測試方法對測定金屬材料屈服強度的影響分析

許科華 張琴鳳 顧敏君 徐 玉 陳 煥

江蘇法爾勝材料分析測試有限公司（214433）

0 前言

在金屬材料性能測定工作中，拉伸是重要的測定手段，能夠?qū)Σ牧闲阅苓M(jìn)行科學(xué)合理的判斷。屈服強度是金屬材料性能的重要指標(biāo)之一，在一定程度上代表了材料的承載力。工作人員在生產(chǎn)活動中也可以利用屈服強度在加工工藝與施工工藝之間的差異，來判斷施工工藝或者加工工藝是否正確。由此可見，分析測試方法對金屬材料屈服強度的影響具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 拉伸曲線中上下屈服點的確定

微機控制電子萬能試驗機是金屬材料屈服度試驗中的重要設(shè)備，該設(shè)備的應(yīng)用使得拉伸曲線繪制工作變得更加簡便，并且能夠及時顯示出金屬材料的屈服強度、抗拉強度等。結(jié)合金屬材料屈服強度的測試情況，同一批試驗樣品的試驗結(jié)果可能會出現(xiàn)較大差異。即便是不同樣品之間的離散性較大，但是很多誤差現(xiàn)象還是不合理的，因此工作人員要在試驗中多加注意，提高試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

通過多次試驗發(fā)現(xiàn)，屈服度差異較大的原因是電子萬能試驗機在尋找屈服點的過程中出現(xiàn)了誤差。在材料力學(xué)課本中對金屬材料屈服強度的定義是針對于金屬材料而言，所謂的屈服階段指的是金屬材料在試驗中的最高、最低應(yīng)力，這個應(yīng)力值可以被看做是金屬材料的上、下屈服極限。具體而言，上屈服度指的是金屬材料樣品在試驗中，因為屈服力的關(guān)系，在第一次下降前展現(xiàn)的最高應(yīng)力；下屈服度指的是試樣在試驗過程中，不計初始瞬時效應(yīng)時的最低應(yīng)力。這個初始瞬時效應(yīng)應(yīng)力是試樣在試驗中，由上屈服度過渡到下屈服度時，不算初始瞬時效應(yīng)時發(fā)生的瞬時效應(yīng)，這一效應(yīng)還被稱為慣性效應(yīng)。總的來說，金屬材料的瞬時效應(yīng)與試樣的柔度、試樣屈服特性等多種因素有關(guān)。對金屬材料的瞬時效應(yīng)開展定量評定工作具有一定難度。在此過程中，初始瞬時效應(yīng)影響區(qū)為上屈服強度向下屈服強度過度時第一個下降谷區(qū)。想要有效避開該區(qū)域的影響，需要將第一個下降谷區(qū)的應(yīng)力排除，而后選擇最小應(yīng)力作為下屈服強度。如果金屬材料在此過程中只呈現(xiàn)出一個谷值，那么該谷值應(yīng)力變?yōu)橄虑姸取５窃诖诉^程中需要注意的是，這一定義可能與一般意義上的理解存在出入，最終造成誤判。如圖1所示，F(xiàn)eH為上屈服點，F(xiàn)eL為下屈服點。

圖1 上、下屈服點易混淆的拉伸曲線

在確定金屬材料的下屈服點時，屈服點往往會選擇A點。但是在實際的試驗過程中，因為要考慮到金屬材料初始瞬時效應(yīng)帶來的影響，應(yīng)該選擇圖中A點作為下屈服點。在此過程中需要注意，金屬材料下屈服強度一般小于真實值。在確定上屈服點時，應(yīng)選擇B點。在此過程中需要注意的是，這種情況下測量到的金屬材料下屈服度往往比真實數(shù)值大。在很多情況下，這種誤差導(dǎo)致結(jié)果的準(zhǔn)確度不高，不能作為參考數(shù)值。工作人員在實際操作過程中對金屬材料上下屈服度進(jìn)行判定時，要始終遵循相關(guān)原則。在判定屈服材料的過程中，工作人員要將材料的第一個峰值應(yīng)力作為上屈服強度，無論金屬材料在后續(xù)試驗中的峰值應(yīng)力比第一峰值應(yīng)力大或者小。在測量金屬材料屈服強度的過程中，如果存在兩個及兩個以上的谷值應(yīng)力，工作人員要結(jié)合實際情況將第一個谷值應(yīng)力去除，選擇其他數(shù)值中的最小數(shù)值作為金屬材料的下屈服強度。在只能承受一個下降谷的情況下，可以將此谷值應(yīng)力判斷為下屈服強度。一旦在金屬材料屈服強度測量工作中出現(xiàn)了屈服平臺這一現(xiàn)象，工作人員要注意平臺應(yīng)力，此時的平臺應(yīng)力便是金屬材料的屈服平臺。通常情況下第一個平臺應(yīng)力便是金屬材料的下屈服強度。最終結(jié)果如果正確，金屬材料的上屈服強度一定要高于下屈服強度。

2 拉伸試驗的控制方式

拉伸試驗是測量金屬力學(xué)性能的重要方法之一。在金屬材料設(shè)計工作中，屈服強度是用來衡量承載力的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。此外屈服強度還是金屬材料工藝性能、力學(xué)性能的大致度量。筆者根據(jù)自身工作經(jīng)驗探究了拉伸實驗控制方式。

2.1 控制方式的選取

在測定金屬材料的下屈服強度時，金屬材料會在屈服期間出現(xiàn)較大的塑性延伸現(xiàn)象，但是這種應(yīng)力不是一種單向增加的過程，而是一種上下波動的過程。為了能夠達(dá)到相關(guān)應(yīng)力速率，試驗機橫梁移動速度會發(fā)生相應(yīng)的波動，最終導(dǎo)致試驗結(jié)果不準(zhǔn)確。在極端情況下，試驗機甚至可能會失控，進(jìn)而發(fā)生危險事故。如果將該實驗過程中的試驗力、橫梁移動速度、位移曲線等畫在同一曲面上，可以清楚地看到橫梁移動速度在不同時期產(chǎn)生的變化。通常情況下，在金屬材料的彈性階段，橫梁移動的速度都較為平穩(wěn)；但是在金屬材料的屈服階段，橫梁移動速度會隨之變大。尤其是在塑性階段，橫梁移動速度會愈發(fā)增大，直到后期越來越大。此時，為了試驗安全，需要合理調(diào)整應(yīng)力速率，以免發(fā)生預(yù)料之外的事情。

2.2 拉伸速率的選擇

根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如果只是為了測量金屬材料的屈服強度，在金屬材料試樣平行長度的屈服期間，其應(yīng)變速率應(yīng)該盡量選擇在0.00025/S～0.0025/S之間，以提高應(yīng)變速率的穩(wěn)定性。國家相關(guān)規(guī)定對試驗速率范圍的限定還是較為寬泛的。但是不少試驗因為受到多種因素的影響，實驗速率往往會超出規(guī)定范圍。對金屬材料尤其是低碳鋼這種材料，在試驗活動中明顯可以看出，其屈服強度會因為試驗速率的影響而產(chǎn)生較大的變化。

3 結(jié)語

在試驗中，首先應(yīng)該對電子萬能試驗機測量的拉伸曲線進(jìn)行分析，根據(jù)實際情況分析出金屬材料的屈服點。工作人員一定不能盲目信任程序自動得到的數(shù)據(jù)，并且還要根據(jù)試驗的實際情況選擇科學(xué)合理的控制方式。試驗速率會在很大程度上對屈服強度造成影響，因此，工作人員應(yīng)在同一速率下對比金屬材料的屈服強度，為金屬材料的后期應(yīng)用提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。