試驗速率對金屬材料力學(xué)性能的影響

余澤利，張浩，鄭曉斐，孫曉峰

（西部金屬材料股份有限公司理化檢驗中心，陜西西安 710016）

對于不同的金屬材料，拉伸時表現(xiàn)出的物理現(xiàn)象和力學(xué)性能不盡相同，試驗速率對性能的測定影響也不同。金屬材料性能指標(biāo)受速度的影響程度隨材料的不同而有所差異，因此拉伸試驗應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)試驗方法的規(guī)定速率范圍進(jìn)行，所測得的試驗數(shù)據(jù)才有較好的可比性。

拉伸試驗速率控制有兩種方式，即應(yīng)變速率控制和應(yīng)力速率控制。根據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，應(yīng)變速率控制主要包括橫梁位移速率控制和引伸計反饋控制這兩種方式。試驗過程中，測量應(yīng)變速率敏感參數(shù)時，采用應(yīng)變速率控制方式，有助于減少測量結(jié)果的不確定度和試驗速率的變化，因此金屬材料拉伸試驗過程中通常采用應(yīng)變速率控制。

對于同一種標(biāo)準(zhǔn)試樣，采用不同的試驗速率進(jìn)行試驗，其力學(xué)性能可能出現(xiàn)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率不合格的現(xiàn)象［1］；而對于不合格的試樣，如果試驗速率過大，可能會導(dǎo)致屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的提高，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能合格，因此在金屬材料拉伸性能測試過程中試驗速率的控制尤為重要［2］。

1 試驗速率對鋼性能的影響

測試鋼性材料力學(xué)性能時，試驗速率對測量結(jié)果影響很大。李忠民［3］等人通過對均勻性較好的Q235和40Si2MnV鋼材在不同試驗速率下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，試驗在同一根ψ12mm鋼筋上截取20個試樣，在室溫條件下進(jìn)行，結(jié)果表明，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗速率范圍內(nèi)，隨著試驗速率的提高，Q235的屈服點(diǎn)提高7.04%、抗拉強(qiáng)度提高1.80%，40Si2MnV的屈服點(diǎn)提高3.12%、抗拉強(qiáng)度提高1.18%。

李培芬［4］等人采用不同的試驗速率對45鋼的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率進(jìn)行研究，實驗采用經(jīng)850℃正火處理30min的45鋼，在(1.0-24)mm/min條件下進(jìn)行試驗，隨著試驗速率的增加，45鋼的抗拉強(qiáng)度逐漸增大，斷后伸長率不斷減小，當(dāng)試驗速率增加到10mm/min后，斷后伸長率的減小速率和抗拉強(qiáng)度的增大速率均開始減小。

研究表明，對于鋼材力學(xué)性能測試，增大試驗速率可以提高鋼材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度、降低鋼材塑性。試驗速率對強(qiáng)度高塑性差的鋼材(40Si2MnV)的強(qiáng)度影響較小，對強(qiáng)度低塑性好的鋼材(Q235)的強(qiáng)度影響較大。

2 試驗速率對鋁合金性能的影響

李培芬［4］等通過測試LY12鋁合金在不同拉伸速率下的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉伸速率由1mm/min增大到24mm/min時，LY12鋁合金的抗拉強(qiáng)度增加7.9MPa、斷后伸長率減小了2.1%，因此拉伸速率的提高會導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的提高和斷后伸長率的降低。

梁波［5］等人通過討論不同試驗速率及試樣尺寸對鋁合金7050T74拉伸性能的影響，結(jié)果表明：控制試驗速率為1mm/min至100mm/min時，試驗速率對鋁合金7050T74的抗拉強(qiáng)度影響較小，對斷后伸長率影響較大，隨著試驗速率的增大，斷后伸長率逐漸減小，并得出鋁合金材料拉伸試驗速率控制為50mm/min時為宜。

張臻［6］等人研究了應(yīng)變速率對Al-Zn-Mg合金室溫拉伸性能的影響，結(jié)果表明，在應(yīng)變速率較低時，主要以韌性斷裂為主，隨著應(yīng)變速率增加，開始由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，Al-Zn-Mg合金擠壓材沿拉伸方向變形明顯，且出現(xiàn)一些細(xì)小析出相，Al-Zn-Mg合金的極限抗拉強(qiáng)度略有增加，屈服強(qiáng)度增大，伸長率顯著下降。

研究表明，試驗速率對鋁合金斷后伸長率影響較大，對抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度影響不大，試驗速率過快，鋁合金塑性降低，可能導(dǎo)致測量結(jié)果不合格。

3 試驗速率對鈦合金性能的影響

郝芳［7］等人研究了室溫拉伸測試過程中應(yīng)變速率對TA15鈦合金力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明，在準(zhǔn)靜態(tài)(低試驗速率)試驗條件下，試驗速率對TA15鈦合金材料的屈服強(qiáng)度影響較大，對材料的斷后伸長率、斷面收縮率和抗拉強(qiáng)度影響較小，隨著試驗速率的增大，TA15鈦合金的屈服強(qiáng)度逐漸增大；在動態(tài)試驗條件下，試驗速率對鈦合金屈服強(qiáng)度影響更加突出，屈服強(qiáng)度是準(zhǔn)靜態(tài)試驗條件下的1.65倍。

4 試驗速率對鎂合金性能的影響

王越［8］等人為了研究應(yīng)變速率對AZ31B變形鎂合金力學(xué)性能的影響，在應(yīng)變速率為(10-4～10-1)mm/mm/s，試驗溫度為室溫條件下進(jìn)行試驗，結(jié)果表明，變形鎂合金AZ31B的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著試驗速率的增大逐漸增大，斷后延伸率隨著試驗速率的增大卻逐漸減?。皇覝貤l件下，AZ31B變形鎂合金的拉伸斷裂機(jī)制為韌脆性斷裂。

曹韓學(xué)［9］等人采用圓柱形試樣對不同應(yīng)變速率下AM60B鎂合金壓縮變形行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：隨著試驗速率的增加，鎂合金AM60B材料的塑性變形率不斷降低，流變應(yīng)力不斷增加。

5 結(jié)論

（1）增大試驗速率可以提高鋼材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度、降低鋼材塑性，試驗速率對強(qiáng)度高塑性差的鋼材強(qiáng)度影響較小，對強(qiáng)度低塑性好的鋼材強(qiáng)度影響較大。

（2）試驗速率對鋁合金和鎂合金材料的塑性影響較大，對強(qiáng)度影響較小，隨著試驗速率的提高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨之提高，而延伸率卻逐漸減小。

（3）試驗速率對鈦合金材料的屈服強(qiáng)度影響較大，對材料的斷后伸長率、斷面收縮率和抗拉強(qiáng)度影響較小，隨著試驗速率的增大，鈦合金的屈服強(qiáng)度逐漸增大，在動態(tài)試驗條件下表現(xiàn)得更加突出。

（4）對于不同的金屬材料，試驗速率對金屬材料力學(xué)性能的測定影響也不同，合理控制試驗速率，有利于提高對金屬材料力學(xué)性能測試的準(zhǔn)確性。