）強(qiáng)度高，塑性差，拉伸過(guò)程無(wú)明顯屈服階段，無(wú)法直接測(cè)定屈服強(qiáng)度，用條件屈服強(qiáng)度來(lái)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(lái)。工程上用試件拉斷后遺留下來(lái)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(zhǎng)率A=[(Lu-L0)/L0]×100%，斷面收縮率Z=[(S0-Su)/S0] ×100%。
1.2.4 應(yīng)變硬化
在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線(xiàn)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(kāi)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(kāi)始發(fā)生緊縮時(shí)的最大應(yīng)力σb。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(xiàn)與真應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)對(duì)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(xiàn)下的面積。
1.3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
來(lái)源：材易通
冀公網(wǎng)安備13050002001422號(hào)