金属材料室温拉伸试验方法2011版讲.ppt

热烈欢迎,参加金属力学性能试验方法 国家标准培训班代表,金属力学性能试验方法标准概述,在力学、化学、金相、无损检验中。金属力学性能试验方法标准是冶金产品质量检测标准中重要的一部分。按国际标准化组织对本部分的分类，有如下5部分： 拉伸试验 硬度试验 韧性试验 延性试验 疲劳试验 金属材料力学性能试验国内标准概述,金属材料 第1部分：室温拉伸试验方法,概 述 GB228修改采用（MOD）ISO6892-1:2009 第一部分 GB/T228 采用ISO689209技术说明 第二部分 GB/T228 与GB/T22802标准对比 第三部分 GB/T228 标准技术内容说明 第四部分 GB/T228 引用标准介绍说明,概述 GB/T228 标准发展历史,GB228-1963 金属拉力试验法 （制定） GB228-1976 金属拉力试验法 （第1次修订） GB228-1987 金属拉伸试验方法（第2次修订） GB228-2002 金属材料 室温拉伸试验方法（第3次修订） GB228-20- 金属材料 室温拉伸试验方法（第4次修订）,金属材料 室温拉伸试验 技术内容变化,我国的金属室温拉伸试验标准GB/T228主要技术 内容完全与国际标准ISO6892新标准相同。 （见国际标准ISO6892-1:2009）,第二部分 拉伸性能的测定,本标准定义了12种可测拉伸性能，这些性能是： 强度性能： 上屈服强度（ReH） 下屈服强度（ReL） 规定塑性延伸强度（RP） 规定总延伸强度（Rt） 规定残余延伸强度（Rr） 抗拉强度（Rm）,塑性性能,屈服点延伸率（Ae） 最大力总延伸率（Agt） 最大力塑性延伸率（Ag） 断裂总延伸率（At） 断后伸长率（A）(无缩颈塑性伸长率AWn) 断面收缩率（Z）,金属材料典型拉伸曲线,金属拉伸曲线分析,金属拉伸曲线分析,a oa弹性变形阶段 线性 可逆性 b ab滞弹性变形阶段 非线性 滞后性 c bc微塑性变形 不可逆性 d cde屈服阶段 塑性变形急剧增加 e e f应变硬化阶段 塑性变形均匀连续 f f g缩颈变形阶段 产生缩颈变形 g 断裂,第1阶段：弹性变形阶段（oa） 两个特点： a 从宏观看，力与伸长成直线关系，弹性伸长与力的大小和试样标距长短成正比，与材料弹性模量及试样横截面积成反比。 b 变形是完全可逆的。 加力时产生变形，卸力后变形完全恢复。从微观上看，变形的可逆性与材料原子间作用力有直接关系，施加拉力时，在力的作用下，原子间的平衡力受到破坏，为达到新的平衡，原子的位置必须作新的调整即产生位移，使外力、斥力和引力三者平衡，外力去除后，原子依靠彼此间的作用力又回到平衡位置，使变形恢复，表现出弹性变形的可逆性，即在弹性范围保持力一段时间，卸力后仍沿原轨迹回复。Oa段变形机理与高温条件下变形机理不同，在高温保持力后会产生蠕变，卸力后表现出不可逆性。,由于在拉伸试验中无论在加力或卸力期间应力和应变都保持单值线性关系，因此试验材料的弹性模量是oa段的斜率。 用以下公式求得： E/ oa线段的a点是应力应变呈直线关系的最高点，这点的应力叫理论比例极限，超过a点，应力应变则不再呈直线关系，即不再符合虎克定律。比例极限的定义在理论上很有意义，它是材料从弹性变形向塑性变形转变的，但很难准确地测定出来，因为从直线向曲线转变的分界点与变形测量仪器的分辨力直接相关，仪器的分辨力越高，对微小变形显示的能力越强，测出的分界点越低，这也是为什麽在最近两版国家标准中取消了这项性能的测定，而用规定塑性（非比例）延伸性能代替的原因。,第2阶段：滞弹性阶段 （ab） 在此阶段，应力应变出现了非直线关系，其特点是：当力加到b点时然后卸除力，应变仍可回到原点，但不是沿原曲线轨迹回到原点，在不同程度上滞后于应力回到原点，形成一个闭合环，加力和卸力所表现的特性仍为弹性行为，只不过有不同程度的滞后，因此称为滞弹性阶段，这个阶段的过程很短。这个阶段也称理论弹性阶段，当超过b点时，就会产生微塑性应变，可以用加力和卸力形成的闭合环确定此点，当加卸力环第1此形成开环时所对应的点为b点。 第3阶段：微塑性应变阶段 （bc） 是材料在加力过程中屈服前的微塑性变形部分，从微观结构角度讲，就是多晶体材料中处于应力集中的晶粒内部，低能量易动位错的运动。塑性变形量很小，是不可回复的。大小仍与仪器分辨力有关。,第4阶段：屈服阶段 （cde） 这个阶段是金属材料的不连续屈服的阶段，也称间断屈服阶段，其现象是当力加至c点时，突然产生塑性变形，由于试样变形速度非常快，以致试验机夹头的拉伸速度跟不上试样的变形速度，试验力不能完全有效的施加于试样上，在曲线这个阶段上表现出力不同程度的下降，而试样塑性变形急剧增加，直至达到e点结束，当达到c点，在试样的外表面能观察到与试样轴线呈45度的明显的滑移带，这些带称为吕德斯带，开始是在局部位置产生，逐渐扩展至试样整个标距内，宏观上，一条吕德斯带包含大量滑移面，当作用在滑移面上的切应力达到临界值时，位错沿滑移方向运动。在此期间，应力相对稳定，试样不产生应变硬化。 C点是拉伸试验的一个重要的性能判据点，de范围内的最低点也是重要的性能判据点，分别称上屈服点和下屈服点。e点是屈服的结束点，所对应的应变是判定板材成型性能的重要指标。,第5阶段： 塑性应变硬化阶段 （ef） 屈服阶段结束后，试样在塑性变形下产生应变硬化，在e点应力不断上升，在这个阶段内试样的变形是均匀和连续的，应变硬化效应是由于位错密度增加而引起的，在此过程中，不同方向的滑移系产生交叉滑移，位错大量增殖，位错密度迅速增加，此时必须不断继续施加力，才能使位错继续滑移运动，直至f点。f点通常是应力应变曲线的最高点（特殊材料除外），此点所对应的应力是重要的性能判据。 第6阶段：缩颈变形阶段（fg） 力施加至f点时，试验材材料的应变硬化与几何形状导致的软化达到平衡，此时力不再增加，试样最薄弱的截面中心部分开始出现微小空洞，然后扩展连接成小裂纹，试样的受力状态由两向变为三向受力状态。裂纹扩展的同时，在试样表面可看到产生缩颈变形，在拉伸曲线上，从f点到g点力是下降的，但是在试样缩颈处，由于截面积已变小，其真应力要大大高于工程应力。试验达到g点试样完全断裂。,从以上典型的拉伸曲线上，可以测定金属材料如下性能： 1 上屈服强度：（c点）试样发生屈服而力首次下降前的最高应力 2 下屈服强度：（e点）屈服期间的最低应力，要注意这里要排除初始瞬时效应最低应力点所对应的应力。 3 抗拉强度：（f点）在最大力点所对应的应力。 4 屈服点延伸率：（ae）对于呈现明显屈服现象的材料，从屈服开始至均匀硬化开始之间的延伸率。要注意起点和终点的判定。 5 最大力总延伸率：f点处作一垂线，横座标原点与交点长度对应的伸长率（包括在此条件下的弹性伸长和塑性伸长率）。 6 最大力塑性延伸率：f点处作一平行于弹性段的直线，横座标原点与交点对应的伸长率。 7 断裂总延伸率：（g 点）断裂时刻的试样总伸长率（包括弹性伸长和塑性伸长率）。 拉伸过程中无明显屈服脆性材料（如淬火钢和高强钢）的拉伸曲线：,8 规定塑性延伸强度Rp： 规定塑性延伸率对应的应力，即在代表伸长的横坐标上取规定的伸长量，平行于弹性线段作一直线。在与曲线交点处作一水平线与力轴的交点力值所对应的应力为Rp。一般称平行线法，适用于弹性段为直线的拉伸曲线。 对于弹性段不是直线的拉伸曲线，上述方法无法用，此时要用滞后环法或逐步逼近法进行测定。 9 规定总延伸强度Rt： 规定总延伸率对应的应力，即在代表伸长的横坐标上取规定的伸长量，平行于力轴作一直线。在与曲线交点处作一水平线与力轴的交点力值所对应的应力为Rt。,关于金属的拉伸试验速率,1 试验速率的本质 2 试验速率的方式 3 试验速率方式的评价分析 4 拉伸速率对性能的影响 5 拉伸速率的规定 6 应力速率与应变速率的转换,测定拉伸性能对试样的要求,1 标距(6.1.1) 2 平行长度(6.1.2) 3 过渡半径(6.1.2) 4 矩形试样宽厚比 5 试样头部形状 6 圆形截面比例试样 7 矩形截面比例试样 8 扁材、线材试样 9 直径小于4mm线材试样 10 管材试样,拉伸试验要求,1 试验力零点设置 2 试样夹持方法,ISO-10.2条(49) 3 试验速率的选择及表示 控制试验速率的方式 试验条件的表示,1 上屈服强度的测定 2 下屈服强度的测定,应注意以下几点： a）当材料呈现明显屈服时，相关产品标准应规定或说明测定上屈服强度（ReH）或下屈服强度（ReL）或两者。相关产品标无规定时，测定上屈服强度（ReH）和下屈服强度（ReL）；只呈现单一屈服（呈现屈服平台）状态的情况，测定为下屈服强度（ReL）。 b）产品标准中要求测定屈服强度，但材料不呈现出明显屈服时，材料不具有可测的上屈服强度（ReH）和（或）下屈服强度（ReL）性能。建议测定规定塑性延伸强度（RP0.2），并注明“无明显屈服”。 有可能出现上述情况的材料，建议相关产品标准在规定测定屈服强度时说明当无明显屈服时要测定规定塑性延伸强度（RP0.2）。 c）如材料屈服期间力并无下降或保持恒定，而是呈缓慢增加，只要能分辨出力在增加，则判为无明显屈服状态。,3 规定塑性延伸强度的测定,塑性延伸量 L（偏离弹性点的变形量） 塑性延伸率 ep(ep L/Le) 规定塑性延伸率 ep0.2 规定塑性延伸强度 Rp0.2 ep0.2对应的应力 （ Rp0.2 Fp/S0）,1) 常规平行线方法,常规平行线方法适用于具有明显弹性直线段的材料。在应 力延伸率曲线图上，在延伸轴上用等于规定塑性延伸率的截 距点作平行于弹性直线段的平行线，交曲线于一点，此点对应 的力为所求测的规定塑性延伸力，此力除以试样原始横截面积 S0便得到规定塑性延伸强度。见标准图3. ep规定的塑性延伸率,3 )逐步逼近方法 ISO6892第13条的注。 逐步逼近方法既适用具有弹性直线段材料，也适用于无明显弹性直线段材料测定规定塑性延伸强度。 此方法是建立在“表观比例极限不低于规定塑性延伸强度RP0.2的一半”的假定，这一假定对于常见的金属材料基本真实。,4 规定总延伸强度的测定 试验时，记录力延伸曲线，直至超过规定总延伸强度。在力延伸曲线上的延伸轴上用等于规定总延伸率的截距作平行于力轴的平行线，与曲线点对应的力即为规定总延伸力，此力除以试样原始横截面积便得到规定总延伸强度。见图4. 总延伸率与塑性延伸率之间相差的是弹性部分。,5 规定残余延伸强度的验证,这种验证方法较简单。对试样连续施加力直至相应规定残余延伸强度的力，并在此力保持10秒12秒时间后卸除力，检验残余延伸是否超过规定值。如果未超过，则确认试样通过验证合格，如果超过，则确认试样不合格。 示例： Rr0.5750MPa 表明施加应力750MPa 产生的残余延伸率小于0.5。 这种验证方法，对于只要求判定产品合不合格，而不要求知道具体性能值是多少的场合是很有用的，因为验证的效率高，对大批量和多批量产品的检验有利。 但这种验证的方法，仅仅能对相关产品标准规定的规定残余延伸强度进行验证合格与否，并不能得到性能的确切数值。因此，相关产品标准或协议应说明是否采用验证方法或具体测定的方法。,6 屈服点延伸率的测定,对于不连续屈服的材料，用变形硬化开始点的延伸减去上屈服点处的延伸，除以引伸计标距得到屈服点延伸率。 变形硬化开始点的确定见图7： a) 水平线法 b) 回归线法 试验报告中应注明采用的方法。,7 最大力总延伸伸率的测定 8 最大力塑性延伸率的测定,试验时记录力延伸曲线，直至过了最大力点，见图1。最大力点的总延伸Lm除以引伸计标距Le，即为最大力总延伸率，按下式计算： 将最大力总延伸扣除弹性延伸部分即为最大力塑性延伸，将其除以引伸计标距便得到最大力塑性延伸率，按下式计算：,无缩颈塑性伸长率AWn测定方法,许多材料，最大力产生于缩颈 开始范围，表明Ag和AWn基本相同，但对大变形冷加工材料、辐照后结构钢Ag和的AWn则有不同. 棒材、线材和条材等长产品，可采用标准附录I提供的人工测量AWn方法。 为使测量有效，应满足： a)测量区的范围应处于距离断裂处至少5d（d为试样直径）和距离夹头至少为2.5d。 b）测量用的原始标距应至少等于相产品中规定的值。 AWn按下式计算：,9 断裂总延伸率的测定,试验时记录力延伸曲线，直至试样完全断裂，（见图1和后图）。断裂点的总延伸除以引伸计标距即得到断裂总延伸率，按下式计算。,断后伸长率测量要点,1 断样处于同一轴线 2 断面适当接触 3 直接测量条件 4 移位法测量(附录H) 5 自动法测量 6 A5%测量方法（附录G） 7 表示方法与换算 8 修约间隔,直接测量条件： A 试样断裂处距离等于或大于1/3 L0时; B 断后伸长率大于或等于规定值时，不管断在何处，直接测量LU。 移位法测量： 若试样断裂处与标距标点的距离小于L0/3，可采用“移位方法”（见附录H）测定伸长率。等于或大于规定最小值情况也可采用“移位方法”。 自动方法测量： 允许使用自动系统或装置测定断后伸长率和断裂总伸长率，应注意： a)引伸计标距应等于试样原始标距。 b)断裂位置处于引伸计标距范围内方为有效;但如伸长率等于或大于规定最小值，不管断裂位置处于何处测量均为有效。,A 的表示方法与换算,A 在短比例标距试样上测得的断后伸长率 A11.3在长比例标距试样上测得的断后伸长率 A80mm 在定标距试样（80mm）上测得的断后伸长率 A A 11.3 A 50 A200 碳 钢 1 0.758 1 0.574 奥氏体钢 1 0.916 1 0.839,11 断面收缩率Z的测定,断面收缩率也是金属材料重要的延性性能，但由于试样拉断时形成的最小横截面形状复杂性，没有各种形状截面试样的测定方法规定测定方法。 按照断面收缩率的定义“断裂后试样横截积的最大缩减量（S0-Su）与原始横截面积（S0）之比的百分率”。对于圆形横截面试样，通过测定试验前的原始横截面积（S0），和断后最小横截面积（Su）来计算断面收缩率。横截面测量准确至2。,1.断面形状：新标准没规定。 2.Su的测量应准确至2。 对于小直径或其它截面试样Z的测定，测量准确度较难达到2。 （指南一书80-83页） 1）圆形横截面试样Z的测定。 在断面最小处相互垂直方向测量直径，用平均值计算最小横截面积。 2）矩形横截面试样Z的测定。 用断面最小厚度及最大宽度计算。,各类试样S0的测量,1） 厚度0.13mm薄板试样： 面积准确至2，特薄板试样宽度误差2。 2） 厚度3mm的板、扁材及尺寸4mm线、棒、型材试样： 尺寸测量准确至0.5。 3） 尺寸4mm线、棒、型材试样： 面积测量准确至1。 4） 管材试样（全截面或条状）： 原始横截面测量准确至1。,一 拉伸试验测量不确定度评定原则,拉伸试验测量不确定度是根据误差累计原理，以试验方法标准和相关检定标准为依据评定的。当评定试验结果总分散度时，测量不确定度包括材料不均匀性带入的分散。因此这种评定方法对试验室实际应用是有意义的。 评定时要考虑试验方法的特点，采用设备或仪器相应标准规定。,二 评定测量不确定度的步骤,1) 求A类不确定度（公式J.1） 根据一组或多组试验结果，求出标准偏差。 2) 求B类不确定度 (公式J.2) 根据设备仪器校验证书或相关文件规定极限，要考虑分布规律。 3）计算合成不确定度（公式J.3） 用方和根方法计算。 4）计算扩展不确定度 按置信水平95，扩展系数 K2,相关标准及文件,JJF 10591999 测量不确定度评定与表示 基本概念、术语（不确定度、A类不确定度、B类不确定度、合成不确定度、扩展不确定度等） 建立测量模型（根据不同试验方法类型） 各不确定度的评定（A类、B类、合成、扩展） 测量不确定度的报告与表示,相关引用标准,拉伸试验机的检验 （相应级别试验机试验力误差规定） 单轴试验用引伸计的标定 (规定级别引伸计的量程、系统误差要求) 数值修约规则（ISO6892不列入） （有效位数、修约间隔、修约规则）,三 影响性能测定结果准确度的因素分析,影响拉伸性能测定结果准确度的因素主要归为两大类如下： a)计量参数类：例如试验机级别、引伸计、试样尺寸，包括试样原始横截面尺寸等。 b)材料和试验控制参数：例如材料性能的均匀性、试样制备的方法、试样形状及公差、试验速率、试样受力的轴向性、试验温度、数据采集与分析技术、软件的偏差，以及人为误差等。,四 不确定度分量分析,1 .与材料无关的未定系统误差 标准中规定和相关标准中规定的未定系统误差有： a)允许的测力误差（1级准确度）：1%； b)允许的测应变（位移）误差（1级引伸计准确度）：1%； c)允许的标距误差（1级引伸计）：1%； d)允许的测原始横截面积误差：1%； e)允许的测断后最小横截面积误差：2%。,标准中规定的各种性能，并不是每一种都与上述5种误差分量相关。例如，ReH、ReL和Rm三项性能与力的测量和原始横截面积的测量相关，所以这些性能与1)和4)项误差相关。RP这一性能除与1)和4)项误差相关外，还与2)和3)项误差相关，因为由延伸确定所测的力，而延伸是通过引伸计测量的。这一性能与标距误差和延伸测量误差（采用引伸计方法测）相关，即与3)和4)项误差相关。Z这一性能与原始横截面积和断后最小横截面积测量误差相关，即与4)和5)项误差相关。,六.抗拉强度测量不确定度示例,1 数学模型 按抗拉强度公式计算。 2 分量分析 a) 一组重复的试验数据 b) 试验力分量 c) 试样面积误差分量 d) 结果的修约 3 不确定度合成 4 扩展不确定度 4 结果的表示,1 基本公式,2 不确定度分量分析,(ISO6892J.4 说明) a）用一组试验数据得到A类不确定度分量 用10支d=10mm圆形截面试样在同一条件下重复试验，测出的强度均值Rm600N/mm