金屬材料力學(xué)性能必要的指標(biāo)
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2022-08-16 瀏覽：
拉伸是一種簡(jiǎn)單的力學(xué)性能試驗(yàn)，在測(cè)試標(biāo)距內(nèi)，受力均勻，應(yīng)力應(yīng)變及其性能指標(biāo)測(cè)量穩(wěn)定、可靠、理論計(jì)算方便。通過(guò)拉伸試驗(yàn)，可以測(cè)定材料彈性變形、塑性變形、和斷裂過(guò)程中最基本的力學(xué)性能指標(biāo)，如正彈性模量E、屈服強(qiáng)度σ0.2、屈服點(diǎn)σs、抗拉強(qiáng)度σb、斷后延長(zhǎng)率δ及斷面收縮率ψ等。拉伸試驗(yàn)中獲得的力學(xué)性能指標(biāo)，如E、σ0.2、σs、σb、δ、ψ等，是材料固有的基本屬性和工程設(shè)計(jì)中的主要依據(jù)。
拉伸試驗(yàn)是金屬力學(xué)性能試驗(yàn)中最常見(jiàn)的試驗(yàn)，相同的材料通過(guò)不同的拉伸試驗(yàn)過(guò)程測(cè)量結(jié)果不一定相同。都有哪些因素在影響拉伸試驗(yàn)?zāi)?
1：取樣部位和方法
材料中因成分、組織、機(jī)構(gòu)、缺陷加工變形等分布不均，使得同一批甚至同一產(chǎn)品不同部位出現(xiàn)差異，因此在切取樣品時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照GB/T-228附錄中的規(guī)定執(zhí)行。
2：試驗(yàn)設(shè)備
試驗(yàn)設(shè)備直接影響結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)必須要保證試驗(yàn)機(jī)在檢定的有效期內(nèi)。如圖，TSKL雙柱萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，設(shè)備定期進(jìn)行校驗(yàn)和送檢。
微機(jī)控制雙柱拉力機(jī)示意圖
試驗(yàn)環(huán)境主要包括環(huán)境溫度、夾持器具選擇的影響等。
試驗(yàn)方法主要包括夾持方法、拉伸速率，拉伸橫截面積以及式樣尺寸的測(cè)量方法，在選擇測(cè)量式樣的尺寸時(shí)，宜選用外徑千分尺、游標(biāo)卡尺或矩形樣用游標(biāo)卡尺。
此外，由于主觀因素和操作技巧的不同，也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差。因此，檢驗(yàn)人員應(yīng)通過(guò)嚴(yán)格的培訓(xùn)并按照GB/T 228 標(biāo)準(zhǔn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)。
5：一些基礎(chǔ)性問(wèn)題
對(duì)于大多數(shù)金屬材料，在彈性變形區(qū)域，應(yīng)力與應(yīng)變成比例，當(dāng)繼續(xù)增加應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)，在某一點(diǎn)上，應(yīng)變將不再與施加的應(yīng)力成比例。
在這一點(diǎn)上，與鄰接的初始原子間的鍵合開(kāi)始破裂并用一組新的原子進(jìn)行改造。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，應(yīng)力被卸除后材料將不再恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，即變形是永久的和不可恢復(fù)的。這時(shí)材料進(jìn)入塑性變形區(qū)（圖1）。
圖1 塑性變形示意圖
實(shí)際上，很難確定材料從彈性區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詤^(qū)的確切點(diǎn)。如圖2，繪制了應(yīng)變?yōu)?.002的平行線。用該線截?cái)鄳?yīng)力-應(yīng)變曲線，將屈服的應(yīng)力確定為屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度等于發(fā)生明顯塑性變形的應(yīng)力。大多數(shù)材料并不均勻，也不是完美的理想材料，材料的屈服是一個(gè)過(guò)程，通常伴隨著加工硬化，所以不是一個(gè)具體的點(diǎn)。
對(duì)于多數(shù)金屬材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線看起來(lái)類似于圖3所示曲線。當(dāng)加載開(kāi)始以后，應(yīng)力從零開(kāi)始增加，應(yīng)變線性增加，直到材料發(fā)生屈服以后，曲線開(kāi)始偏離線性。
繼續(xù)增加應(yīng)力，曲線達(dá)到最大值。最大值對(duì)應(yīng)抗拉強(qiáng)度，這是曲線的最大應(yīng)力值，由圖中的M表示。斷裂點(diǎn)是材料最終斷裂的點(diǎn)，由圖中的F表示。
圖3 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線示意圖
典型的應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試裝置、測(cè)試樣品幾何形狀如圖4所示。在拉伸試驗(yàn)期間，樣品被緩慢拉動(dòng)，同時(shí)記錄長(zhǎng)度和施加力的變化，記錄力-位移曲線，利用樣品原始長(zhǎng)度、標(biāo)距長(zhǎng)度和截面積等信息可以繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
圖4 應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)試
對(duì)于可以發(fā)生拉伸塑性變形的材料，最常用的有兩類曲線：工程應(yīng)力-工程應(yīng)變曲線和真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線。它們的區(qū)別在于計(jì)算應(yīng)力時(shí)采用的面積不同，前者用樣品的初始面積，后者用拉伸過(guò)程中的實(shí)時(shí)橫截面積。因此，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，真應(yīng)力一般比工程應(yīng)力高。
圖5 典型的拉伸曲線示意圖
圖6 多種真實(shí)金屬材料的真應(yīng)力真應(yīng)變曲線
最常見(jiàn)的拉伸曲線有兩種：其一，有明顯屈服點(diǎn)的拉伸曲線；其二，無(wú)明顯屈服點(diǎn)的拉伸曲線。屈服點(diǎn)代表金屬對(duì)起始塑性變形的抗力。這是工程技術(shù)上最為重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。
如何界定工程實(shí)際金屬發(fā)生了塑性變形？
殘余塑性變形量是重要依據(jù)，通常人為地把一定殘留塑性變形量時(shí)工程金屬對(duì)應(yīng)的抗力作為屈服強(qiáng)度，也稱為條件屈服強(qiáng)度。即沒(méi)有明顯的塑性屈服點(diǎn)，就沒(méi)有明顯的屈服強(qiáng)度，要想知道實(shí)際金屬的屈服強(qiáng)度就需要一個(gè)判定條件，因此就有了條件屈服強(qiáng)度。
對(duì)于不同的金屬構(gòu)件，其條件屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的殘余變形量不同。對(duì)于一些苛刻的金屬構(gòu)件，其殘余變形量規(guī)定應(yīng)較小，而普通金屬構(gòu)件條件屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的殘余變形量則較大。常用的殘余變形量為0.01%，0.05%， 0.1%，0.2%，0.5%和1.0%等。
金屬的屈服是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，因而金屬的屈服由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力來(lái)決定。對(duì)于純金屬，包括點(diǎn)陣阻力、位錯(cuò)交互作用阻力、位錯(cuò)與其它缺陷或結(jié)構(gòu)交互作用阻力。
圖9 實(shí)際金屬鋁中的位錯(cuò)
在拉伸曲線上的直線段，也即彈性部分對(duì)應(yīng)的面積為彈性能。從彈性變形開(kāi)始至斷裂過(guò)程中，樣品吸收總能量稱為斷裂功，金屬在斷裂前吸收的能量稱為斷裂韌性。
實(shí)際金屬在拉伸過(guò)程中通常伴隨著力學(xué)性能的改變，最突出的現(xiàn)象就是加工硬化。金屬的加工硬化有利于避免實(shí)際工程構(gòu)件在過(guò)載時(shí)突然斷裂，造成災(zāi)難性后果。金屬塑性變形和形變硬化是保證金屬發(fā)生均勻塑性變形的先決條件，這就是說(shuō)在多晶體金屬中，哪里發(fā)生了塑性變形，哪里就得到了強(qiáng)化，然后塑性變形得到抑制，使變形轉(zhuǎn)移到其它更容易的地方。在實(shí)際的拉伸曲線上看，大多數(shù)金屬在室溫條件下發(fā)生屈服后，在屈服應(yīng)力作用下，變形不會(huì)繼續(xù)，繼續(xù)變形必須增加阻力。在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線上表現(xiàn)為流變應(yīng)力不斷上升，出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。這樣的曲線稱為加工硬化曲線。
加工硬化指數(shù)n是一個(gè)重要的塑性指標(biāo)，它代表材料抵抗繼續(xù)變形的能力。
圖10 金屬塑性變形中的加工硬化
最后，談一下應(yīng)變速率。通常測(cè)試的金屬材料的拉伸曲線都是在較低的應(yīng)變速率下測(cè)試獲得的。只有一些特殊金屬構(gòu)件才需要在較高應(yīng)變速率下測(cè)試其力學(xué)性能，即發(fā)生高速形變的構(gòu)件。正常室溫條件下應(yīng)變速率拉伸，材料的變形主要以位錯(cuò)的滑移或?qū)\生為主。
圖11 鋁合金高速形變曲線
在拉伸曲線上，即工程應(yīng)變-工程應(yīng)變曲線上最大工程應(yīng)力稱為極限拉應(yīng)力，也就是抗拉強(qiáng)度。
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