材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能

1、材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1.1拉伸試驗1.1.1概述拉伸試驗是標(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，從而求出其強度判 據(jù)和塑性判據(jù)的力學(xué)性能試驗。強度指標(biāo)：彈性極限、屈服強度、抗拉強度；塑性指標(biāo)：斷后伸長率、斷面收縮率。0.2概念應(yīng)力：應(yīng)力是在它所作用面積上的力，用”/皿皿2表示，在米制單位中, 用千帕（kpa）或兆帕（mpa）表示。應(yīng)力f- f* (7 = = (mpa)f /s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)變是一個變化率，所以它沒有單位。應(yīng)變%"4-4 a/原始標(biāo)距（/&

2、#187;：施力前的試樣標(biāo)距。斷后標(biāo)距（厶）：試樣斷裂后的標(biāo)距。平行長度（乙“：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（n）:是斷后標(biāo)距的殘余伸長（厶-厶）與原始標(biāo)距（6）之比的 百分率。斷面收縮率（n）：斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量（6-乂）與原始橫截 面積（s。）之比的百分率。最大力（心）：試樣在屈服階段之后所能抵抗的最大力。屈服強度：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗期間達(dá)到塑性變形發(fā)生 而力不增加的應(yīng)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(yīng)力。下屈服強度：在屈服期間，不計初始瞬時效應(yīng)時的最低應(yīng)力。1.1.3拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線以低碳鋼的拉伸應(yīng)力一

3、應(yīng)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弾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 a 二£ £ ,其比例系數(shù)e稱為彈性模量。彈性極限 幾與比例極限 久非常接近，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(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增 加的應(yīng)力點，應(yīng)區(qū)分上屈服強度和下屈服強度。通常把下屈服點對應(yīng)的應(yīng)力值稱為屈 服強度。強化階段經(jīng)過屈服階段后，曲線從c點又開始逐漸上升，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

4、強化，cd段稱為強化階段（加工 硬化）。曲線最高點所對應(yīng)的應(yīng)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(biāo)。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(dá)d點，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。cf仃o(b)aawa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，但波動微小，幾乎成一條直線， 均勻塑性變形后產(chǎn)生縮頸，然后

5、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a曲葉抬扃頭燎紋頭平板佻拉頭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 厶二/5。丄/2 （短比例試樣：后s.es;長比例試樣：非比例試樣厶與s/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

6、始直徑 do： 3、s、0、8、20、is、20、2s,優(yōu)先采用 s、z。、原始標(biāo)距短試樣（優(yōu)先）lo-5clo ,長試樣lolodo平行長度好/2 ,仲裁試驗：lc二匚。+2島試樣總長度 匚 取決于夾持方法，原則上ltlc+4心過渡圓半徑>0.75do矩形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號-丿ztr blar4 rittwn九一應(yīng)竝立電矩形截面非比例試樣原始厚度 原始標(biāo)距 u：短試樣（優(yōu)先）二s.essj"，長試樣二ms十/2 ；若采用非比例試樣平行長度lc2l°+ 1.ss j/2 ,仲裁試驗：匚尸g+2s/2過渡圓半徑薄板非比例試樣原始寬度 bo=12.s、20、頭

7、部寬度過渡弧半徑二 2oqmm，0o=2sqmm，lo-5oww,l。二 somm,帶頭 l<=7smm,不帶頭 l<?=8帶頭lc二不帶頭匸尸140皿皿帶頭 lc二zoomm,不帶頭 lq二z2omm經(jīng)過機加工試樣不經(jīng)機加工試樣1,1.s拉伸試驗前的準(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結(jié)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(yīng)按照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)qb/丁2975-2020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； 從產(chǎn)品上的重要部位（最薄弱、最危險的

8、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(jīng)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(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

9、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方向測量直徑，以各處兩個方向測量的直徑的算術(shù)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。（兄二2/4疋&）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。（兄二勿”紜）1.1.6拉伸試驗設(shè)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(shè)備靜載、拉伸、壓縮、彎曲、 剪切、撕裂、剝離等力學(xué)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(gòu)、夾樣機構(gòu)、記錄機構(gòu)、測力機構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)：cib/t16491-2-008電子萬能試驗機夾持裝置用于對不

10、同形狀、尺寸和材質(zhì)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(shè)備校驗：電子萬能試驗機：gb/丁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(zhǔn)、6jb/t 1"2s.2-2oo5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/丁 1220。-2002單軸試驗用引伸計的標(biāo)定（含電sb合事）電子萬能試驗機及其構(gòu)造氣動夾具（左）.液壓夾具（右）wdw-zoo電子萬能試驗機引伸計（右）css221o電子萬能試驗機引伸計（左）、1.1.7拉伸試驗步驟總令舛試a1t廳貳於 ->2-冷7卩停1.2性能指標(biāo)z.2.1彈性彈性

11、模量e （后刃刃 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.mpq、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(yīng)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汨二fds。下屈服強度：2 fe/so（條件屈服強度： 辰.2表示規(guī)定塑性延伸率為0.2%時對應(yīng)的應(yīng)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

12、代替屈服強度。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：斷后伸長率n二（厶斷面收縮率 n二(n-so/sj xloo7o01.2.4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holloioi關(guān)系，即s=2 （仇為加工硬化指數(shù)或應(yīng)變硬化指數(shù)）。應(yīng)變硬化指數(shù)刃反映了材料開始屈服后，繼續(xù)變形時材料的應(yīng)變硬化情 況，它決定了材料開始發(fā)生緊縮時的最大

13、應(yīng)力 死。形變硬化是提高材料強 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.s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(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)標(biāo)準(zhǔn)號標(biāo)準(zhǔn)名稱gb/t 228.1-2010金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法gb/t 228.2-2015金屬材料拉伸試驗第2部分：高溫試驗方法gb/t 2039-2012金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法gb/t 2975-1998鋼及鋼產(chǎn)為力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備gb/t 4338-2006金屬材料高溫拉伸試驗方法gbt 6396-2008復(fù)合鋼板力學(xué)及工藝性能試驗方法gb/t 8358-201