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金屬材料拉力試驗

發布時間:2025-08-06 15:32:21- 點擊數: - 關鍵詞:

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金屬材料拉伸試驗詳細內容

金屬材料拉伸試驗是評估材料力學性能最基本、最重要的試驗方法之一。它在室溫下,對規定形狀和尺寸的試樣沿軸向施加緩慢遞增的拉伸載荷,直至試樣斷裂。通過測量過程中試樣承受的載荷與產生的變形,可獲得材料的關鍵力學性能指標。

一、 試驗設備與主要組成部分

  1. 主機框架: 提供施加拉伸載荷的剛性結構,通常包括固定的橫梁和可移動的橫梁。
  2. 加載系統: 通過伺服電機、液壓或機械傳動等方式驅動移動橫梁,對試樣施加可控的拉伸力?,F代設備普遍采用閉環伺服控制系統,確保加載速率精確穩定。
  3. 測力系統: 核心是高精度力傳感器(或稱載荷傳感器),直接測量試樣承受的拉伸載荷。其精度直接決定強度指標的可靠性。
  4. 變形測量系統:
    • 引伸計: 用于精確測量試樣標距段內的軸向變形(伸長)。這是獲取材料彈性模量、屈服強度以及部分塑性變形階段數據的關鍵裝置。試驗通常在達到規定塑性應變或屈服平臺后取下引伸計。
    • 橫梁位移: 記錄試驗機橫梁的移動距離。在引伸計取下后,用于監測大變形階段直至斷裂,但其數值包含系統柔度,不能直接等同于試樣標距內的真實變形。
  5. 控制系統與數據采集系統: 設定試驗參數(如加載速率),實時采集載荷、變形(引伸計信號)、橫梁位移等信號,并進行計算、處理、存儲和顯示。
  6. 夾具: 用于牢固夾持試樣兩端,確保載荷沿試樣軸線傳遞。夾具類型(如楔形夾具、螺紋夾具、平板夾具等)需根據試樣頭部形狀(棒材、線材、板材等)選擇,以最大限度減少打滑和偏心加載。
 

二、 試樣制備

  1. 形狀與尺寸: 試樣需嚴格按相關標準(如國家標準、ISO、ASTM等)加工。常見形狀有圓形橫截面試樣(比例試樣或定標距試樣)和矩形橫截面試樣(板材)。關鍵尺寸包括原始橫截面積、平行長度、標距。
  2. 加工要求: 試樣表面應光滑,無劃痕、毛刺、加工硬化層等缺陷,避免應力集中。橫截面尺寸測量需精確,因其用于計算應力。
  3. 標距標記: 在試樣平行段內需清晰地標記出原始標距。斷裂后需在此標距內測量斷后伸長。
 

三、 試驗步驟

  1. 試樣測量: 精確測量試樣平行段的最小原始橫截面尺寸(直徑或寬度、厚度),計算原始橫截面積。標記原始標距。
  2. 設備初始化: 啟動試驗機及軟件,根據試樣和標準要求設置試驗參數(如加載速率控制模式、速率值、引伸計使用范圍、停止條件等)。
  3. 試樣裝夾: 將試樣對稱地裝入上下夾具中心,確保試樣軸線與拉伸載荷方向一致,盡量減少初始彎曲。
  4. 安裝引伸計: 將引伸計小心、準確地安裝在試樣的標距段上。
  5. 開始試驗: 啟動加載程序,試驗機按設定速率施加拉伸載荷。數據采集系統持續記錄載荷、引伸計變形、橫梁位移等信號。
  6. 引伸計取下: 當試樣變形超過引伸計量程或達到標準規定的取下點(如產生規定塑性應變后),小心取下引伸計。
  7. 持續加載至斷裂: 繼續加載直至試樣發生斷裂。
  8. 結束試驗: 試驗機自動停止。記錄斷裂位置。
  9. 斷后尺寸測量: 小心地將斷裂試樣的兩段拼接對齊,精確測量斷后標距和斷口處最小橫截面積(用于計算斷面收縮率)。
 

四、 核心檢測項目(力學性能指標)

拉伸試驗直接測得或計算得出的主要力學性能指標如下:

  1. 強度指標 (Strength Properties):

    • 規定塑性延伸強度 (Rp): 試樣標距部分的塑性延伸達到規定的原始標距百分比時對應的應力。常用Rp0.2表示塑性延伸率為0.2%時的應力(通常作為無明顯物理屈服現象材料的屈服強度)。
    • 上屈服強度 (ReH): 試樣發生屈服而力首次下降前的最高應力。
    • 下屈服強度 (ReL): 在屈服期間,不計初始瞬時效應時的最低應力。
    • 抗拉強度 (Rm): 試樣在斷裂前承受的最大名義應力。計算公式:Rm = Fm / S0 (Fm為最大力,S0為原始橫截面積)。
    • 規定殘余延伸強度 (Rr): 卸除應力后,試樣的標距部分殘余延伸達到規定的原始標距百分比時對應的應力。例如Rr0.2。需通過特殊方法(如逐步加載卸除法)測定。
  2. 塑性指標 (Ductility Properties):

    • 斷后伸長率 (A): 試樣拉斷后,原始標距的伸長量與原始標距的百分比。計算公式:A = [(Lu - L0) / L0] * 100% (Lu為斷后標距,L0為原始標距)。根據標距類型可報告A(比例試樣)或Axxmm(定標距xxmm試樣)。
    • 斷面收縮率 (Z): 試樣拉斷后,縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。計算公式:Z = [(S0 - Su) / S0] * 100% (Su為斷后最小橫截面積)。此指標對材料韌性更敏感。
  3. 彈性指標 (Elastic Properties):

    • 彈性模量 (E): 在材料的線彈性變形階段,應力與應變的比值(楊氏模量)。由應力-應變曲線初始直線段的斜率確定:E = Δσ / Δε。需要高精度的引伸計在低應變范圍內測量。
 

五、 結果報告與應用

試驗報告應清晰、準確地包含所有檢測項目的結果(Rp0.2, ReH, ReL, Rm, A, Z, E等),并注明所依據的試驗標準、試樣類型、試驗溫度等信息。

意義: 拉伸試驗獲得的性能參數是工程設計、選材、制定工藝、產品質量控制和失效分析的核心依據。例如:

  • 屈服強度/規定塑性延伸強度: 是結構件設計中許用應力的基礎,防止構件發生過量塑性變形。
  • 抗拉強度: 反映材料的極限承載能力,與構件在靜載下的最大承載能力相關。
  • 斷后伸長率和斷面收縮率: 衡量材料塑性變形能力,直接影響材料在加工(如沖壓、鍛造)中的成形性和服役時抵抗過載斷裂的能力。
  • 彈性模量: 決定材料在彈性階段的剛度,是計算結構件彈性變形的重要參數。
 

綜上所述,金屬材料拉伸試驗通過標準化的程序,系統地揭示了材料在單向拉伸應力狀態下的強度、塑性和彈性特性,為材料的合理應用提供了不可或缺的科學依據。

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