材料力学性能之常温拉伸力学性能

01

1.1 拉伸试验

1.1.1 概述

拉伸试验是标准拉伸试样在静态轴向拉伸力不断作用下以规定的拉伸速度拉至断裂,并在拉伸过程中连续记录力与伸长量,从而求出其强度判据和塑性判据的力学性能试验。

强度指标:弹性极限、屈服强度、抗拉强度

塑性指标:断后伸长率、断面收缩率

1.1.2 概念

应力:应力是在它所作用面积上的力,用N/mm

2

表示,在米制单位中,用千帕(kPa)或兆帕(MPa)表示。

应变:是被测试材料尺寸的变化率,它是加载后应力引起的尺寸变化。由于应变是一个变化率,所以它没有单位。

原始标距(L

o

):施力前的试样标距。

断后标距(L

u

):试样断裂后的标距。

平行长度(L

c

):试样两头部或两夹持部分(不带头试样)之间平行部分的长度。

断后伸长率(A):是断后标距的残余伸长(L

u

-L

o

)与原始标距(L

o

)
之比的百分率。

断面收缩率(Z):断裂后试样横截面积的最大缩减量(S

o

-S

u

)与原始横截面积(

So

)
之比的百分率。

最大力(F

m

):试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力。

屈服强度:当金属材料呈现屈服现象时,在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。

上屈服强度:试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。

下屈服强度:在屈服期间,不计初始瞬时效应时的最低应力。

1.1.3 拉伸应力-应变曲线

以低碳钢的拉伸应力应变曲线为例。

OB—弹性阶段,BC—屈服阶段

CD—强化阶段,DE—颈缩阶段

试样在各阶段变化的示意图

弹性阶段

金属材料在弹性变形阶段,其应力和应变成正比例关系,符合胡克定律,即 σ= E·ε,其比例系数E称为弹性模量。

弹性极限σ

p

与比例极限σ

e

非常接近,工程实际中近似地用比例极限代替弹性极限。

屈服阶段

屈服强度:当金属材料呈现屈服现象时,在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点,应区分上屈服强度和下屈服强度。通常把下屈服点对应的应力值称为屈服强度。

强化阶段

经过屈服阶段后,曲线从C点又开始逐渐上升,说明要使应变增加,必须增加应力,材料又恢复了抵抗变形的能力,这种现象称作强化,CD段称为强化阶段(加工硬化)。

曲线最高点所对应的应力值记作,称为材料的抗拉强度(或强度极限),它是衡量材料强度的又一个重要指标。 强度极限是材料在整个拉伸过程中所能承受的最大拉力。

颈缩阶段

曲线到达D点,在试件比较薄弱的某一局部(材质不均匀或有缺陷处),变形显著增加,有效横截面急剧减小,出现了缩颈现象。此后,试件的轴向变形主要集中在颈缩处,试件最后在颈缩处被拉断。

a低碳钢的应力-应变曲线,它有锯齿状的屈服阶段,分上下屈服,均匀塑性变形后产生缩颈,然后试样断裂;

b中碳钢的应力-应变曲线,它有屈服阶段,但波动微小,几乎成一条直线,均匀塑性变形后产生缩颈,然后试样断裂。

c淬火后低、中温回火钢的应力-应变曲线,它无可见的屈服阶段,均匀塑性变形后产生缩颈,然后试样断裂;

d铸铁、淬火钢等较脆材料的应力-应变曲线,它不仅无屈服阶段,而且在产生少量均匀塑性变形后就突然断裂。

1.1.4 拉伸试样形状及尺寸

拉伸试样的一般形状

需要加工制样:压制坯、铸锭、无恒定截面的产品;

不需加工制样:有恒定横截面的型材、棒材、线材、铸造试样;

横截面的形状:圆形、矩形、多边形、环形,其他形状;

试样的原始标距:

比例试样  L

o

=kS

o

1/2 

 
(短比例试样:k=5.65;长比例试样:k=11.3)

非比例试样  L

o

与S

o

1/2

无关

圆形横截面拉伸试样的形状和尺寸符号

比例试样尺寸

原始直径d

0

:3、5、6、8、10、15、20、25,优先采用5、10、20mm

原始标距L

0

≥15mm,短试样(优先) L

0

=5d

0

,长试样L

0

=10d

0

平行长度L

C

≥ L

0

+d

0

/2,仲裁试验: L

C

=L

o

+2d

0

试样总长度 L

t

取决于夹持方法,原则上L

t

>L

c

+4d

0

过渡圆半径r≥0.75d

0

矩形横截面拉伸试样的形状和尺寸符号

矩形截面非比例试样

原始厚度b

0

>3mm

原始标距L

0

:短试样(优先) L

0

=5.65s

0

1/2

,长试样L

0

=11.3s

0

1/2

L

0

<15mm
,采用非比例试样

平行长度L

C

≥L

o

+1.5s

0

1/2

,仲裁试验:L

C

=L

o

+2s

0

1/2

过渡圆半径r≥12mm.

薄板非比例试样

原始宽度b

0

=12.5、20、25mm

头部宽度≥1.2b

0

过渡弧半径r≥20mm

b

0

=12.5mm,L

0

=50mm
,带头L

C

=75mm
,不带头L

C

=87.5mm

b

0

=20.0mm,L

0

=80mm
,带头L

C

=120mm
,不带头L

C

=140mm

b

0

=25.0mm,L

0

=50mm
,带头L

C

=100mm
,不带头L

C

=120mm

经过机加工试样

不经机加工试样

1.1.5 拉伸试验前的准备

1)取样与制样

取样部位、取样方向、取样数量是对材料性能试验结果影响较大的3个因素,被称为取样三要素。

样坯的切取部位、方向和数量应按照相关产品标准GB/T2975-2018《钢及钢产品力学性能取样位置及试样制备》或协议的规定。

取样方法

从原材料(型材、棒材、板材、管材、丝材、带材等)上直接取样试验;

从产品上的重要部位(最薄弱、最危险的部位)取样试验;

以实物零件直接试验,如、钢筋、螺栓、螺钉或链条等;

以浇注的铸件试样直接试验或经加工成试样进行试验。

2)试样加工

防止冷变形或受热而影响其力学性能。通常以切削加工为宜。

平行段应光滑,无加工硬化,无缺口、刀痕、毛刺等缺陷;

脆性材料夹持部分与平行段应有较大半径的圆弧过渡;

不经机加工铸件试样表面上的夹砂、夹渣、毛刺、飞边等必须加以清除。

3)试样检查、标记

试验前应先检查试样外观是否符合要求。

试样原始标距一般采用细划线或墨线进行标定,所采用的方法不能影响试样过早断裂。

对于特薄或脆性材料,可在试样平行段内涂上快干着色涂料,再轻轻划上标线。

4)尺寸测量(试样的原始横截面积)

圆形截面试样:圆形在标距两端及中间三处横截面上相互垂直两个方向测量直径,以各处两个方向测量的直径的算术平均值计算横截面积;取三处测得横截面积平均值作为试样原始横截面积。(S

0

=1/4πd

0

2

矩形截面试样:在标距两端及中间三处横截面上测量宽度和厚度,取三处测得横截面积平均值作为试样原始横截面积。(S

0

=a

0

×b

0

1.1.6 拉伸试验设备

拉力试验机又名万能材料试验机。

夹持装置用于对不同形状、尺寸和材质的试样能顺利进行试验。引伸计用于测定微小塑性变形的长度测量仪。

试验设备校验:

电子万能试验机:《GB/T 16825.1-2008 静力单轴试验机的检验 第1部分:拉力和压力试验机测力系统的检验与校准》、《GB/T 16825.2-2005静力单轴试验机的检验 第2部分:拉力蠕变试验机 施加力的检验》

电子万能试验机及其构造

气动夹具(左)、液压夹具(右)

电子万能试验机引伸计(左)、电子万能试验机引伸计(右)

1.1.7 拉伸试验步骤

1.2 性能指标

1.2.1 弹性

弹性模量EE=σ/ε)表征材料抵抗正应变的能力。工程上弹性模量被称为材料的刚度,表征金属材料对弹性变形的抗力,其值越大,则在相同的应力状态下产生的弹性变形量越小。

比弹性模量为弹性模量与密度的比值。

1.2.2 强度

材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示。(单位:PaMPaN/m

2

抗拉强度(或强度极限)是指试件断裂前所能承受的最大工程应力,用来表征材料对最大均匀塑性变形的抗力。

上屈服强度:R

eH

=F

eH

/S

0

下屈服强度:R

eL

=F

eL

/S

0

抗拉强度:R

m

=F

m

/S

0

oa——总变形;ba—弹性变形99.8%;塑性变形0.2%

(条件屈服强度: R

p

0.2

表示规定塑性延伸率为0.2%时对应的应力

硬钢(高碳钢)强度高,塑性差,拉伸过程无明显屈服阶段,无法直接测定屈服强度,用条件屈服强度来代替屈服强度。

1.2.3 塑性

金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分组成。试样拉伸至颈缩前的塑性变形是均匀塑性变形,颈缩后颈缩区的塑性变形是集中塑性变形。

试件拉断后,弹性变形消失,但塑性变形仍保留下来。工程上用试件拉断后遗留下来的变形表示材料的塑性指标。

常用的塑性指标有两个:断后伸长率A=[(L

u

-L

0

)/L

0

]×100%,断面收缩率Z=[(S

0

-S

u

)/S

0

]×100%

1.2.4 应变硬化

在真应力-真应变曲线中,应力与应变之间符合Hollomon关系,即S=Ke

n

n为加工硬化指数或应变硬化指数)。

应变硬化指数n反映了材料开始屈服后,继续变形时材料的应变硬化情况,它决定了材料开始发生紧缩时的最大应力σ

b

。形变硬化是提高材料强度的重要手段。

工程应力-应变曲线与真应力应变曲线对比

1.2.5 韧性

韧性是指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

韧度是度量材料韧性的力学性能指标,分为静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。

静力韧度是指金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功,是强度和塑性的综合指标。韧度为应力-应变曲线下的面积。

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