材料在单向静拉伸载荷下的力学性能

材料在单向静拉伸载荷下的力学性能

1.1   拉伸试验

1.1.1  概述

拉伸试验是标准拉伸试样在静态轴向拉伸力不断作用下以规定的拉伸速度拉至断裂，并在拉伸过程中连续记录力与伸长量，从而求出其强度判据和塑性判据的力学性能试验。

强度指标： 弹性极限、屈服强度、抗拉强度 ；

塑性指标： 断后伸长率、断面收缩率 。

1.1.2  概念

应力：应力是在它所作用面积上的力，用 N/mm ² 表示，在米制单位中，用千帕（ kPa ）或兆帕（ MPa ）表示。     

应变：是被测试材料尺寸的变化率，它是加载后应力引起的尺寸变化。由于应变是一个变化率，所以它没有单位。

原始标距 ( L _o ) ：施力前的试样标距。

断后标距 ( L _u ) ：试样断裂后的标距。

平行长度 ( L _c ) ：试样两头部或两夹持部分 ( 不带头试样 ) 之间平行部分的长度。

断后伸长率 ( A ) ：是断后标距的残余伸长 ( L _u -L _o ) 与原始标距 ( L _o ) 之比的百分率。

断面收缩率 ( Z ) ：断裂后试样横截面积的最大缩减量 ( S _o -S _u ) 与原始横截面积 ( ^So ) 之比的百分率。

最大力 ( F _m ) ：试样在屈服阶段之后所能抵抗的最大力。

屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。

上屈服强度：试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。

下屈服强度：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。

1.1.3  拉伸应力 - 应变曲线

以低碳钢的拉伸应力 — 应变曲线为例。

OB— 弹性阶段， BC— 屈服阶段

CD— 强化阶段， DE— 颈缩阶段

试样在各阶段变化的示意图

a 是 低碳钢的应力 - 应变曲线 ，它有锯齿状的屈服阶段，分上下屈服，均匀塑性变形后产生缩颈，然后试样断裂；

b 是 中碳钢的应力 - 应变曲线 ，它有屈服阶段，但波动微小，几乎成一条直线，均匀塑性变形后产生缩颈，然后试样断裂。

c 是 淬火后低、中温回火钢的应力 - 应变曲线 ，它无可见的屈服阶段，均匀塑性变形后产生缩颈，然后试样断裂；

d 是 铸铁、淬火钢等较脆材料的应力 - 应变曲线 ，它不仅无屈服阶段，而且在产生少量均匀塑性变形后就突然断裂。

1.1.4  拉伸试样形状及尺寸

拉伸试样的一般形状

圆形横截面拉伸试样的形状和尺寸符号

矩形横截面拉伸试样的形状和尺寸符号

矩形截面非比例试样

薄板非比例试样

经过机加工试样

不经机加工试样

1.1.5  拉伸试验前的准备

（ 1 ）取样与制样

取样部位、取样方向、取样数量是对材料性能试验结果影响较大的 3 个因素，被称为取样三要素。

样坯的切取部位、方向和数量应按照相关产品标准 GB/T2975-2018 《钢及钢产品力学性能取样位置及试样制备》或协议的规定。

取样方法

从原材料（型材、棒材、板材、管材、丝材、带材等）上直接取样试验；

从产品上的重要部位（最薄弱、最危险的部位）取样试验；

以实物零件直接试验，如、钢筋、螺栓、螺钉或链条等；

以浇注的铸件试样直接试验或经加工成试样进行试验。

（ 2 ）试样加工

防止冷变形或受热而影响其力学性能。通常以切削加工为宜。

平行段应光滑，无加工硬化，无缺口、刀痕、毛刺等缺陷；

脆性材料夹持部分与平行段应有较大半径的圆弧过渡；

不经机加工铸件试样表面上的夹砂、夹渣、毛刺、飞边等必须加以清除。

（ 3 ）试样检查、标记

试验前应先检查试样外观是否符合要求。

试样原始标距一般采用细划线或墨线进行标定，所采用的方法不能影响试样过早断裂。

对于特薄或脆性材料，可在试样平行段内涂上快干着色涂料，再轻轻划上标线。

（ 4 ）尺寸测量（试样的原始横截面积）

圆形截面试样：圆形在标距两端及中间三处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平均值作为试样原始横截面积。（ S ₀ =1/4 πd ₀ ² ）

矩形截面试样：在标距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平均值作为试样原始横截面积。（ S ₀ = a ₀ × b ₀ ）

1.1.6  拉伸试验设备

拉力试验机又名万能材料试验机。

万能试验机是用来针对各种材料进行仪器设备静载、拉伸、压缩、弯曲、剪切、撕裂、剥离等力学性能试验用的机械加力的试验机。万能试验机组成：加载机构、夹样机构、记录机构、测力机构。标准：《 GB/T 16491-2008  电子万能试验机》

夹持装置用于对不同形状、尺寸和材质的试样能顺利进行试验。引伸计用于测定微小塑性变形的长度测量仪。

试验设备校验：

电子万能试验机：《 GB/T 16825.1-2008  静力单轴试验机的检验   第 1 部分：拉力和压力试验机测力系统的检验与校准》、《 GB/T 16825.2-2005 静力单轴试验机的检验   第 2 部分：拉力蠕变试验机   施加力的检验》

引伸计：《 GB/T 12160-2002  单轴试验用引伸计的标定》

电子万能试验机及其构造

气动夹具（左）、液压夹具（右）

CSS2210  电子万能试验机引伸计（左）、 WDW-100  电子万能试验机引伸计（右）

1.1.7  拉伸试验步骤

1.2   性能指标

1.2.1  弹性

弹性模量 E （ E = σ / ε ）表征材料抵抗正应变的能力。工程上弹性模量被称为材料的刚度，表征金属材料对弹性变形的抗力，其值越大，则在相同的应力状态下产生的弹性变形量越小。

比弹性模量为弹性模量与密度的比值。

1.2.2  强度

材料强度的大小通常用单位面积上所承受的力来表示。（单位： Pa 、 MPa 、 N/m ² ）

抗拉强度（或强度极限）是指试件断裂前所能承受的最大工程应力，用来表征材料对最大均匀塑性变形的抗力。

上屈服强度： R _eH = F _eH / S ₀

下屈服强度： R _eL = F _eL / S ₀

抗拉强度： R _m = F _m / S ₀

oa—— 总变形； ba— 弹性变形 99.8% ；塑性变形 0.2%

（条件屈服强度：   R _{p 0.2} 表示规定塑性延伸率为 0.2% 时对应的应力 ）

硬钢（高碳钢）强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度，用条件屈服强度来代替屈服强度。

1.2.3  塑性

金属材料断裂前所产生的塑性变形由均匀塑性变形和集中塑性变形两部分组成。试样拉伸至颈缩前的塑性变形是均匀塑性变形，颈缩后颈缩区的塑性变形是集中塑性变形。

试件拉断后，弹性变形消失，但塑性变形仍保留下来。工程上用试件拉断后遗留下来的变形表示材料的塑性指标。

常用的塑性指标有两个：断后伸长率 A =[( L _u - L ₀ )/ L ₀ ]×100% ，断面收缩率 Z=[( S ₀ - S _u )/ S ₀ ] ×100% 。

1.2.4  应变硬化

在真应力 - 真应变曲线中，应力与应变之间符合 Hollomon 关系，即 S = Ke ⁿ （ n 为加工硬化指数或应变硬化指数）。

应变硬化指数 n 反映了材料开始屈服后，继续变形时材料的应变硬化情况，它决定了材料开始发生紧缩时的最大应力 σ _b 。形变硬化是提高材料强度的重要手段。

工程应力 - 应变曲线与真应力应变曲线对比

1.2.5  韧性

韧性是指材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。

韧度是度量材料韧性的力学性能指标，分为静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。

静力韧度是指金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功，是强度和塑性的综合指标。韧度为应力 - 应变曲线下的面积。

1.3   相关标准