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第三章静拉伸试验 1 拉伸性能 通过拉伸试验可测材料的弹性 强度 延性 应变硬化和韧度等重要的力学性能指标 它是材料的基本力学性能 拉伸性能的作用 用途 a 在工程应用中 拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一 b 提供预测材料的其它力学性能的参量 如抗疲劳 断裂性能 研究新材料 或合理使用现有材料和改善其力学性能时 都要测定材料的拉伸性能 2 载荷通常指施加于机械或结构上的外力 载荷根据大小 方向和作用点是否随时间变化可以分为静载荷和动载荷 其中静载荷包括不随时间变化的恒载 如自重 和加载变化缓慢以至可以略去惯性力作用的准静载 如锅炉压力 动载荷包括短时间快速作用的冲击载荷 如空气锤 随时间作周期性变化的周期载荷 如空气压缩机曲轴 和非周期变化的随机载荷 如汽车发动机曲轴 静态载荷特点 缓慢加载和低的变形速率 材料测试使用静载荷的有 拉伸 扭转 弯曲 压缩等 单向静拉伸 是最简单的 也是最有代表性的 静载荷 StaticLoad 3 B 低碳钢的力 伸长曲线 OP 弹性变形 F L Pe 过量弹性变形 Pe偏离OP eC 屈服变形 不均匀塑性变形 CB 均匀塑性变形 Bk 局部变形 k 断裂 Lk 第一节拉伸的基本概念 一 拉伸图和应力 应变图 4 可见 真应力大于工程应力 真应变总是小于工程应变 二者关系S 1 e ln 1 真应力 真应变曲线 真应力 应变曲线 应力 应变 低碳钢的应力 应变曲线 5 为了消除掉试件尺寸的影响 将试件拉伸图转变为材料的应力 应变曲线图 图中 l0 原始标距 条件应变 6 拉伸过程五个阶段的变形特征及应力特征点 1 弹性阶段OB 此阶段试件变形完全是弹性的 且 与 成线性关系 E 线段OA的斜率 比例极限 p 对应点A 弹性极限 e 对应点B 7 2 屈服阶段 此阶段应变显著增加 但应力基本不变 屈服现象 产生的变形主要是塑性的 抛光的试件表面上可见大约与轴线成45 的滑移线 8 3 均匀变形阶段 此阶段材料抵抗变形的能力有所增强 此阶段如要增加应变 必须增大应力 有加工硬化现象 9 4 局部变形阶段 试件上出现急剧局部横截面收缩 颈缩 直至试件断裂 伸长率 断面收缩率 A1 断口处最小横截面面积 平均塑性伸长率 10 其他金属材料在拉伸时的力学性能 锰钢没有屈服和局部变形阶段 强铝 退火球墨铸铁没有明显屈服阶段 共同点 属塑性材料 11 灰口铸铁在拉伸时的s e曲线 特点 1 s e曲线从很低应力水平开始就是曲线2 没有屈服 强化 局部变形阶段 只有唯一拉伸强度指标sb3 伸长率非常小 拉伸强度sb基本上就是试件拉断时横截面上的真实应力 典型的脆性材料 12 13 工程应力 工程应变 真应变 真应力 外加载荷拉力F除以标距处的原始截面积A0 试样伸长量 L除以原始标距长度L0 试样瞬时伸长量dL除以该时刻的长度L 式中e为真应变 外加载荷拉力F除以相应的试样瞬时截面积A 二 条件应力与真实应力 三 条件应变与真实应变 由于在拉伸过程中 试样长度是逐渐增加的 所以条件应变不能反映实际试样的真实相对伸长 例如 将原长为100mm的试样 先拉长为120mm 此时第一次的条件应变 120 100 100 0 2 再将试样进一步拉长到144毫米 第二次的条件相对伸长为 144 120 120 0 2 两次伸长叠加起来等于0 4 但是如果将原长为100毫米的试样 一次拉长到144毫米 其条件相对伸长 144一100 100 0 44 可见两者并不相等 后者大于前者 由此可见 条件应变不能代表实际试样的相对伸长 实际试样的相对伸长应该用真实应变e来表示 14 可见 真应力大于工程应力 真应变总是小于工程应变二者关系P61 特点 在弹性变形阶段 由于试样的伸长和截面收缩很小 和工程应力应变曲线基本重合 数值也接近 但在塑性变形阶段 真应力呈单调增长 越来越大 试样在k处断裂 真应力达到最大 真应力真应变曲线直观的反映了材料拉伸变形时的特征力学现象 应变硬化行为 15 材料力学表明 任何复杂的应力状态都可用3个主应力 1 2和 3 1 2 3 来表示 最大切应力 max 1 3 2最大正应力 max 1 2 3 应力状态软性系数 max max 越大 最大切应力分量越大 表示应力状态越软 材料越易于产生塑性变形 越小 最大正应力分量越大 表示应力状态越硬 材料越容易产生脆性断裂 四 应力状态软性系数 16 三向等拉伸 应力状态最硬 因其切应力分量为零 在这种应力状态下 材料最易发生脆性断裂 因此对于塑性较好的金属材料 为了充分揭示其脆性倾向 往往采用应力状态硬的三向不等拉伸试验 防止其仅产生塑性断裂 单向拉伸 正应力分量较大 切应力分量较小 应力状态较硬 一般适用于塑性变形抗力与切断抗力较低的塑性材料的试验 扭转和压缩 应力状态较软 材料易产生塑性变形 一般适用于在单向拉伸时易发生脆断而不能充分反映其塑性性能的所谓脆性材料 如灰铸铁 淬火高碳钢和陶瓷等 硬度试验 属于三向不等压缩应力状态 应力状态非常软 因此硬度试验可在各种材料上进行 17 力 伸长曲线是拉伸试验中记录的拉伸力对伸长的关系曲线实验标准符合相关的标准 拉伸试验机上缓慢加载 低的变形速率 并常用标准的光滑圆柱体试样进行试验 金属材料拉伸试样测试标准GB T228 1 2010 金属拉伸试样示意图 a 尺寸 b 试样 第二章拉伸力学性能指标及其测定 一 拉伸试样 18 GB T228 1 2010 金属材料室温拉伸试验方法 二 强度指标及其测定 一 屈服强度 s 是指材料出现屈服现象时 即产生塑性变形而力不增加的状况 所对应的应力点 如应力在屈服阶段发生变化 它可区分为上屈服强度和下屈服强度 上屈服强度 ReH 是指试样发生屈服 而力首次下降前的最高应力 下屈服强度 ReL 是指屈服期间 不计初始瞬时效应的最低应力 如图3 5 a b c d ReH FsU S0 3 11 ReL FsL S0 3 12 式中 FsU FsL 屈服阶段施加在试样上的力 kN S0 试样原始横截面积 mm2 19 屈服强度的测定 1 图解法 试验时记录力 伸长曲线或力 位移曲线 从曲线图读取力首次下降前的最大力FsU 以及不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小力FsL或屈服平台的恒定力Fs 再将其分别除以试样的原始横截面积 S0 则可分别得到上屈服强度和下屈服强度 2 指针法 试验时 读取测力刻度盘的指针首次回转前指示的最大力FsU和不计初始瞬时效应时 屈服阶段中指示的最小力FsL或首次停止转动指示的恒定力 将其分别除以试样的原始横截面积 S0 则可分别得到上屈服强度和下屈服强度 20 二 规定塑性延伸强度Rp 是指试样在加载过程中 塑性延伸率等于规定的百分率时的应力 例如Rp0 01表示规定塑性延伸率为0 01 时的应力 在试验中任一时刻 塑性延伸率 100 引伸计标距的增量 L 引伸计标距L0 Rp Fp S0式中 Fp 对应于Rp 施加在试样上的力 kN S0 试样原始横截面积 mm2 21 规定塑性延伸强度Rp的测定 规定塑性延伸强度Rp的测定也可采用图解法 但要求坐标伸长比例 n 应不低于1000倍 即拉伸曲线的坐标伸长与试样实际伸长量的比例应不低于1000倍 试验时应变速率应不超过0 0025 s 应力速率应符合表3 4的规定 同时记录力 伸长曲线或力 位移曲线 然后在曲线上画一条直线 该直线在横坐标轴上的截距等效于规定塑性延伸率 且与曲线的弹性直线部分平行 该直线与曲线的交截点A对应着规定塑性延伸强度的外力Fp 此力除以试样的原始横截面积 S0 则可得到规定塑性延伸强度Rp 如图3 6 22 三 规定总延伸强度P66定义见标准第5页测试方法见标准中第13页 23 四 规定残余延伸强度P67定义见标准第6页测试方法见标准中第13页 24 五 抗拉强度Rm b 是指试验过程中对应最大力 m的应力 它表示材料在拉伸条件下所能担负的最大负荷的应力值 Rm m S0式中 m 拉断前试样所能承受的最大力 kN 25 抗拉强度Rm测定 图解法 试验时自动记录力 伸长曲线或力 位移曲线 试验结束后 从试验时记录的力 伸长曲线或力 位移曲线上读取试验过程中的最大力 m 如图3 9 指针法 拉伸试验时 根据测力计刻度盘的指针位置 直接试验过程中的最大力 m 此力除以试样的原始横截面积S0便可得到抗拉强度Rm 26 断裂强度 k 是拉断试样时的真实应力 它表征材料对断裂的抗力 脆性材料一般不产生缩颈 拉断前的最大力Fm就是断裂时的外力Fk 它是设计的主要依据 但是对塑性材料来说 它不能反映拉断试样时的真实应力 在工程技术上意义不大 k Fk Sk测定方法 P68 27 强度指标在设计中的应用 由于不同零件允许的塑性变形量是不同的 因此可根据塑性变形量的要求分别选用不同的强度指标作为设计和选材的依据 一般对于要求特别严的零件 应根据材料的弹性极限或比例极限 规定塑性延伸强度 来进行设计和选材 而对于要求不十分严格的零件 则要以材料的屈服极限作为设计和选材的主要依据 如允许变形的零件则以抗拉强度为依据 28 老标准内原有的微量塑性变形抗力指标 比例极限 p 和 弹性极限 e 在新标准中已由 规定塑性延伸强度Rp 所取代 比例极限和弹性极限已没有质的区别 只是塑性延伸率的大小不同而已 即残余变形量不同 例如比例极限 p残余变形量为0 001 0 01 弹性极限 e残余变形量为0 005 0 05 而屈服极限的残余变形量为0 1 0 5 从工程技术上来看 三者都是金属的塑性变形抗力指标 比例极限和弹性极限是开始塑性变形的抗力指标 而屈服强度则是明显塑性变形的抗力指标 它们相互之间并无实质性区别 29 p和 e及屈服强度之间的关系 30 三 塑性指标及其测定 拉伸试验测得的材料塑性指标主要有断后伸长率A和断面收缩率Z 其次还有断裂总伸长率At 屈服点延伸率Ae 最大力非比例伸长率Ag和最大力总伸长率Agt等 31 一 断后伸长率 断后伸长率A 是指断后标距的残余伸长 Lu L0 与原始标距L0之比的百分率 A Lu L0 L0 100 式中 Lu一 试样断裂后的标距长度 mm L0一 试样的原始标距长度 mm 32 断后伸长率A的测定 试验前先在试样上作出标距 标距一般分为10格 接下来进行拉伸 直到试样断裂 然后测出破断试样的标距长度Lu 由于断后伸长率A受断裂位置影响 所以测定Lu时需分两种情况 1 当断口到邻近标距点大于1 3L0 直接测量断后的标距长度 得到Lu 33 2 当断口到邻近标距点AO小于或等于1 3L0 位移法测量 先在长段上 将断口处O点作为起点 截取B点 令OB段的格数等于OA段的格数 A当长段减去OB段所余格数为偶数时 接着再截取长段所余格数之半 得到C点 位移后的Lu为 Lu AO十OB十2BC 当长段减去OB段所余格数为奇数时 接着再截取所余格数减1与加1之半 得到C1与C2点 位移后的Lu为 Lu AO十OB十BC1十BC2 34 试样尺寸对断后伸长率A的影响 可以证明断后伸长率A与试样尺寸有下列关系式 A Lu L0 L0 L0 S0 1 2式中 L0 试样的原始标距长度 mm S0 试样的原始截面积 mm2 和 为常数 对同一金属制成的几何形状相似的试样恒为定值 由上式可知 延伸率A除决定于 和 之外 尚受试样尺寸的影响 随着 S0 1 2 L0的减小而减小 可见短试样的 S0 1 2 L0数值比长试样的大一倍 通常将这比值的倒数L0 S0 1 2