Lo、Le選取及試樣寬度對拉伸試驗數(shù)據(jù)的影響分析

張永福 程璐佳 姜亮亮

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海200062；2.南亮壓力容器技術(shù)（上海）有限公司，上海201900）

1 拉伸試驗理論基礎(chǔ)

1.1 拉伸試驗原理

拉伸試驗是測定力學(xué)性能應(yīng)用最廣泛的試驗方法，試驗中的彈性變形、塑性變形、斷裂等各階段真實反映了材料抵抗外力的全過程，它具有簡單易行、試樣便于制備等特點。從試驗結(jié)果中我們可以得到材料的力學(xué)性能指標(biāo)，常用的有屈服強(qiáng)度、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率等。拉伸試驗所得到的強(qiáng)度和塑性性能數(shù)據(jù)，可用于原材料的驗收、產(chǎn)品質(zhì)量評定、焊接工藝評價、新材料研發(fā)、設(shè)計的選材等，在有些場合還可直接用拉伸試驗的結(jié)果作為判據(jù)。

如圖1所示，在拉伸試驗中，我們可以看到試樣在慢慢被拉長，然后出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，最后被拉斷。這個過程共包括6個階段，即彈性變形、滯彈性變形、屈服前微塑性變形、屈服變形、均勻塑性變形、局部塑性變形。試驗機(jī)上的記錄裝置以應(yīng)力為縱坐標(biāo)，應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，記錄的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖1 拉伸過程示意圖

圖2 應(yīng)力—應(yīng)變曲線

彈性變形階段（Oa），即伸長與載荷之間服從虎克定律，在卸除拉力后試樣可以恢復(fù)到原長。滯彈性變形階段（ab），此時試樣的變形仍然是彈性的，但應(yīng)力和應(yīng)變不再符合線性關(guān)系，此階段很短，一般不容易觀察到。屈服前微塑性變形階段（bc），試樣開始出現(xiàn)連續(xù)均勻的微小塑性變形，在卸除外力后試樣并不能恢復(fù)原長。屈服變形階段（cde），試樣產(chǎn)生了較大的塑性變形。均勻塑性變形階段（ef），屈服階段結(jié)束后，必須進(jìn)一步增加外力才能使試樣繼續(xù)被拉長。局部塑性變形階段（fg），試樣在拉力的作用下，變形量增大，最終在某個截面產(chǎn)生了縮頸現(xiàn)象，直至被拉斷，在此過程中得到試樣的抗拉強(qiáng)度。

1.2 影響拉伸試驗結(jié)果的主要因素

影響拉伸試驗結(jié)果的因素主要有兩類：一是測量器具及拉伸試驗機(jī)、引伸計的精度，二是試樣形狀、尺寸、引伸計標(biāo)距選用、試驗速度等。第一類影響因素可以通過誤差累計定量分析出來，第二類影響因素并不能定量表示。我們可以通過對比試驗，恰當(dāng)?shù)剡x定試樣形狀，精確試樣尺寸等，將試驗誤差限制在一定范圍內(nèi)。本文主要討論試樣形狀即比例試樣與非比例試樣、試樣寬度以及引伸計標(biāo)距選用對試驗結(jié)果的影響。

2 試驗過程

2.1 試樣選取及制備

試樣材料取自30CrMo無縫鋼管調(diào)質(zhì)熱處理后試樣環(huán)上，共切取4個縱向弧形試樣編號為A-1、A-2、B-1、B-2。A、B兩組試樣取自相鄰位置，取樣位置如圖3所示，試樣A-1、B-1為比例試樣兼非比例試樣，如圖4所示，即在該兩支試樣上取兩組標(biāo)距，一組為按比例試樣取原始標(biāo)距，一組按非比例試樣取原始標(biāo)距Lo=50 mm；A-2、B-2為比例試樣，如圖5所示。

圖3 取樣位置圖

2.2 試驗?zāi)康?/h3>

以本試驗從鋼管上取縱向弧形試樣為例，測得材料的Rp0.2、Rm、A、Z。進(jìn)行3組對比，1組為比例試樣與非比例試驗作對比，即A-1、B-1試樣上的比例標(biāo)距和非比例標(biāo)距作對比，得出比例試樣與非比例試樣試驗結(jié)果具體差值；2組同為比例試樣，即

圖4 試樣A-1、B-1

圖5 試樣A-2、B-2

A-1、B-1上取比例標(biāo)距與A-2、B-2作對比，但兩組選用引伸計標(biāo)距不同，從而得出引伸計標(biāo)距對試驗結(jié)果的影響；3組同為比例試樣，采用不同試樣寬度，得出試樣寬度對試驗結(jié)果的影響。以此3組試樣作對比可更具體地分析出引伸計標(biāo)距Le、原始標(biāo)距Lo、試樣寬度對試驗結(jié)果的影響程度，供企業(yè)在進(jìn)行產(chǎn)品拉伸試驗時作為參照，正確選擇試樣尺寸、引伸計標(biāo)距，從而獲得更可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果。

2.3 試樣尺寸測量

試樣寬度測量采用校驗后的游標(biāo)卡尺，試樣厚度測量采用檢驗后的壁厚千分尺，具體測得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試樣尺寸表

2.4 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)

尺寸測量后按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》進(jìn)行試驗操作，具體試驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 引伸計標(biāo)距Le不同對Rp0.2的影響

規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2即塑性延伸率為0.2%時對應(yīng)的強(qiáng)度值，且延伸率只與引伸計標(biāo)距Le有關(guān)，與原始標(biāo)距Lo無關(guān)。

A-1、B-1拉伸試樣無論取固定標(biāo)距Lo=50 mm還是取比例 標(biāo)距Lo=5.65，根據(jù)引伸計 選取公 式Le≤0.9L（cLc≥Lo+1.5），該組引伸計的標(biāo)距Le都取50 mm。A-2、B-2為比例試樣，Lo=5.65且Le=100 mm。從試驗結(jié)果看，兩組試驗Rp0.2數(shù)值差中包含由于A-2、B-2、試樣橫截面積增大導(dǎo)致強(qiáng)度值略有下降。Le從50 mm變?yōu)?00 mm后，Rp0.2最大差值下降0.76%，所以引伸計標(biāo)距Le的不同，對Rp0.2的影響并不明顯。通過此次試驗可推論，只要引伸計的標(biāo)距盡量覆蓋平行長度距離，所得Rp0.2的數(shù)據(jù)差值變化都不會太大。

3.2 原始標(biāo)距Lo對斷后伸長率的影響

斷后伸長率=（Lu-Lo）/Lo，由此公式可得，斷后伸長率只與試樣原始標(biāo)距Lo有關(guān)。當(dāng)在A-1、B-1兩組試樣上取比例標(biāo)距時，測得斷后生長率分別為20.05%、21.23%。當(dāng)在A-1、B-1兩組試樣上取非比例標(biāo)距即固定標(biāo)距Lo=50 mm時，測得斷后伸長率分別為28.32%、28.60%。不難看出，采用非比例試樣測得的斷后伸長率遠(yuǎn)大于比例試樣。且試樣的原始標(biāo)距Lo值越小，所得斷后伸長率值越大。由于原始標(biāo)距的不同對斷后伸長率的數(shù)據(jù)影響較大且不方便數(shù)據(jù)間的對比，建議試驗機(jī)構(gòu)或制造商在條件允許情況下盡量采用比例試樣，即原始標(biāo)距取比例標(biāo)距。

3.3 試樣寬度對強(qiáng)度及斷后伸長率的影響

上述兩組數(shù)據(jù)可得，試樣寬度越大則屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度值越低，當(dāng)寬度增加204%時，Rp0.2最高下降0.76%，抗拉強(qiáng)度最高下降1.2%，所以寬度對強(qiáng)度的影響不明顯。

在A-1、B-1兩組試樣上取比例標(biāo)距，與A-2、B-2的試驗結(jié)果進(jìn)行比較。由于寬度增加，橫截面積增大，原始標(biāo)距也隨著增大。但寬度增加204%后，得到的斷后伸長率的數(shù)值相差2.3%、2.1%。綜上，寬度對試驗結(jié)果Rp0.2及斷后伸長率A的影響都不顯著。

4 結(jié)論

通過對比試驗結(jié)果分析得出以下結(jié)論：比例試樣與非比例試樣在斷后伸長率上差距顯著，非比例試驗測得斷后伸長率合格，比例試驗測得數(shù)據(jù)不一定合格。為了嚴(yán)格試驗結(jié)果，建議試驗機(jī)構(gòu)或制造單位必須采用比例試樣，特殊情況采用非比例試樣時也應(yīng)對斷后伸長率進(jìn)行換算；在試驗中，同為比例試樣時，采用的引伸計標(biāo)距不同并不絕對性地影響試驗結(jié)果；試樣寬度對試驗結(jié)果影響也不顯著。GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》中對管材縱向弧形試樣寬度做出明確規(guī)定，當(dāng)鋼管外徑Do＞200 mm時，試驗寬度取38 mm。但根據(jù)現(xiàn)實條件，對于壁厚較大的鋼管此試驗寬度并不可行，不僅拉伸最大力Fm接近試驗機(jī)的拉伸力值極限，且試驗尺寸較大，使得尺寸精度不能保證，在此情況下，試樣寬度可適當(dāng)縮小。