淺談試驗(yàn)速率對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響

宗震霆

（常州市便民服務(wù)中心，江蘇 常州 213200）

實(shí)驗(yàn)速率對(duì)金屬材料的影響主要為鋼材屈服點(diǎn)，其中試驗(yàn)對(duì)于鋁合金、鎂合金等材料的塑性影響較大，對(duì)鈦合金屈服強(qiáng)度影響較大。要科學(xué)控制試驗(yàn)速率，確保金屬材料力學(xué)性能達(dá)到目標(biāo)值是開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的前提。當(dāng)前運(yùn)用最為廣泛的試驗(yàn)便是拉伸試驗(yàn)，由于其所具有的簡(jiǎn)單性、便捷性、直觀性等特點(diǎn)，試樣容易加工且結(jié)果具有代表性。為了進(jìn)一步提升試驗(yàn)速率數(shù)據(jù)的精確性，特提出本文論點(diǎn)。

1 試驗(yàn)速率簡(jiǎn)析

試驗(yàn)速率主要表現(xiàn)在試驗(yàn)過(guò)程中，為達(dá)到檢測(cè)數(shù)據(jù)目標(biāo)值而調(diào)節(jié)快慢的一項(xiàng)參數(shù)，在拉伸試驗(yàn)中，速率便有空載橫梁位移速率、有載試驗(yàn)機(jī)夾頭分離速率、應(yīng)力速率、應(yīng)變速率四大類(lèi)形式。最后三種是拉伸試驗(yàn)中最常用的速率控制方式。針對(duì)不同的金屬材料，在拉伸時(shí)所展示的物理現(xiàn)象、力學(xué)性能都有所不同，因此試驗(yàn)速率對(duì)性能的檢測(cè)效果也有很大的差異。金屬材料力學(xué)性能指標(biāo)所受試驗(yàn)速率的影響程度因材料的變化而變化。對(duì)此，在拉伸試驗(yàn)中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，不得超過(guò)規(guī)定的速率范圍，這樣才能確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性以及可比性。

依照《金屬材料拉伸試驗(yàn)：室溫試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定，將應(yīng)變速率控制分為2種方式即引伸計(jì)反饋控制、橫梁移位速率控制。在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，相關(guān)工作人員試驗(yàn)獲取到的應(yīng)變速率相關(guān)數(shù)據(jù)，可采用應(yīng)變速率控制的方式。能夠極大地控制測(cè)量結(jié)果誤差，降低不確定性，避免引起試驗(yàn)速率的較大變化。

當(dāng)待測(cè)樣品屬于同類(lèi)金屬時(shí)，需采用不同的實(shí)驗(yàn)速率進(jìn)行驗(yàn)證，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，對(duì)比分析出結(jié)果。測(cè)試金屬材料的力學(xué)性能需涉及到材料延伸率、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等等。若測(cè)試結(jié)果不合格，要及時(shí)調(diào)整試驗(yàn)速率，金屬材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度值可增強(qiáng)，驗(yàn)證出的金屬材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)符合規(guī)定要求，對(duì)此在金屬材料拉伸性能測(cè)試中要科學(xué)控制試驗(yàn)速率，減少誤差。

2 試驗(yàn)速率對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響

2.1 對(duì)鋼性能的影響

在對(duì)金屬材料進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，部分材料對(duì)試驗(yàn)速率的變化較為敏感，所產(chǎn)生的測(cè)量結(jié)果影響很大。例如在對(duì)Q235（強(qiáng)度低、塑性好）以及40SiMnV（強(qiáng)度高、塑性差）兩種常見(jiàn)鋼材進(jìn)行測(cè)驗(yàn)時(shí)，分別將兩種類(lèi)型的材料放于不同的試驗(yàn)速率狀態(tài)下，測(cè)定兩種金屬材料的力學(xué)性能。在進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試時(shí)，取一根直徑為12mm的鋼筋，截出20個(gè)試樣品，存放于常溫環(huán)境下，測(cè)定結(jié)果為：設(shè)定在計(jì)劃試驗(yàn)速率范圍內(nèi)，提升試驗(yàn)速率，金屬材料的屈服數(shù)值和抗拉強(qiáng)度值也有所上升。

對(duì)45鋼的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在不同的試驗(yàn)速率下，將45鋼置于溫度達(dá)到850℃的條件下火燒半個(gè)小時(shí)，并在（1.0～24）mm/min的條件下開(kāi)展試驗(yàn)，提升試驗(yàn)速率的同時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度也隨之提升，而斷后伸長(zhǎng)率卻隨之降低。當(dāng)試驗(yàn)速率提升到10mm/min的條件時(shí)，材料斷后伸長(zhǎng)率的減小程度與抗拉強(qiáng)度的增大程度都在減緩。

通過(guò)兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)，對(duì)鋼材的力學(xué)性能進(jìn)行速率測(cè)試，當(dāng)提升試驗(yàn)速率時(shí)，能夠顯著提升鋼材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，但與此同時(shí)，材料的塑性也會(huì)降低。此外，試驗(yàn)速率對(duì)于強(qiáng)度高、塑性差的鋼材強(qiáng)度影響較低；對(duì)強(qiáng)度低、塑性好的鋼材強(qiáng)度影響較高。

圖1 鋼材力學(xué)性能速率測(cè)試圖

2.2 對(duì)鋁合金性能的影響

鋁合金的主要合金元素是鎂和硅。具有優(yōu)秀的加工性、焊接性、擠壓性、電鍍性、耐腐蝕性、韌性、容易研磨性、陽(yáng)極氧化效果，是典型的擠壓合金。鋁合金型材由于其可塑性、適度的熱處理強(qiáng)度、良好的焊接性能、陽(yáng)極氧化后的光鮮表面，廣泛用于建筑型材、灌溉管、車(chē)輛管、平臺(tái)管、家具管、電梯管、柵欄管等。如果在鋁合金中加入一定量的錳和鉻，可以中和鐵的破壞作用。為了在不顯著降低耐蝕性的情況下提高合金強(qiáng)度，有時(shí)會(huì)添加少量的銅或鋅。導(dǎo)電材料含有少量銅，以抵消對(duì)鈦和鐵導(dǎo)電性能的不利影響。鋯或鈦可以控制再結(jié)晶組織，細(xì)化顆粒；添加鉛和鉍以提高加工性。由于金屬特性的不同，所制成的合金材料載荷能力也有所不同。在試驗(yàn)中，選取的測(cè)試樣品為鋁合金材料測(cè)試其拉伸速率。待測(cè)材料設(shè)定不同的拉伸速率，主要測(cè)量材料斷后伸長(zhǎng)率、抗拉強(qiáng)度等相關(guān)指標(biāo)。通過(guò)驗(yàn)證可知：當(dāng)拉伸速率從1mm/min逐漸提升到24mm/min時(shí)，該材料的抗拉強(qiáng)度變化達(dá)到7.9MPa（增加）、斷后伸長(zhǎng)率的變化則為-2.1%（降低）。說(shuō)明試驗(yàn)速率的提升會(huì)使得鋁合金的抗拉強(qiáng)度提升、斷后伸長(zhǎng)率降低。

圖2 鋁合金材料抗拉強(qiáng)度變化情況

選擇不同的試樣尺寸進(jìn)行試驗(yàn)，分析7050T74鋁合金在不同試驗(yàn)速率下的性能變化。試驗(yàn)結(jié)果表明：將試驗(yàn)速率從1mm/min提升到100mm/min時(shí)，該材料的抗拉強(qiáng)度并未出現(xiàn)較大的變化，但對(duì)斷后伸長(zhǎng)率的影響較大。伴隨試驗(yàn)速率的繼續(xù)提升，斷后伸長(zhǎng)率持續(xù)降低，可以得到結(jié)論：在對(duì)鋁合金類(lèi)金屬材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，最適宜的速率最好為50mm/min。

繼續(xù)測(cè)試應(yīng)變速率對(duì)鋁合金材料室溫拉伸性能的影響效果。選用材料為Al-Zn-Mg合金。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)應(yīng)變速率處于較低數(shù)值時(shí)，材料會(huì)出現(xiàn)斷裂，金屬材料斷裂主要是韌性斷裂。改變應(yīng)變速率后，材料性能發(fā)生變化，斷裂性質(zhì)表現(xiàn)為脆性斷裂。金屬材料的變形方向以拉伸方向?yàn)橹?，同時(shí)出現(xiàn)部分不明顯的析出相。金屬材料的抗拉強(qiáng)度得到顯著提高，屈服強(qiáng)度變大，斷后伸長(zhǎng)率下降幅度最大。

該實(shí)驗(yàn)表面，試驗(yàn)速率對(duì)鋁合金的斷后伸長(zhǎng)率具有顯著影響，而不會(huì)較大影響合金材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度。當(dāng)試驗(yàn)速率大幅變化時(shí)，鋁合金材料的塑性會(huì)隨之降低，可能會(huì)使得測(cè)量結(jié)果不精確，與規(guī)范不符。

2.3 對(duì)鈦合金性能的影響

在室溫條件下進(jìn)行拉伸測(cè)試，選用材料為T(mén)A15鈦合金。試驗(yàn)結(jié)果表明，在準(zhǔn)靜態(tài)（即試驗(yàn)速率較低的狀態(tài)）條件下，材料對(duì)試驗(yàn)速率的敏感性較強(qiáng)，鈦合金材料的斷面收縮情況、抗拉狀態(tài)、屈服強(qiáng)度等會(huì)出現(xiàn)大幅度變化。在提高拉伸試驗(yàn)速率的情況下，鈦合金材料的屈服強(qiáng)度發(fā)生改變。基于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，鈦合金材料試驗(yàn)速率影響其屈服強(qiáng)度尤為明顯，測(cè)量結(jié)果顯示在動(dòng)態(tài)條件下鈦合金材料屈服強(qiáng)度比在室溫條件下屈服強(qiáng)度提高了1.65倍。

2.4 對(duì)鎂合金性能的影響

為了研究試驗(yàn)速率對(duì)鎂合金材料力學(xué)性的影響，選擇AZ31B為試驗(yàn)材料，應(yīng)變速率設(shè)置為（10-4～10-1）mm/min/s，試驗(yàn)溫度依然為室溫條件。試驗(yàn)表明，當(dāng)提升試驗(yàn)速率時(shí)，鎂合金材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度都會(huì)隨之增加，而斷后延伸率呈反比關(guān)系，即隨著速率的提升而減小。該試驗(yàn)所發(fā)生的拉伸斷裂形式為韌脆性斷裂。

若采取圓柱形試樣進(jìn)行試驗(yàn)，在不同的試驗(yàn)速率環(huán)境下，鎂合金材料的塑性性能會(huì)隨著速率的增加而降低，流變應(yīng)力持續(xù)提升。

3 結(jié)論

通過(guò)上述幾項(xiàng)對(duì)比試驗(yàn)可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）對(duì)于鋼材料來(lái)說(shuō)：提升試驗(yàn)速率，能夠使得抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度提升，而剛才塑性降低。實(shí)驗(yàn)速率對(duì)強(qiáng)度高、塑性差的剛才強(qiáng)度影響較低，反之亦然。

（2）針對(duì)鎂合金材料和鋁合金材料試驗(yàn)：兩種材料的可塑性受試驗(yàn)速率影響較大，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨試驗(yàn)速率提升而升高，斷后延伸率數(shù)值明顯降低。

（3）鈦合金材料進(jìn)行力學(xué)性能研究后發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)速率對(duì)屈服強(qiáng)度有較大影響，斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率、抗拉強(qiáng)度等影響較低。隨著試驗(yàn)速率的提升，屈服強(qiáng)度增加。該性能變化在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中更加明顯。

（4）對(duì)于不同的金屬材料，試驗(yàn)速率的變化都會(huì)對(duì)金屬材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不同的影響，合理控制試驗(yàn)速率能夠顯著增強(qiáng)試驗(yàn)精確性，讓測(cè)試數(shù)據(jù)更加符合規(guī)范要求，可以幫助測(cè)試人員更好地進(jìn)行科研。