金屬材料拉伸試驗影響因素及應(yīng)對措施

張文杰

（東風(fēng)商用車有限公司鑄造二廠，湖北十堰 442013）

金屬材料力學(xué)性能試驗方法是檢測和評定金屬材料產(chǎn)品質(zhì)量的最重要手段，其中拉伸試驗則是應(yīng)用最廣泛的試驗方法，拉伸性能指標是金屬材料的研發(fā)、生產(chǎn)和檢驗最主要的測試項目之一，拉伸試驗過程中的各項強度和塑性指標是反映金屬材料力學(xué)性能的重要參數(shù)。影響拉伸實驗結(jié)果準確性的因素包括：材料固有屬性的影響以及材料固有屬性以外影響。如材料的屈服極限、強度極限和彈性模量等都屬于材料的固有屬性；而產(chǎn)品的取樣以及試樣的制備、試驗設(shè)備和測試儀器的狀況、夾具的磨損及夾持方法、試驗環(huán)境溫度濕度的影響、拉伸速度及引伸計的標定等影響因素都屬于材料固有屬性以外的影響因素。材料的固有屬性影響無法在試驗過程中通過改善來降低，但是材料固有屬性以外的影響因素都是在實驗過程中產(chǎn)生的，可以通過改善來減少這些因素的影響。本論文主要從GBT228-2010標準的把握、產(chǎn)品的取樣以及試樣的制備、試驗設(shè)備和測試方法、夾具的磨損及夾持方法、拉伸速度及引伸計的標定等五個方面對金屬材料拉伸試驗的控制進行闡述。

1 GBT228-2010標準的把握

金屬材料室溫拉伸試驗方法標準規(guī)定了試驗方法的原理、定義、符號和說明、試樣及其尺寸測量、試驗設(shè)備、要求、性能測定、測定結(jié)果數(shù)值修約等。適用于金屬材料室溫拉伸性能的測定，試樣界面小于0.1 mm的金屬產(chǎn)品，例如金屬箔、毛細管等的拉伸試驗需要雙方協(xié)議。試驗一般在室溫10℃～35℃范圍進行。對溫度要求嚴格的試驗，試驗溫度應(yīng)為23℃±5℃.試樣原始截面積應(yīng)根據(jù)測量試樣原始尺寸來計算。使用量具或測量裝置應(yīng)符合表1所示分辨率。對于圓形橫截面試樣，應(yīng)在標距的兩端及中間三處兩個相互垂直的方向測量直徑，取其算術(shù)平均值，取用三處測得的最小橫截面積，按照

表1 量具或測量裝置分辨率

試樣的形狀有規(guī)定，通常試樣要進行機加工。試樣平行長度和夾持頭部之間應(yīng)以過渡弧連接，過渡弧的半徑尺寸很重要。試樣頭部形狀應(yīng)適合于試驗機夾頭的夾持。夾持端和平行長度之間的過渡弧的最小半徑應(yīng)≥0.75 d，試樣原始橫截面可以為圓形、方形、矩形或特殊情況時為其他形狀，機加工的圓形橫截面試樣其平行長度的直徑一般不應(yīng)小于3 mm.圓形橫截面尺寸要求如表2所示。

表2 圓形橫截面比例試樣尺寸要求

2 產(chǎn)品的取樣以及試樣的制備

在拉伸試驗中產(chǎn)品的取樣部位不同會造成檢測結(jié)果的差異，從金屬材料的不同位置取樣獲得的試驗樣本，其力學(xué)性能往往存在一些差異，這是由金屬材料在鑄造形成、加工過程中，成分、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷、加工變形分布不均差異造成，因此使得同一批，甚至同一產(chǎn)品的不同部位的力學(xué)性能出現(xiàn)了差異。因此在取樣時應(yīng)嚴格按照標準進行，以避免實驗結(jié)果出現(xiàn)偏差造成誤判。

在拉伸試驗中準確的試樣制備是獲得準確試驗數(shù)據(jù)的前提，切取試樣時必須防止因受熱、加工硬化及變形而影響檢測結(jié)果，切取毛坯時應(yīng)留有足夠的機加工余量，從毛坯加工成試樣，需要通過鋸切、粗車、精車、磨等機加工以及劃線，同時車削和磨削的深度和走刀速度及冷卻方式均應(yīng)合理，以防止發(fā)生因受熱或加工硬化而影響檢測結(jié)果。試樣的制備過程通常如圖1所示，每個步驟所得試樣如圖2所示。

圖1 試樣的制備過程

圖1 試樣形狀

3 試驗設(shè)備和測量方法

3.1 試驗設(shè)備

試驗機和引伸計是金屬材料拉伸試驗中常用的兩種試驗設(shè)備。其中前者主要用來向試樣施加作用力，同時測量作用力的數(shù)值；后者主要用來進行位移或延伸的測定。以上兩種試驗設(shè)備將直接影響試驗結(jié)果數(shù)據(jù)的準確性和真實性。所以，試驗時必須要確保試驗機和引伸計合格有效。

3.2 測量方法

試樣原始截面積是通過實測試樣的橫截面的尺寸而計算得到的，對于橫截面為圓形的試樣，測量橫截面的直徑，在選取測量位置時，要包括標距兩端和中間三個位置，同對互相垂直的兩個方向測量直徑，取兩個方向的平均值為直徑計算面積，取三處測的面積的最小值為試樣的原始橫截面積。

斷后伸長率的測定，如果試樣斷在標距中間1/3L0（L0為原始標距）范圍內(nèi)，則直接測量兩標點之間的長度；如果斷在標距內(nèi)，但超出中間1/3L0，采用位移方法測定斷后標距如圖3所示，實驗前通過SH-350試樣分劃器將試樣原始標距細分為5 mm間距N等分；試驗后以符號X表示斷裂后試樣短斷的標距標記，以符號Y表示斷裂試樣長段的等分標記，此標記與斷裂處的距離最接近于斷裂處至標距標記X的距離。如X與Y之間的分格數(shù)為n，按如下測定斷后伸長率：

1）如N-n為偶數(shù)（見圖2a）），測量X與Y之間的距離和測量從Y至距離為個分格的Z標記間的距離。

2）如N-n為奇數(shù)（見圖2b）），測量X與Y之間的距離，以及從Y至距離分別為（N-n-1）/2和（N-n+1）/2個分格的Z′和Z"標記之間的距離LYZ′和LYZ".

圖3 位移方法測定斷后標距的圖示說明

4 夾具的磨損及夾持方法

實驗中選用的夾具一定要與試樣形狀相匹配，和夾具的表面外型花紋相適宜，保證夾具與試樣間的摩擦力，使試樣不至于掉落下來而使實驗中斷，影響實驗效率。同時夾具在使用的過程中隨著時間的推移會不斷磨損，導(dǎo)致試樣夾不緊，需要定期更換夾具確保夾緊效果。例如V型鉗口夾具，不同直徑的試棒采用不同種類的V型鉗口夾具，夾持長度最少達到夾塊長度的3/4，確保夾持效果。

拉伸試驗中夾持方法也非常重要，如果試樣夾不住試驗則無法進行，如果夾持方法不合理，試驗結(jié)果則會出現(xiàn)較大誤差。在進行拉伸試驗時，常出現(xiàn)試樣因應(yīng)力集中而斷在夾持部分或標距外的過渡區(qū)，導(dǎo)致實驗失敗的現(xiàn)象。試驗機的加載軸線應(yīng)與試樣的幾何中心一致，如果不一致，會造成偏心加載而產(chǎn)生彎曲。一般不允許對試樣施加偏心力，因為力的偏心容易使試驗力與試樣軸線產(chǎn)生明顯偏移。拉伸夾具選用不當會使試樣產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力，從而是結(jié)果產(chǎn)生偏差，同時拉伸夾具選用不當也極易引起拉伸試樣打滑或斷在鉗口內(nèi)，導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)不準確或?qū)嶒灁?shù)據(jù)偏低?？傊?，加載系統(tǒng)、試樣幾何形狀尺寸以及材質(zhì)不均勻試樣都可能引起偏心加載，要盡量減少這些偏心效應(yīng)。

5 拉伸速度及引伸計的標定

拉伸速率是表征拉伸試驗進行快慢的參數(shù)，對性能的測定有明顯影響，通常有橫梁位移速率、平行長度應(yīng)變速率、應(yīng)力速率和應(yīng)變速率四種速率表示方式，GB/T228-2010標準中對試驗速率有明確規(guī)定。拉伸速度不僅對測試數(shù)據(jù)有影響，對拉伸曲線的形狀也有影響。一般來說，拉伸速度過快，測得的屈服點或規(guī)定非比例伸長應(yīng)力都有所提高，而且對于不同材料，速度的影響也不全相同。在彈性階段一般選擇采用應(yīng)力速率控制或負荷控制。塑性較好的材料試樣過了彈性階段后載荷增加不大，而變形增加很快，為了防止拉伸速度過快，一般采用橫梁位移控制和應(yīng)力速率控制。在彈性范圍至上屈服強度變形階段，試驗機夾頭的應(yīng)力速率應(yīng)盡可能保持恒定并在規(guī)定的應(yīng)力速率范圍內(nèi)，材料彈性模量E＜150 000 N/mm2，應(yīng)力速率應(yīng)控制在（2～20）（N/mm2）·s-1范圍內(nèi)，材料彈性模量 E≥150000N/mm2，應(yīng)力速率應(yīng)控制在（6～60）（N/mm2）·s-1范圍內(nèi)，若僅測下屈服強度，在試樣平行長度屈服期間應(yīng)變速率應(yīng)在0.000 25 mm/s～0.002 5 mm/s之間，平行長度內(nèi)，應(yīng)變速率應(yīng)盡可能保持恒定，在塑性范圍直至規(guī)定強度應(yīng)變速率不應(yīng)超過0.002 5/s（假定拉伸前試驗機上下夾頭之間距離為100 mm，其分離速度應(yīng)小于0.25 mm/s）.測定抗拉強度的試驗速度，塑性范圍平行長度的應(yīng)變速度不應(yīng)超過0.008 mm/s.彈性范圍試驗不包括屈服強度或規(guī)定強度的測定，試驗機的速度可以達到塑性范圍內(nèi)允許的最大速度。應(yīng)力速率和應(yīng)變速率切換，最好在彈性階段結(jié)束的點進行，在切換過程中要求沒有沖擊、沒有掉力，這是拉伸試驗的一個關(guān)鍵點。

引伸計是試驗機的一個重要附件，主要用于試樣變形較小的試驗，如需要準確測定材料彈性模量和規(guī)定非比例延伸強度RP0.2時，必須安裝引伸計，如果不需要測定這個性能指標，則不必安裝引伸計，引伸計裝夾與取下的方法和時機不正確，也會影響試驗結(jié)果同時還有可能造成引伸計非正常損壞。目前常用的引伸計為電子引伸計，在裝夾時將引伸計標距定位銷插在力臂與標距桿之間的定位孔內(nèi)，壓緊兩力臂，使兩刀刃接觸試樣，用彈簧將引伸計固定在試樣上，裝好后取出標距限位桿，保證上下兩刀口與試樣垂直，將帶有引伸計的試樣裝夾在試驗機上開始拉伸。有的夾具在夾緊試樣時會產(chǎn)生一個初始力，一定要把初始力消除后再夾持引伸計，這樣引伸計夾持的標距才是試樣在自由狀態(tài)下的原始標距。

引伸計標定要求：標定是給引伸計兩刀刃間以一定的標準位移，測出引伸計的相應(yīng)電信號輸出量，從而確定標準位移與輸出量的對應(yīng)關(guān)系。引伸計標定之前要對試驗參數(shù)進行設(shè)定。設(shè)定過程如圖4所示，進入實驗程序界面，再點擊參數(shù)設(shè)置下拉菜單選擇“硬件參數(shù)”點擊“確定”進入硬件參數(shù)欄，點擊“引伸計”按鈕進入引伸計設(shè)置欄如圖4c），點擊“添加”按鈕，分別在設(shè)備名稱、標距、最大變形欄內(nèi)輸入每種引伸計的參數(shù)內(nèi)容。點擊“保存”按鈕。點擊“試驗部分”下拉菜單——編輯試驗方案——基本參數(shù)——在變形傳感器欄內(nèi)選擇“引伸計”在引伸計切換點欄內(nèi)輸入合理值——控制方式——試驗速度欄內(nèi)輸入合適值。

圖4 引伸計參數(shù)設(shè)置圖示說明

表3 引伸計的分級誤差要求

圖5 引伸計標定過程圖示說明

引伸計標定方法，把引伸計線跟主機連接。點擊【系統(tǒng)管理】再選擇【聯(lián)機參數(shù)】再選擇【選擇引伸計】選擇【聯(lián)機】，把兩根校準試棒分別裝到上下夾具上，將引伸計裝在校準試棒上，如圖5a）所示，然后取下定位銷，對位移和變形工具欄清零。按△鍵，液壓夾具開始上升，然后記錄不同測量點的位移值Li和變形值Lt，標定要做兩組測量，每組測量至少要包含10個測量點Li和Lt，且10個測量點要盡可能均勻分布在引伸計的整個標定范圍內(nèi)。第一組測量完成后，取下引伸計，再重新裝在校準試棒上，然后用與第一組相同的方法進行第二組測量。每個測量點均要計算其系統(tǒng)相對誤差，對于某一給定位移Li，

如果每個測量點的結(jié)果都符合表3要求，則標定合格，否則進行圖5操作：選擇【參數(shù)設(shè)置】再選擇【校準】選擇【引伸計】，如圖5b）所示，將位移數(shù)值輸入給參考值，選擇【自動校準】選擇【退出】如圖5c）所示，取下引伸計，重新點擊【系統(tǒng)管理】開始執(zhí)行標定操作。

6 結(jié) 論

影響金屬材料拉伸試驗檢測結(jié)果的因素包括材料的固有屬性以及外部因素。在實際檢測中為了確保實驗數(shù)據(jù)的準確可靠，應(yīng)盡量減小各種外部因素的影響，同時要針對各種影響因素制定相應(yīng)的標準作業(yè)規(guī)范，嚴格控制試驗過程，確保操作符合標準和規(guī)程要求，獲得準確的試驗數(shù)據(jù)。