淺析金屬材料拉伸試驗(yàn)影響因素及控制策略

張慶廷

【摘 要】室溫拉伸試驗(yàn)是評(píng)價(jià)金屬材料力學(xué)性能的一種最為廣泛的試驗(yàn)方法，文章結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)拉伸試驗(yàn)的要求，重點(diǎn)從試樣、試驗(yàn)儀器設(shè)備、試驗(yàn)速率、試驗(yàn)溫度四個(gè)方面分析了金屬材料拉伸試驗(yàn)的影響因素，綜述了最新研究進(jìn)展，并提出了減少這些影響因素的控制策略，以提高拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】拉伸試驗(yàn) 影響因素 控制策略

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，各種原材料、精密器件、零配件乃至各類機(jī)械產(chǎn)品、車輛、建筑等的力學(xué)性能都需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)才能進(jìn)行確定。常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)包括拉伸、彎曲、沖擊、硬度、剪切、壓縮及工藝性能試驗(yàn)（擴(kuò)口、扭轉(zhuǎn)、壓扁）等，其中拉伸試驗(yàn)應(yīng)用最為廣泛，是金屬材料研制、生產(chǎn)、采購(gòu)及驗(yàn)收、產(chǎn)品質(zhì)量控制、設(shè)備安全評(píng)估的最主要的檢驗(yàn)項(xiàng)目之一。拉伸試驗(yàn)過(guò)程中的各項(xiàng)強(qiáng)度和塑性指標(biāo)是反映材料力學(xué)性能的重要參數(shù)，在有些場(chǎng)合下還可以直接用拉伸試驗(yàn)的結(jié)果作為判據(jù)[1]。

1 影響因素分析

金屬材料拉伸性能取決于材料的化學(xué)成分，組織結(jié)構(gòu)等固有屬性，但同一種材料經(jīng)過(guò)不同的拉伸試驗(yàn)，所得的試驗(yàn)結(jié)果卻不盡相同，這往往與試樣、試驗(yàn)速度、試驗(yàn)機(jī)、夾具、環(huán)境溫度及人員操作等多方面因素有關(guān)[2]。

1.1 試樣的影響

試樣是金屬材料力學(xué)性能測(cè)試的載體，正確的制備試樣是獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。由于金屬材料在冷熱加工的過(guò)程中，成分結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生各種變化，從而產(chǎn)生各處不均的形變，導(dǎo)致在試樣制備時(shí)，取樣的部位、方向、形狀等都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。

一般而言，在軋制方向上取樣力學(xué)性能較好，垂直于軋制方向則較差。同時(shí)，為了降低加工硬化帶來(lái)的影響，通常采用銑削、磨削、線切割等加工手段進(jìn)行試樣制備。呂曉剛[3]通過(guò)對(duì)端環(huán)斷后伸長(zhǎng)率不合格的影響因素的分析，得出了試樣形狀公差會(huì)造成斷后伸長(zhǎng)率降低的結(jié)論。李凱等[4]通過(guò)對(duì)比多組試樣的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了試樣機(jī)加工對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響，結(jié)果表面，試樣形狀公差越大，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率越??；尺寸正公差越大，斷后伸長(zhǎng)率越大，尺寸負(fù)公差越大，斷后伸長(zhǎng)率越??；表面粗糙度越大，抗拉強(qiáng)度和端面收縮率下降趨勢(shì)越明顯；過(guò)渡圓弧越大，上屈服強(qiáng)度越大。

1.2 儀器設(shè)備的影響

拉伸試驗(yàn)中使用的主要設(shè)備為拉伸試驗(yàn)機(jī)，其它輔助測(cè)試儀器包括引伸計(jì)、夾具、尺寸測(cè)量工具及標(biāo)距儀等。它們本身的準(zhǔn)確度及試驗(yàn)員能否正確使用會(huì)直接影響到試驗(yàn)結(jié)果。

賈少偉[5]采用相同精度的不同測(cè)量工具進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室比對(duì)，發(fā)現(xiàn)測(cè)量工具對(duì)材料屈服強(qiáng)度結(jié)果影響較大。崔德奎等[6]采用V形夾具及半圓形夾具分別對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，通過(guò)理論分析及試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，使用半圓形夾具測(cè)得鋼絞線最大力數(shù)值較大。包凱迪等[7]通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)液壓夾具夾持力（油箱油壓）對(duì)拉伸試驗(yàn)曲線影響較大，夾持力偏小，曲線彈性階段中部出現(xiàn)抖動(dòng)，接近屈服點(diǎn)的位置出現(xiàn)雙拐點(diǎn)，隨著拉力不斷增大，夾持力不足和設(shè)備間隙會(huì)影響試驗(yàn)機(jī)的響應(yīng)速率和實(shí)時(shí)性，在曲線上表現(xiàn)為屈服階段向塑性階段的過(guò)渡階段缺失。此外，對(duì)于尺寸較小或材質(zhì)偏軟的試樣，較大的夾持力會(huì)使試樣在夾持端產(chǎn)生塑性變形，影響試驗(yàn)曲線在彈性階段的線性。余立等[8]在兩種不同柔度的試驗(yàn)機(jī)上對(duì)多組性能相對(duì)穩(wěn)定的汽車用鋼板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，較大柔度的試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的材料Rp0.2及ReH值較小，而ReL、Rm及A的測(cè)量結(jié)果影響不明顯。

1.3 試驗(yàn)速率的影響

拉伸試驗(yàn)速率控制方法和速率大小是影響試驗(yàn)結(jié)果的重要因素，不同的試驗(yàn)速率控制方法在試驗(yàn)不同階段對(duì)各試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響也不同，這與材料對(duì)試驗(yàn)速率改變的敏感程度有關(guān)。因此，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能研究試驗(yàn)速率對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響。

金志勇[9]采用不同拉伸速率對(duì)無(wú)縫鋼管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)拉伸速率對(duì)試樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度影響不大，對(duì)伸長(zhǎng)率有一定影響，速率越大，材料伸長(zhǎng)率越低。梁明華[10]等采用GB/T228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)推薦的三種試驗(yàn)速率對(duì)X80管線鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，研究表面，橫梁位移速率保持恒定，試樣應(yīng)變速率并不保持恒定，材料屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度隨著試驗(yàn)速率的提高而提高。高倩倩[11]等研究了應(yīng)變速率對(duì)2024鋁合金拉伸性能的影響，并采用掃描電鏡及金相顯微鏡對(duì)試樣端面進(jìn)行分析，結(jié)果表面：在低應(yīng)變速率下，合金中位錯(cuò)密度大，分布相對(duì)均勻，材料以韌性斷裂為主，反之為脆性斷裂；隨著應(yīng)變速率的增大，材料屈服強(qiáng)度增加，抗拉強(qiáng)度略有下降，斷后伸長(zhǎng)率及端面收縮率下降，彈性模量增加。

一般而言，在保證溫度、試樣等條件相同的情況下，試驗(yàn)速率對(duì)強(qiáng)度低而塑性好的材料影響較大，對(duì)于屈服強(qiáng)度的影響比抗拉強(qiáng)度要大。此外，隨著拉伸速率的增加，材料的斷后伸長(zhǎng)率也可能會(huì)降低。

1.4 試驗(yàn)溫度的影響

根據(jù)GB/T228.1-2010的規(guī)定，室溫拉伸試驗(yàn)應(yīng)控制在10-35℃的條件下進(jìn)行，在這個(gè)范圍內(nèi)，對(duì)于多數(shù)金屬材料，環(huán)境溫度的變化對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響可以忽略不計(jì)。部分對(duì)溫度變化較為敏感的材料，隨著溫度升高，材料的塑性指標(biāo)上升而強(qiáng)度指標(biāo)下降，此時(shí)，需要用到溫度參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正。此外，對(duì)于金屬材料的高/低溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度通常與試驗(yàn)速率共同作用，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

彭劍等[12]通過(guò)分析拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)及端口形貌發(fā)現(xiàn)，中低溫下工業(yè)純鈦的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著溫度的升高和應(yīng)變速率的降低不斷降低，拉伸行為存在溫度軟化與應(yīng)變速率強(qiáng)化現(xiàn)象，并且拉伸行為的溫度敏感性強(qiáng)于應(yīng)變速率敏感性。張俊平等[13]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，孿生誘發(fā)塑性（TWIP）鋼的強(qiáng)度逐漸下降，伸長(zhǎng)率逐漸增加，應(yīng)變硬化指數(shù)隨應(yīng)變?cè)黾舆_(dá)到并維持在較高水平。劉運(yùn)騰等[14]通過(guò)高溫拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同溫度條件下，AZ80鎂合金的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均出現(xiàn)峰值，峰值應(yīng)力隨變形溫度的升高而減小，塑性變形能力隨變形溫度的升高，先升高后降低。

2 控制策略研究

除了上述幾個(gè)方面的因素，金屬材料拉伸試驗(yàn)還受到試驗(yàn)人員、試樣夾持、引伸計(jì)裝夾等諸多因素的影響。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)正確認(rèn)識(shí)這些因素對(duì)拉伸試驗(yàn)的影響，制定相應(yīng)的檢驗(yàn)操作規(guī)程，確保檢測(cè)工作符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的要求，以控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)備性，具體如下：

（1）試樣的制備應(yīng)具有代表性，不能影響其力學(xué)性能。GB/T2975-1998規(guī)定了取樣的位置及制樣要求，GB/T228.1-2010規(guī)定了板材、棒材、管材等試樣類型的形狀、尺寸及制備要求，此外，對(duì)于具體產(chǎn)品的力學(xué)性能檢驗(yàn)，其相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)取樣部位、取樣數(shù)量、性能要求都作了規(guī)定。在試驗(yàn)中，應(yīng)嚴(yán)格控制取樣、制樣、驗(yàn)收、流轉(zhuǎn)等每個(gè)環(huán)節(jié)，提高試樣的加工技術(shù)，減小各個(gè)試樣的差異，減小應(yīng)力集中，從而減少誤差，提高準(zhǔn)確性。

（2）儀器設(shè)備的量程及精度應(yīng)符合試驗(yàn)要求。拉伸試驗(yàn)機(jī)、引伸計(jì)及尺寸測(cè)量工具均需經(jīng)過(guò)有資質(zhì)的計(jì)量部門(mén)定期檢定，檢定合格并在有效期內(nèi)才能使用。此外，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的使用頻率，定期進(jìn)行設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，定期進(jìn)行期間核查，參加實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)、能力驗(yàn)證等，以確保設(shè)備的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

（3）試驗(yàn)速率控制方法及速率大小必須符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，應(yīng)根據(jù)材料的不同特性進(jìn)行選擇，并予以記錄。在進(jìn)行金屬材料拉伸試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡量采用應(yīng)變速率的控制模式，以便于對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。

（4）試驗(yàn)人員應(yīng)避免在試驗(yàn)夾持、引伸計(jì)裝卸、尺寸測(cè)量、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)帶來(lái)的人為因素的誤差，以得到正確的試驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文著重分析探討了試樣、試驗(yàn)儀器設(shè)備、試驗(yàn)速率、試驗(yàn)溫度對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響并提出了相應(yīng)的控制策略。金屬材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響因素有很多，有些因素可以通過(guò)嚴(yán)格執(zhí)行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及操作規(guī)程來(lái)減小或者消除，只有在相同的試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)結(jié)果的比較才有意義，只有認(rèn)真分析研究試驗(yàn)結(jié)果的影響因素，才能獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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