影響材料拉伸試驗強度的若干技術因素

摘 要] 本文總結了試驗溫度效應、加載速率效應、試驗條件及試樣工藝效應、偏心效應和試驗剛度對材料拉伸試驗強度的影響。從應力分析和變形能的角度對影響材料拉伸試驗強度的主要技術因素進行了力學分析,給出了獲取試驗準確數據的若干建議。 
[關鍵詞] 拉伸試驗 屈服強度 抗拉強度 
      屈服強度σs、抗拉強度σb等參數是金屬材料ZUI富代表性的力學性能指標，是工程設計、機械制造的主要依據，這類力學性能指標的分析和研究對于從事基礎理論研究和分析工程事故具有非常重要的意義。試驗測試是獲取材料的強度等力學性能指標的可靠方法。例如可拉伸、壓縮、彎曲試驗的方法等等。其中，拉伸試驗方法是檢驗材料力學性能的一種ZUI重要、ZUI有效和ZUI常用方法。但是，要準確地測得材料的拉伸性能，應有技術先進、功能齊全、質量可靠的試驗機，同時還必須正確掌握試驗方法，排除各種不利的因素，否則處理不當，就會引入很大的誤差。本文探討試驗機技術狀態、試驗條件和測試技術等相關的技術因素對材料拉伸試驗強度的影響。 
      1影響材料拉伸試驗強度的因素 
金屬材料的屈服強度σs是材料塑性變形開始時單位面積上所需的ZUI低載荷，它標志著金屬材料對于起始微量塑性變形的抗力。σs值對不同的金屬材料表現的敏感程度不同，例如退火低碳鋼、不銹鋼出現鋸齒狀平臺，而高碳鋼僅出現明顯的拐點。大多數的合金鋼、高溫合金、鋁合金、鎂合金、鑄鐵等則無明顯的屈服現象。為了表示不同金屬材料對微量塑性變形的抗力和比較試驗結果，規定塑性變形為某標準長度(試樣標距)的 0.2%時的應力，用σ0.2表示，稱為條件屈服強度；抗拉強度σb則反映了材料抵抗大塑性變形和斷裂破壞的能力。材料的強度是材料本身固有的屬性，但度量材料強度的指標如σs和σb等指標受諸多技術因素影響，實質上即為材料的“試驗強度”，主要涉及到試驗機技術狀態、試驗條件和測試技術，包括試驗溫度、加載速度、應力狀態、介質環境、試驗剛度、試驗機示值超差、測試方法等。本文基于長期的強度測試實踐和已有的研究成果，將其歸納為拉伸試驗強度的試驗溫度效應、加載速率效應、試驗條件及試樣工藝效應、偏心效應和試驗剛度效應。現分述如下： 
1.1 溫度效應 
     隨著試驗溫度的升高, 金屬材料的 σs (σ0.2)顯著降低。例如低碳鋼材料，隨著試 
驗溫度升高，其屈服強度σs相應降低且屈服平臺的長度逐漸縮短，直至某一溫度屈服平臺消失，σs不復存在；由于溫度升高使材料的晶界由硬、脆轉變為軟、弱,使其抗力降低，因此，材料的σb在宏觀上也隨試驗溫度的變化而改變。 
1.2 加載速率效應 材料的屈服點隨加載速率的增大而提高；室溫條件下，拉伸速度對強度較高的金屬材料的σb 無影響，而對強度較低的、塑性好的金屬材料有微小的影響。拉伸時加載速率增大，σb有增高的趨勢。在高溫下，拉伸加載速率對σb有顯著的影響。 
1.3 試驗條件及試樣工藝效應 金屬材料處于有害的介質環境時,試樣的屈服點降低。試樣的表面粗糙度對屈服點也有影響,特別是對塑性較差的金屬材料有較大的影響,有使屈服點降低的趨勢。 
1.4 偏心效應 由于試驗機的加載軸線與試樣的幾何中心不一致，所以嚴格的軸向荷載（圖 1)




                                                  圖１


（a））是很難獲得的，這就造成了試驗機偏心加載、產生彎曲而引入測試誤差。考慮同軸度的影響，試樣受拉變形的簡化力學模型如圖 1（b）所示。其中，幾何同軸度為 e、力的同軸度為 α。 
1.5 試驗剛度效應 在材料的拉伸試驗中，試驗系統可視為試驗機機身、夾具-加載系統和試樣三部分構成的“可變形的試驗系統”。顯然，試驗機機身的剛度km 、夾具-加載系統的剛度ks 和受拉試樣的抗拉剛度 EA 共同構成了“試驗系統”的剛度。所以，試驗機的彈性變形、夾具-加載系統的工作狀態和試樣本身的變形都會對試驗產生影響，即試驗剛度在一定程度上會影響試樣的試驗強度指標。在實踐中，不同剛度的試驗機實測對比結果也反映了試驗剛度對材料試驗強度的影響。 
2 分析與討論 
2.1 試驗溫度及加載速率的影響已有的研究成果表明，試驗溫度及加載速率對材料拉伸試驗強度 
的影響是非常明顯的。如圖 2 所示。 

　　　　　　　　　　　　　　　　　圖２

　　金屬材料試驗的加載速率對測試結果影響是明顯的，特別是在高速加載條件下還會產生升溫效 
應，升溫速率與變形應力及變形速率成正比。升溫可以引起各種效應。金屬材料在拉伸或壓縮時，如  果形變速度較高，應變較大，可使樣品溫度升高 50℃,局部更高，這對材料的力學性能將產生重要影  響。 
 

 

 

　　此外，對于試樣的某個截面，其ZUI大應力發生在表面；對于整根試樣，其ZUI大應力發生在跟部 
12的表面。這正是我們在實踐中經常看到試樣的斷裂點發生在試樣根部的原因。 
2.3 試驗剛度的影響 
 

2 EA 
樣的長度和抗拉剛度。 
　　可見，在試驗過程中，隨著荷載 P 的增加，試驗剛度會逐漸減小。式（9）還說明試驗剛度與試驗的尺寸有關，不同尺寸的試驗在相同的試驗機和相同的載荷率下的結果是有差異的；試驗材料的彈性模量影響試驗的剛度，不同試驗機測同一材料的彈性模量也就不完全一致。例如，用 CMT5305 和CMT5105 微機控制電子萬能材料試驗機測得某鋼材的拉伸彈性模量 E = 221×105MPa，而用剛度較小的國產某型液壓式萬能材料試驗機測得同一材料的彈性模量 E = 208×105MPa，誤差達 6%。 
　　3  結論 
　　影響簡單拉伸試驗結果的因素很多，只有在相同試驗條件下的試驗結果才有比較意義。而且，在簡單拉伸試驗中常常會試驗溫度效應、加載速率效應、試驗條件及試樣工藝效應、偏心效應和試驗剛度效應等因素影響而引入一些附加的應力，使材料的“試驗強度”要小于真實存在的強度。因此，只有通過認真分析、研究影響試驗結果的因素，才能獲得準確的試驗數據。 
3.1 遵循規范、仔細操作、認真分析、將各種技術因素對材料試驗強度的影響ZUI小化 例如，在屈服點之前，試驗機兩夾頭的相對速率通常不大于原標距長度的 8%/min；仲裁試驗時，要求試驗機兩夾頭的相對速率不大于原標距長度的 2%/min 等等。 
3.2 使用符合要求的試樣，保證加載的對中度，盡量使用氣動或液壓夾具，減少偏心效應的影響 
在試驗前，要對材料試驗機同軸度進行測量，使其保持在規程允許的范圍之內，以保證材料拉伸強 
度受材料試驗機同軸度的影響ZUI小。 
3.3 試驗剛度隨荷載 P 的增加而逐漸減小，試驗的剛度也與試樣的尺寸和材料彈性模量有關 ．因此，試驗剛度是我們在設計和選用試驗機時不容忽視的一個重要問題。 
參考文獻： 
13 
[1] Hull D. Tilting cracks: the evolution of fracture surface topology in brittle solids.Int 

JFrac.1993,62(2):119~138 
[2] Nardone V C,Prewo K M.tensile performance of carbon-reinforced glass.J Mater Sci,1988.23(2):168~180 
[3] 劉鴻文.材料力學.高等教育出版社,北京,1988