金屬材料拉伸試驗(yàn)報(bào)告

金屬材料拉伸試驗(yàn)報(bào)告第一部分金屬材料拉伸試驗(yàn)的操作步驟1、 金屬抗拉性能相關(guān)指標(biāo)常溫下金屬抗拉性能通常包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度又稱屈服點(diǎn)或規(guī)定屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和斷面收縮率四個(gè)指標(biāo)。前二者稱為強(qiáng)度指標(biāo),后二者稱為塑性指標(biāo)。所謂強(qiáng)度系指試樣受軸向拉伸負(fù)荷過(guò)程中任一瞬間 ，金屬抵抗變形或破斷的能力，一般以原單位橫截面積上所受的力表示。而塑性則為試樣經(jīng)拉伸到破斷后，以百分?jǐn)?shù)表示的標(biāo)距的伸長(zhǎng)率和斷裂處原橫截面積的縮減率。金屬材料常識(shí)2、 拉伸試驗(yàn)步驟1） 準(zhǔn)備試件。對(duì)相同大小規(guī)格形狀的普碳鋼和鋁合金試樣分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。用刻度機(jī)在原始標(biāo)距范圍內(nèi)刻劃圓周線。將標(biāo)距內(nèi)分為等長(zhǎng)的10格。測(cè)量得到其原始直徑為10mm，原始標(biāo)距長(zhǎng)度為100mmI2） 調(diào)整試驗(yàn)機(jī)。手動(dòng)控制上夾頭至合適的夾持位置。選擇合適的測(cè)力度盤。開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，使工作臺(tái)上升10mm左右，以消除工作臺(tái)系統(tǒng)自重的影響。調(diào)整主動(dòng)指針對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn)，從動(dòng)指針與主動(dòng)指針靠攏，調(diào)整好自動(dòng)繪圖裝置。3） 裝夾試件。先將試件裝夾在上夾頭內(nèi)，再將下夾頭移動(dòng)到合適的夾持位置，最后夾緊試件下端。（鋁合金材料無(wú)顯著屈服現(xiàn)象需轉(zhuǎn)載電子引伸計(jì)）4） 檢查與試車。檢查以上步驟完成情況。開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，預(yù)加少量載荷（載荷對(duì)應(yīng)的應(yīng)力不能超過(guò)材料的比例極限），然后卸載到零，以檢查試驗(yàn)機(jī)工作是否正常。5） 進(jìn)行試驗(yàn)。開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，緩慢而均勻地加載，仔細(xì)觀察測(cè)力指針轉(zhuǎn)動(dòng)和繪圖裝置繪出圖的情況。注意捕捉屈服荷載值，將其記錄下來(lái)用以計(jì)算屈服點(diǎn)應(yīng)力值。屈服階段注意觀察滑移現(xiàn)象。過(guò)了屈服階段，加載速度可以快些。將要達(dá)到最大值時(shí)，注意觀察“縮頸”現(xiàn)象。試件斷后立即停車，記錄最大荷載值。（鋁合金試樣無(wú)明顯屈服現(xiàn)象）6） 取下試件和記錄紙。7） 用游標(biāo)卡尺測(cè)量斷后標(biāo)距。8） 用游標(biāo)卡尺測(cè)量縮頸處最小直徑3、金屬材料拉伸過(guò)程中的四個(gè)階段試驗(yàn)最終得到的拉伸曲線，實(shí)際上是載荷-伸長(zhǎng)曲線，在這個(gè)曲線中有四個(gè)階段：彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、頸縮階段。1）彈性階段：隨著荷載的增加，應(yīng)變隨應(yīng)力成正比增加。如卸去荷載，試件將恢復(fù)原狀，表現(xiàn)為彈性變形，此階段內(nèi)可以測(cè)定材料的彈性模量E。2）屈服階段：普碳鋼：超過(guò)彈性階段后，載荷幾乎不變，只是在某一小范圍內(nèi)上下波動(dòng)，試樣的伸長(zhǎng)量急劇地增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。如果略去這種荷載讀數(shù)的微小波動(dòng)不計(jì)，這一階段在拉伸圖上可用水平線段來(lái)表示。塑性變形是突然開始且載荷數(shù)會(huì)突然下降，如果全部卸除荷載試樣將不會(huì)恢復(fù)原長(zhǎng)表現(xiàn)為永久形變。而對(duì)于鋁合金來(lái)說(shuō)，彈性區(qū)域的結(jié)束點(diǎn)并非伴隨著載荷的突然下降或其他明顯的變化從彈性階段到塑性階段是一條平滑漸變的曲線。匚|3） 強(qiáng)化階段：試樣經(jīng)過(guò)屈服階段后，曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，由于材料在塑性變形過(guò)程中不斷強(qiáng)化，材料的抗變形能力有增強(qiáng)了，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變硬化。若在此階段卸載載荷到零時(shí)，變形并未完全消失，應(yīng)力減小至零時(shí)殘留的應(yīng)變稱為塑性應(yīng)變或殘余應(yīng)變。4） 頸縮階段和斷裂階段，試樣伸長(zhǎng)到一定程度后，荷載讀數(shù)反而逐漸降低。4、相關(guān)計(jì)算對(duì)于屈服現(xiàn)象明顯的材料：上屈服強(qiáng)度ReH=FeH/S0（S0表示原始橫截面面積、FeH表示上屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸向力）下屈服強(qiáng)度ReL=FeL/S0（S0表示原始橫截面面積、FeL表示下屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的軸向力）抗拉強(qiáng)度Rm=Fmax/S0（Fmax是指最大軸向力）對(duì)于屈服現(xiàn)象不明顯的材料，規(guī)定以產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力值為其屈服極限，稱為條件屈服極限或屈服強(qiáng)度。大于此極限的外力作用，將會(huì)使零件永久失效，無(wú)法恢復(fù)。第二部分：試驗(yàn)報(bào)告金屬材料高應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)的應(yīng)用及現(xiàn)狀目前汽車在我國(guó)的產(chǎn)銷量逐年增長(zhǎng)，伴隨市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，車型投放得越來(lái)越多，與此同時(shí)車輛開發(fā)的速度也要求越來(lái)越快。在前期車輛研發(fā)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)輔助分析(CAE)越來(lái)越重要，準(zhǔn)確的材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也成為各個(gè)研發(fā)單位的迫切需求。目前靜態(tài)測(cè)試從試驗(yàn)設(shè)備到試驗(yàn)規(guī)范都比較完善和成熟，試驗(yàn)室間的比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果差異很小。但高速拉伸試驗(yàn)無(wú)論從試驗(yàn)設(shè)備還是試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方面，都還有相當(dāng)大的改善空間，試驗(yàn)室間的比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也不理想。造成這種差異的原因主要有以下幾點(diǎn)：其一為試驗(yàn)設(shè)備沒有規(guī)范，目前的試驗(yàn)設(shè)備從軟件到硬件，從夾具到傳感器等都沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；其二沒有詳盡的試驗(yàn)規(guī)范可以參考，試驗(yàn)室間也還沒有依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行充分的對(duì)比測(cè)試；其三為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，由于動(dòng)態(tài)測(cè)試的特殊性，導(dǎo)致了得到的材料曲線具有別于靜態(tài)曲線的特征，例如最為明顯的震蕩特征。金屬材料在不同應(yīng)變速率下，力學(xué)性能表現(xiàn)不同，因此統(tǒng)一的高速拉伸測(cè)試就顯得尤為重要。本文將就以上幾方面，結(jié)合日常試驗(yàn)實(shí)際情況進(jìn)行詳盡的介紹。試驗(yàn)設(shè)備高速拉伸試驗(yàn)機(jī)的廠家國(guó)內(nèi)目前還沒有，僅有少數(shù)幾家研發(fā)單位自主開發(fā)了桿式或其他類型的高速拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍也僅限于內(nèi)部。國(guó)外大的試驗(yàn)設(shè)備供應(yīng)商有提供此類設(shè)備，例如:英斯特朗，茲韋克等。試驗(yàn)速度加載金屬材料的高速拉伸試驗(yàn)機(jī)與靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)的不同之處有兩點(diǎn):其一此類高速拉伸不能采用應(yīng)變或應(yīng)力控制，只能采用位移控制;其二高速拉伸試驗(yàn)機(jī)一般在1m?s-i以內(nèi)是閉環(huán)控制大于1m-s-i的時(shí)候只能是開環(huán)控制，所以在試樣夾緊的瞬間，速度會(huì)下降，導(dǎo)致其拉伸速度的控制精度遠(yuǎn)沒有靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)的那么高。為了解決這一問題，設(shè)備供應(yīng)商在控制軟件方面增加了迭代計(jì)算功能，在首次試驗(yàn)之后，軟件會(huì)識(shí)別液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與速度目標(biāo)值

之間的差距，然后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的分段修正，下次試驗(yàn)過(guò)程中使用新的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如此反復(fù)迭代計(jì)算直至達(dá)到滿意的精度為止，如圖1所示。具體的迭代算法為不同供應(yīng)商的軟件機(jī)密，但原理基本都是一樣，依據(jù)速度的降低時(shí)間及幅度判斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)的補(bǔ)償時(shí)間及幅度。所以如果使用迭代的方法，加載在試樣上的速度控制精度就會(huì)隨著試驗(yàn)次數(shù)的提高而增加，與此同時(shí)帶來(lái)了試驗(yàn)次數(shù)的增加及試驗(yàn)重復(fù)性的問題。除了迭代的方法外，還可以考慮預(yù)先輸入材料參數(shù)的方法，在初期就進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的優(yōu)化，這樣可以減少試驗(yàn)次數(shù)，并且能夠快速地達(dá)到優(yōu)化的效果。00.05 0.10 0.15時(shí)間/msa)未迭代計(jì)算00.05 0.10 0.15時(shí)間/msc)2次迭代計(jì)算-2L00.05 0.10 0.15時(shí)間/msa)未迭代計(jì)算00.05 0.10 0.15時(shí)間/msc)2次迭代計(jì)算-2L00.05 0.10 0.15時(shí)間/msb)1次迭代計(jì)算圖1迭代計(jì)算示意圖2試驗(yàn)夾具及所需試樣尺寸

由于試驗(yàn)速度快，所以在試驗(yàn)時(shí)需要加載裝置先空載達(dá)到預(yù)設(shè)的速度，因而高應(yīng)變測(cè)試的試樣長(zhǎng)度往往都是大于靜態(tài)測(cè)試的。對(duì)于不能取很長(zhǎng)試樣的零件，可以采用延長(zhǎng)桿的方式對(duì)試樣進(jìn)行人為的加長(zhǎng)。同時(shí)，不同的加載方式，導(dǎo)致了試樣的形狀也各有差異，如圖2所示。力傳感器 卜3固定端夾具試樣預(yù)加載單元楔形齒切塊與試樣螺紋連接b）示例2阻尼墊圈緩沖桿緩沖器作動(dòng)器c）b）示例2阻尼墊圈緩沖桿緩沖器作動(dòng)器c）示例3圖2不同類型的試樣夾具示意圖3位移傳感器目前高速拉伸試驗(yàn)機(jī)配備的傳感器均為線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）傳感器，并據(jù)此進(jìn)行速度的控制。在獲取位移曲線之后，可以根據(jù)曲線的時(shí)間范圍判斷拉伸時(shí)的平均速度，如圖3所示。

959085959085807570100008000600040002000-2000-400031.031.532.032.533.033.534.0

時(shí)間/s圖3橫梁速度曲線依據(jù)位移數(shù)據(jù)可以得到整個(gè)夾具間距離的應(yīng)變，但并不是試樣平行段的應(yīng)變。所以位移傳感器的主要用途在于判斷試樣變形階段的試驗(yàn)速度是否滿足設(shè)定要求。不同廠家的高速拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸速度的精度也各不相同，且精度的范圍目前標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確規(guī)定。4力值傳感器高速拉伸試驗(yàn)機(jī)使用的均為壓電式傳感器，不便之處在于需要進(jìn)行不同力值范圍的標(biāo)定。然而，盡管采用了高響應(yīng)的力值傳感器，在高應(yīng)變的情況下，力值信號(hào)震蕩仍然會(huì)逐漸加劇。試驗(yàn)者往往采用貼應(yīng)變片的方法來(lái)消除這一現(xiàn)象，如圖4所示，這樣做可以大幅度地減小震蕩。圖4平板試樣貼應(yīng)變片的示意圖但這樣每進(jìn)行一個(gè)試驗(yàn)就要使用兩片應(yīng)變片，而較為經(jīng)濟(jì)的做法是貼在固定端的夾具上，越靠近試樣越好。對(duì)于不方便貼應(yīng)變片的圓柱試樣也可以采用這樣的處理方法。5應(yīng)變測(cè)量設(shè)備及附件由于位移的精度及測(cè)量的區(qū)間問題，位移數(shù)據(jù)不能用作應(yīng)變數(shù)據(jù)，同時(shí)由于高應(yīng)變的要求導(dǎo)致了傳統(tǒng)的機(jī)械式引伸計(jì)已經(jīng)不能滿足要求，因此有的設(shè)備供應(yīng)商開發(fā)了多普勒激光引伸計(jì)等非接觸類設(shè)備。另外，隨著數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)測(cè)量類設(shè)備逐漸應(yīng)用到高速應(yīng)變測(cè)試上。有的DIC軟件供應(yīng)商已經(jīng)開發(fā)出了一體化的軟件，直接在軟件系統(tǒng)里計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變，除此之外，該類軟件還可

以具有無(wú)接觸、隨意定義標(biāo)距、輸出云圖、隨時(shí)處理等傳統(tǒng)引伸計(jì)不能提供的功能，如圖5所示。120.000100.00080.000曲面成分60.000引伸計(jì)+4.976% 40.00020.000+6756.428N+335.408MPa引伸計(jì)Q6b）輸出曲線120.000100.00080.000曲面成分60.000引伸計(jì)+4.976% 40.00020.000+6756.428N+335.408MPa引伸計(jì)Q6b）輸出曲線應(yīng)變所139,151圖5DIC技術(shù)應(yīng)用示例600(1引伸計(jì)但對(duì)環(huán)境溫度有要求的試驗(yàn)，該類設(shè)備由于需要透過(guò)玻璃拍攝照片，會(huì)存在像素畸變等問題。6軟件對(duì)于高速拉伸試驗(yàn)機(jī)的軟件，一般分為三部分:其一為控制軟件，主要用來(lái)控制設(shè)備的運(yùn)行；其二為校準(zhǔn)軟件，用來(lái)對(duì)輸出試驗(yàn)文件進(jìn)行校準(zhǔn)，例如壓電式傳感器的分段標(biāo)定文件，速度的標(biāo)定文件等；其三為處理軟件，主要用來(lái)處理試驗(yàn)結(jié)果。

對(duì)于控制軟件，主要是試驗(yàn)速度的控制，由于各個(gè)廠家采用的迭代算法不同，導(dǎo)致了速度控制上的差異;對(duì)于處理軟件，目前僅停留在濾波處理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輸出等基本功能上，對(duì)于力學(xué)曲線最為重要的屈服