金属材料室温拉伸试验方法2.ppt

第三部分 试验速率和尺寸测量,试验速率对性能测定有影响，是标准试验方法必须规定的试验控制参数。试样原始横截面积准确度影响性能计算结果的准确度，是标准试验方法必须规定要求的计量参数。说明于下。一 试验速率1 试验速率的定义 试验速度是指试验进行的快慢，衡量这种快慢有以下几种方式：a) 空载横梁移动速率：空载条件下试验机横梁每单位时间的位移，常用毫米每分表示，mm/min.b) 有载试验机夹头分离速率：载荷下试验机两夹头每单位时间分离的距离，常用毫米每分表示，mm/min.,c) 应力速率：单位时间内试样应力（工程应力）的增加量，常用牛顿每平方毫米每秒表示，N/mm2s-1。d) 应变速率：单位时间内试样应变（工程应变）的增加量，常用毫米每毫米每分或毫米每毫米每秒表示，mm/mmmin-1 或 mm/mms-1。 在实践上，a) 种速率形式很少使用，因为试验机的加力系统存在一定的弹性柔度，试样与夹头，拉杆与十字头等连接有间隙存在，使得按照空载移动速率计算的试样平行长度段的应变速率与实际相差较大，尤其在低应力下相差甚远。,后三种速率的形式是拉伸试验中常采用的速率形式。有载试验机夹头分离速率比较近似反映试样平行长度的应变速率，通过控制有载夹头分离速率能较近似地控制试样实际应变速率。有相当部分的电子拉力试验机，通过控制有载下的夹头（横梁）位移速率来达到控制试样的名义应变速率。 应力速率是通过控制试验机加力系统的加力速率来达到。对于液压加载的试验机，采用应力速率比较方便。在弹性范围内，应力速率能与应变速率相对应，通过用虎克定律能准确计算。但在塑性范围，应力速率并不能与应变速率成线性关系。因此，,在弹性范围控制在某个应力速率上，以这样一个应力速率进入塑性应变范围，在塑性范围引起的应变速率是无法准确预测的。采用控制即将屈服前的应力速率来控制下屈服阶段的应变速率只是间接而不是严格的方法。 应变速率是衡量试样在试验时的变形快慢最本质的方式。目前，国际上已经可以实现采用引伸计控制方式控制试样的实际应变速率。这种方式是通过安装在试样上的引伸计的延伸信号来控制试验的速率，是直接的方法。正因如此，国际标准ISO6892：1998金属材料 室温拉伸试验方法在引言中就给出“将来采用应变 速率控制方式”的建议。,试验速率对性能测定的影响,因为试验速率对金属材料的应力应变关系有不可忽视的影响。已有很多的试验观测都表明试验速率对性能测定的影响。例如，图317和图318分别表明室温下三种应变速率对35XF钢和50XF钢室温应力应变曲线的影响。 日本在修订JISZ22411980金属材料拉伸试验方法时做过试验研究，研究了在598N/mm2s-1的应力速率范围内对冷轧、热轧钢板、厚板、高强钢及线材的屈服点（s)和扁置屈服强度（ p0.2 ）的测定影响，得到在1029N/mm2s-1 应力速率范围内,对钢的屈服点(s)和偏置屈服强度(p0.2)影响升高1020N/mm2,而对于铝合金则小与 10N/mm2。 国际标准组织在修订ISO6892：1998金属材料 室温拉伸试验标准时，研究了板钢的下屈服强度（ReL)受应变速率的影响，见图322。同时也研究了NiCr20Ti合金的规定非比例延伸强度受应变速率的影响，见图323。在试验的应变速率范围内可以粗略地看为线性关系。 国际标准ISO6892：1998(即国家标准）的附录J中的表J2给出铁素体钢，奥氏体钢和镍基合金三类材料的规定非比例延伸强度（Rp0.2)受应变速率影响的测定结果，,见表325。表中所试验的五种材料，在相同的应变范围内受影响的量从0.1%6.8%不等，受影响的敏感性不同。 试验速率对拉伸性能的影响是始终存在，而且表现的现象复杂，直到目前，拉伸速率对性能的影响还不可能用一个单一的数值或用一个简单的函数关系来表示。不同材料对试验速率的敏感程度不同，例如图324表明铝在应变速率相差800倍的水平上进行试验，两条应力应变曲线几乎重合，说明它对速率并不怎么敏感。,标准中对试验速率的相关规定,1）应力速率 标准中10.1.1.1所规定的应力速率区间，见表326（标准中的表4），其上和下限的比率与原GB/T2281987标准的相同，但把整个应力区间向上提高了1倍，区间的宽度为原来的两倍多。这样规定出于： a) 对于大多数金属材料，原来规定的速率允许区间的中线速率是处在性能对速率较敏感的影响区段，向高端移动为了想避开最敏感区。 b) 提高试验效率。,标准中表4规定的应力速率是测定ReH、 Rp 、Rt 、Rr时的试验速率要求,对于具有应力速率控制能力的试验机是容易达到的。而对于不具有这种能力的试验机或不能直接得到这种控制的试验机，需要在弹性范围内调节速率使其等效于标准表4的应力速率。 应力速率定义为“单位时间的应力增量”，实质为应力时间曲线的斜率。所以瞬时的应力速率可以通过应力时间曲线，或力时间曲线来确定。,2） 应变速率应变速率是试验速率的另一种形式，而且是最重要的形式。国际ISO6892：1998在其导言中明确建议“今后试验速度的控制方式优先给出应变速率控制方式”。这一建议，发展应变速率控制方式的试验机可能成为优先选择。本标准对测定下屈服强度、规定强度和抗拉强度规定了应变速率。 应变速率定义为“单位时间内应变的增加量”，表示为mm/mms-1，是“应变时间曲线”的斜率。所以，可以根据应变时间曲线来确定。3） 弹性阶段应力速率与应变速率的互换算 利用虎克定力，可将弹性范围内试验机的夹头分离速率V1，加力速率v2与应力速率和应变速率的等效换算。,4） 测定上屈服强度（ReH)的试验速率 标准的10.1.1.1中对测定ReH时的试验速率规定为“在弹性范围和直至上屈服强度，试验机夹头分离速率应尽可能保持恒定并在表4规定的应力速率范围内”。这一条的规定，是要求测定ReH时，不管使用何种类型的试验机，只要在屈服之前的应力速率是在规定的范围内便符合标准要求。 对于力控制类型的试验机，控制应力速率实质上是控制加力的速率。例如，钢试样直径10.00mm 其原始横截面积S0为78.54mm2，从标准的表4取应力速率 30N/mm2s-1，通过计算，相应的加力速率应为： 加力速率 78.54X30 = 2356N/s 2.4kN/s,按照加力速率2.4kN/s ，在这一试样上产生的应力速率接近 30N/mm2s-1。事实上，上述钢试样，试验时加力速率在471N/s4712N/s范围内保持尽可能恒定的一个速率都符合标准规定的要求。 对于位移控制的试验机，要使在弹性范围内试样的应力速率在标准中表4的规定范围内，则需要将应力速率换算成位移速率。 例如，钢试样其平行长度为60mm，按照标准中表4规定，应力速率范围为6N/mm2s-160N/mm2s-1，相应的位移速率范围（计算时取E = 200000N /mm2)为 : 0.108mm/min. 1.08mm/min. 对于上述钢试样，试验机夹头位移速率在这一范围内尽可能保持一个恒定的位移速率，都符合标准规定的要求。,5） 测定下屈服强度（ ReL)试验速率 标准的10.1.1.2规定“若仅测定下屈服强度，在试样平行长大的屈服期间应变速率应在0.00025/s0.0025/s之间。平行长度的应变速率应尽可能保持恒定。如不能直接调节这一应变速率，应通过调节屈服即将开始前的应力速率来调整，在屈服完成之前不再调节试验机的控制。任何情况下，弹性范围内的应力速率不得超过表4规定得最大速率。” 这一条的规定包含两层含义，其一，试样平行长度屈服期间（即整个屈服阶段）应变速率允许范围在0.00025/s0.0025/s之间。应变速率应尽可能在这一范围内保持一恒定的值。 其二，如果上述应变速率不能直接调控，允许采用通过调节屈服即将开始前的应力速率，直至屈服完成不改变试验机控制，以这样得方式间接地调节这一应变速率。当采用调节屈服即将开始前的应力速率方式时，允许的最大地应力速率不超过标准中的表4的最大速率。,应注意，标准的表4中最大应力速率有两个，对于弹性摸量小于150000N/mm2的材料，允许的最大应力速力为20N/mm2s-1;对于弹性摸量等于和大于150000/mm2的材料，允许的最大应力速率为 60N/mm2s-1。 在屈服阶段中采用应变速率而不采用应力速率方式，是因为试样在屈服期间，应力并不增加，甚至下降而塑性延伸仍然发生，这使得在屈服阶段中不可能采用应力增加速率的方式来要求试验时的速率。 对于具有位移闭环控制能力的试验机，达到上述0.00025/s0.0025/s的应变速率控制要求是容易的。所以，前述的第一层含义与这一类型试验机密切相联系。而不具有应变速率控制的试验机，要实现上述应变速率范围的控制是不容易的，甚至是不可能的。,英国曾做过试验研究，得到这样一个试验结果，通过调节屈服即将开始前的应力速率，只要这一应力速率不超过表准的表4规定的最大应力速率，且试验机的控制直至屈服阶段完成之前不改变，以这样一种速率方式进入屈服阶段，所引起的应变速率不超过上述应变范围的上限，即不超过0.0025/s 。国际标准把这一结果用于规定下屈服强度的试验速率要求。这一规定实质上对不具备应变速率控制能力的试验机能用于下屈服强度测定提供了条件。这正是前面所属的第二层含义。,6） 测定上屈服强度（ ReH）和下屈服强度（ReL）的试验速率 如在同一试验中测定上屈服强度和下屈服强度，测定下屈服强度的条件应符合标准的10.1.1.2的规定。在弹性范围直至上屈服强度，应力速率按标准的表4规定要求。在整个屈服阶段，应变速率应在0.00025/s0.0025/s范围内尽量保持恒定，如无能力直接调节这一应变速率，可采用调节屈服即将开始前的应力速率，但不得超过标准中表4规定的最大应力速率。,7） 测定规定非比例延伸强度（Rp）、规定总延伸强度（Rt） 和规定 残余延伸强度（Rr）的试验速率 测定规定非比例延伸强度、规定总延伸强度或规定残余延伸强度时的试验速率应是，在弹性范围的应力速率按标准中的表4要求，在塑性范围和直至规定非比例延伸强度、规定总延伸强度和规定残余延伸强度，应变速率不应超过0.0025/s。如果不能直接调节这一应变速率范围，调节屈服前的应力速率不超过标准中的表4规定的最大应力速率，直至测定完成不改变试验机的控制。,8） 测定抗拉强度（Rm）的试验速率 测定抗拉强度时，在塑性范围的应变速率不超过0.008/s（即相当0.48Lc/min.的夹头分离速率）。如果不同时测定其他性能而仅仅测定抗拉强度，在弹性范围的应变速率允许达到塑性范围的最大速率（即应变速率不大于0.008/s)。,9） 测定屈服点延伸率（Ae）的试验速率 测定屈服点延伸率的试验速率在标准中没有规定（因国际标ISO6892：1998没有具体规定），但因为屈服点延伸率属于材料的屈服性能之一，此性能的位置处于屈服阶段，因此，测定屈服点延伸率时，试验速率建议按照测定下屈服强度的试验速率要求。即在平行长度屈服期间应变速率应在0.00025/s0.0025/s之间尽可能保持恒定。如不能直接调节这应变速率范围，采用调节屈服即将开始前的应力速率不超过标准中的表4所规定的最大速率，直至屈服完成，不再改变试验机的控制。,10） 测定最大力总伸长率（Agt）的试验速率 测定最大力非比例伸长率（Ag）的试验速率 测定断裂总伸长率（At）的试验速率 测定断后伸长率（A）的试验速率 测定断面收缩率（Z）的试验速率 测定上面这5种性能的试验速率，在标准种没有具体规定，因为国际标准ISO6892：1998没有具体规定。但这5种性能都是重要的延性性能，试验速率对他们都有影响。建议测定这些性能时，在塑性范围的应变速率不超过0.008/s（即相当0.48Lc/min.的夹头分离速率）。如单独测定这些性能之一，可按照测定抗拉强度的试验速率要求。,二 试样原始横截面积的测定,试样原始横截面积测定的准确度高低直接影响性能的计算结果的准确性，是重要的影响因素之一。原始横截面积的测定方法及其准确度与试样的类型和尺寸有关，因此，对于试样原始横截面积测定的相关要求在标准中的附录A、B、C、和D规定。 以实测原始横截面尺寸计算原始横截面积，不采用“标称(名义）”横截面积，除非相关 产品标准另作规定。(1) 量具或尺寸测量仪器的选择 量具或尺寸测量仪器准确度的选择，应满足原始横截面积,测定准确度的要求。量具或尺寸测量仪器的分辨力是影响测定准确度的主要因素之一。 分辨力（按照国家计量标准JJG100191）定义为：“指示装置对紧密相邻量值有效辨别的能力。一般认为模拟式指示装置的分辨力为其标尺分度值的一半，数字式指示装置的分辨力为末位数的一个字码”。 例如，游标卡尺的游标分度值0.02mm ，按定义，其分辨力为0.01mm；普通千分尺的分度值为0.01mm ,按照定义，其分辨力为 0.005mm。 量具或尺寸测量装置应经校验合格方能使用。 建议按照标准的表3的要求选用量具或尺寸测量装置。,（2） 测量部位与方法 要求在试样标距范围内测出最小横截面积，以最小横截面积作为试样原始横截面积。 a) 圆形横截面试样 在标距两端及中间三出横截面上相互垂直两个方向测量直径，以各处两个方向测量的直径的算术平均值计算横截面积，取三处测得横截面积的最小值作为试样原始横截面积。按式（B2）计算。 b) 矩形横截面试样 在标距的两端及中间三处横截面上测量宽度和厚度，取三处测得横截面积最小值作为试样原始横截面积，按式（A1）计算。,c) 弧形横截面试样 在标距的两端及中间三处测量宽度和厚度（管壁厚度），取三处测得横截面积最小值作为试样原始横截面积（建议采用带球形砧或顶针形量具）。按标准中式（D1）计算。符合条件时，可以按式（D2）计算, 式(D3)误差稍大。d) 圆管段试样 在试样的任一端相互垂直方向测量外直径和四处壁厚，分别取算术其平均值，按式（D4）计算原始横截面积。,e) 称重方法测定试样原始横截面积 称重方法仅适用于具有名义等横截面的试样测定试样原始横截面积，是间接的方法，测得的是平均横截面积。 试样应平直，两端面垂直于试样轴线。测量试样长度，准确到0.5%; 称试样质量，准确到0.5%，测出或查出材料密度，准确到三位有效数字。按式（B3）计算。,f) 原始横截面积测定误差要求 圆形横截面试样：附录B规定原始直径测量允许误差在 0.5以 内,则原始横截面积测量的最大误差1% 矩形横截面试样：附录A（薄板试样）规定原始横截面积测定误 差不超过2。附录B规定宽度和厚度测量误差各允许0.5%以 内，则原始横截面积测定的最大误差1。 弧形试样：附录D规定原始横截面积测定误差不超过1. 圆管段试样：附录D规定原始横截面积测定误差不超过1 其他横截面形状的试样：原始横截面积测定误差也应在1内。 称重方法：接近1%以内。,g) 其他相关尺寸测量要求 原始标距：1以内； 断后标距：0.25mm，用分辨力优于0.1mm 的测量工具测量。 断后最小横截面积：2（标准的19.1规定). 平行长度：（当采用“力夹头位移方法测定Rp 时）按照1级引伸计标距的误差要求，即1。 引伸计标距：1% (1级准确度）；2（2级 准确度）。,新旧标准过渡期中性能名称及其符号的过渡使用,新标准GB/T2282002已经于2002年7月1日生效，标准中规定的名称和符号应执行，以便和国际通用接轨。由于相关标准，例如产品标准等，还不能马上进行修订，而还使用原来的旧符号。为了使新性能名称及其符号普及和认识，和不至于发生混乱，建议试验报告可以如下表示：例如 抗拉强度 Rm (b) 上屈服强度 ReH (sU) 下屈服强度 ReL (sL),规定非比例延伸强度 Rp0.2 (p0.2) 断后伸长率 A (5) 断后伸长率 A11.3 (10) 断面收缩率 Z ( )注：主符号字母为斜体。尽可能缩短这样的过度期。,螺纹钢筋无明显屈服点时测定性能Rp0.2,建筑用螺纹钢的产品标准大多数都规定测“屈服点”，但有时在试验中并不呈现出明显屈服状态，即无可测的屈服点。遇此种情况，建议测定“规定非比例延伸强度 Rp0.2”。因为国际上顷向于这样处理。例如：ISO69351：1990 钢筋混凝土用钢，第1部分：光圆钢筋标准中第6条规定： 对于没有明显屈服的钢，应采用性能 Rp0.2。OCT5781-82 ，第12：钢筋混凝土结构用热扎钢筋标准，在其附录中规定： 屈服强度（物理的 s 或 条件的 p0.2）。JIS3112-1987 第11部分：钢筋混凝土用钢筋标准的表31和表32其中规定：屈服点 s 或 屈服强度 p0.2。DIN4881：1984 第10部分：钢筋混凝土用钢材标准的表1规定： 屈服点 Re（s）或规定强度 Rp