金属拉伸速率对试验力-变形曲线的影响--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

金属拉伸速率对试验力-变形曲线的影响

发表时间：2020/9/24 来源：《基层建设》2020年第17期作者：何鹏飞1 吴学江2 张志军3 王树国4

[导读] 摘要：在金属材料室温拉伸试验中，轴向拉力试验力-变形曲线是最基本的特征曲线，也是设计机械零件时评定、选择金属材料的重要依据。

        1.身份证号：14022719860121xxxx
        2.身份证号：13022819771205xxxx
        3.身份证号：14020219861126xxxx
        4.身份证号：14022119870806xxxx
        摘要：在金属材料室温拉伸试验中，轴向拉力试验力-变形曲线是最基本的特征曲线，也是设计机械零件时评定、选择金属材料的重要依据。而力学性能试验的数据是否准确可靠，与拉伸试验所使用的速率密切相关。本文就金属材料拉伸速率对试验力—变形曲线的影响进行分析探讨。
        关键词：金属材料；拉伸速率；试验力-变形
        在机车生产过程中，为了正确合理地选择和使用材料，必须知道材料的机械（力学）性能。在对新材料、新工艺的科学研究中，也需要测定材料的各项机械性能。材料的单向静拉伸试验通常是在室温下按常规的试验标准，一般采用圆形横截面试样，试验方法和试样尺寸在试验标准中有明确的规定。其中试验力—变形全过程曲线在力学性能的测量中是最基本的一项。
        1试验条件
        1.1测量方法：
        依据GB/T228.1-2010《金属材料室温拉伸试验方法》。
        1.2环境条件：
        室温10～35℃，相对湿度＜80%。
        1.3试验设备：
        WE-300 万能材料试验机
        1.4被测对象：
        材料：Q235   试样夹持部分直径：φ16mm   平行部分直径：φ10mm、
        长度65mm，标距：50mm。
        2试验结果与分析
        2.1曲线分析：
        图1所示曲线是碳素结构钢材料（Q235）使用引伸计作拉伸试验时，拉伸速率为1mm/min时的试验曲线，其分析结果简述如下。
        从低碳钢拉伸试验曲线可以看出材料使用引伸计作拉伸试验时，拉伸速度不仅对测试数据有影响，它对拉伸曲线的形貌也是有影响的。
        Q235材料拉伸试样在拉伸时，其曲线在上屈服力处不是先沿线弹性直线向上到达上屈服力，然后在向下进入屈服过程。而是呈现在沿线弹性直线向上到达下屈服力时，曲线先向右，而后向上、再向下、再向下来回颤抖向右晃动，最后再进入上屈服点。

                                             图1
        这表明试样在拉伸到达屈服力附近时，材料开始产生不均匀的塑性变形，试验力变形曲线出现平台或锯齿，在此过程中，外力不增加试样仍继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随后，在外力不增加或上下波动的情况下试样可以继续伸长变形，由于以上某种原因引伸计标距范围外的部分首先进入了屈服状态，其试样所积蓄的轴向变形快速增加，而释放时试验机传递能量的速度小于试样塑性变形增长的速度。也就是如果此时试验机横梁位移速度过低，就不能及时满足试样的屈服流动伸长变形对横梁位移的需求，就不能使试样在引伸计标距范围内还处于线弹性状态的一段保持其变形的正常增长，造成引伸计标距范围内这一段试样的变形回弹。
        2.2 曲线理论分析
        图2的b-c段为屈服阶段的试验力—变形曲线：这段外力没有怎么增加，而曲线在颤抖着向右移动，即试样在此应力作用下逐渐伸长。此时材料已经发热，说明很多结构元在外力的作用下相互滑移换位、重新组合。随着不均匀的屈服塑性变形发生，位错能快速增值，位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系，它们之间有下式关系：
        ε=bρu
        式中ε为塑性应变速率；
        b为柏氏矢量的大小；
        p为可动位错密度；
        u为位错运动平均速率。
        有上式可知，由于屈服前可动位错很少，为了满足一定的塑性应变速率ε（拉伸机横梁位移速率）的要求，必须增大位错运动速率u。另外，在一定条件下，金属的变形会从滑移机制转变为—孪生机制、孪晶的成核需要很高的应力，然而孪晶长大所需的应力往往比成核应力要小得多，所以孪晶一旦形核就会爆发地传播，在试验力-变形曲线上出现锯齿形波动、此时如果试样的应变速度超过拉伸速度时，就会发生载荷波动现象。

                                               图2
        2.3 试样加工表面分析
        曲线异常现象与试样加工表面粗糙度稍差也有一定的关系，试样的加工采用车削，在过渡圆弧处稍有不慎，很容易产生扎刀现象，在加工抗力的作用下，过渡圆弧与平行段相衔处的截面有所减少。又由于过渡圆弧处应力集中的不利影响，这样的试样在拉伸时出现标距外先进入屈服状态就是很自然的现象了。所以试样的尺寸必须满足标准规定的精度。
        3结论
        通过上述分析和试验验证表明，拉伸速率不仅在过高时对测试数据有影响，拉伸速度过低同样也对测试数据、特别是曲线形貌有影响。所以在出现上述拉伸曲线异常后，经适当提高拉伸速度，所绘制的试验力-变形曲线都不再异常，而且曲线上所表现出的初始瞬时效应似乎也有减弱的趋向。