拉伸曲线分析

试验原理 拉伸曲线分析 拉伸试验的本质是对试样施加轴向拉力 测量试样在变形过程中直至断裂 的各项力学性能 试验材料的全面性能反映在拉伸曲线上 因此为了对拉伸试 验透彻了解 首先复习一下拉伸曲线 根据试验材料的特性 拉伸曲线可分为 两种类型 典型的拉伸曲线 低碳钢 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 标准中 3 页图 2 a 和 b 初始瞬时效应是表现 于上屈服过后 力的突然降低的现象 其大小与试验机加力系统的柔度 试样 的柔度 拉伸速度 试样屈服特性以及测力系统的惯性守恒各种因素有关 3 抗拉强度 f 点 在最大力点所对应的应力 注意 新标准最大力的定义与 GB T228 87 不同 新标准规定 最大力是指 屈服阶段之后的最大力 当材料无明显屈服时 是试验期间的最大力 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 最大力总伸长率 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最大力非比例伸长率 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断裂总伸长率 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 这里要注意的是断裂瞬间的判定 根据自动测试系统采样频率作合 理测定 当扣除断裂瞬间的弹性伸长率时 则是断后伸长率 A 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 许多脆性材料在拉伸过程中不出现明显屈服现象 只有 3 4 阶段 oa 弹性变形阶段 ab 滞弹变形阶段 bf 应变硬化阶段 对淬火钢 到 f 断裂 对中强钢有缩颈 在此情况下 用规定条件强度表示屈服强度 8规定塑性延伸强度 Rp 规定非比例延伸率对应的应力 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规定残余延伸强度 Rr 是对于拉伸过程中不出现明显屈服现象