拉伸試驗(yàn)機(jī)參數(shù)設(shè)定對(duì)鋁合金試驗(yàn)結(jié)果的影響

李恩波，謝海光，王 宇

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng)111003）

0 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，新材料的不斷出現(xiàn)，工業(yè)上對(duì)材料的品種和數(shù)量需求不斷增加，對(duì)材料的力學(xué)性能要求也越來越高[1-2]。拉伸試驗(yàn)是研究鋁合金力學(xué)性能最常見、最重要的試驗(yàn)方法之一，通過拉伸試驗(yàn)可以測(cè)定鋁合金最基本的力學(xué)性能指標(biāo)，如彈性、強(qiáng)度、塑性、應(yīng)變硬化及韌性等性能指標(biāo)[3-6]。試驗(yàn)所得到的力學(xué)性能數(shù)據(jù)不僅可以作為評(píng)定鋁合金材料和優(yōu)化工藝的依據(jù)，還對(duì)新合金的研發(fā)和設(shè)計(jì)具有很好的參考應(yīng)用價(jià)值[7-8]。

電子拉伸機(jī)是機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合的大型精密測(cè)試儀器，在拉伸試驗(yàn)前，可以通過預(yù)設(shè)試驗(yàn)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)拉伸過程的控制，從而得到拉伸試驗(yàn)相關(guān)的力學(xué)性能指標(biāo)。設(shè)置控制參數(shù)的選擇，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性非常重要。本文分析了試驗(yàn)速率、彈性模量、斷裂檢測(cè)點(diǎn)以及引伸計(jì)等參數(shù)的設(shè)定對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響，并指出其影響機(jī)理，給出了正確的選擇。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

拉伸試驗(yàn)用的設(shè)備為島津有限公司的AG-X 100 kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)載荷為100 kN，載荷測(cè)量精度為0.5級(jí)，試驗(yàn)速度范圍為0.0005~1 000 mm/min，采用試驗(yàn)機(jī)自帶的TRAPEZIUM X軟件進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)處理。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)用拉伸試樣均在同一批次的擠壓型材上、在同一取樣位置處沿?cái)D壓方向采用冷剪切方式切取，并按照國(guó)標(biāo)GB/T 16865-2013中尺寸要求加工成標(biāo)準(zhǔn)的定標(biāo)距矩形試樣。尺寸公差控制在允許范圍內(nèi)，同時(shí)保證試樣平行段處無缺口、刀痕、毛刺等缺陷，矩形試樣尺寸見圖1。使用千分尺測(cè)量矩形試樣的原始厚度和平行段的原始寬度，分別在試樣平行段的1/4、1/2和3/4處測(cè)量，取3處測(cè)量值的平均值，以保證拉伸試驗(yàn)結(jié)果只受試驗(yàn)控制參數(shù)的影響。

圖1 矩形試樣加工尺寸

2 各參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響及分析

2.1 試驗(yàn)速率的影響

選用6063-T6和6063-T4兩種不同合金狀態(tài)的拉伸試樣，在不同試驗(yàn)速率下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。在試驗(yàn)第一階段即測(cè)定屈服強(qiáng)度Rp0.2之前，采用應(yīng)力速率控制。為確保試樣達(dá)到屈服點(diǎn)，在引伸計(jì)標(biāo)距增加0.7 mm后，卸載引伸計(jì)，轉(zhuǎn)換為橫梁位移速率。不同試驗(yàn)速率下的合金試驗(yàn)結(jié)果見表1和表2。

表1 不同試驗(yàn)速率下6063-T6合金的試驗(yàn)結(jié)果

表2 不同試驗(yàn)速率下6063-T4合金的試驗(yàn)結(jié)果

由表1和表2可知，試驗(yàn)速率對(duì)6063-T6和6063-T4兩種合金的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率試驗(yàn)數(shù)據(jù)都有影響，尤其對(duì)屈服強(qiáng)度的影響較大，而對(duì)彈性模量沒有較大影響，這種影響的程度因合金狀態(tài)的不同而有不同。在室溫拉伸條件下，試驗(yàn)速率對(duì)兩種狀態(tài)合金都有相同的影響趨勢(shì)，即隨著試驗(yàn)速率的提高，合金的強(qiáng)度上升，斷后伸長(zhǎng)率下降。6063-T6合金屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的最大偏差分別為10 MPa和5 MPa，相對(duì)升高4.4%和2%，斷后伸長(zhǎng)率的最大偏差為2.12%。6063-T4合金屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的最大偏差分別為7 MPa和5 MPa，相對(duì)升高7.1%和2.7%，斷后伸長(zhǎng)率的最大偏差為2.74%。綜上所述，塑性較大的6063-T4合金對(duì)試驗(yàn)速度的敏感性大，而塑性較小的6063-T6合金則小些。

鋁合金試樣拉伸過程一般為：彈性變形→屈服點(diǎn)→均勻塑性變形→最大力值→局部頸縮變形→斷裂。彈性變形是以聲速在合金中傳播的，拉伸彈性變形總能跟上拉伸外力的變化，因而應(yīng)力速率的變化對(duì)合金的彈性行為及彈性模量沒有影響。

從微觀上來看，屈服強(qiáng)度是使位錯(cuò)開始運(yùn)動(dòng)的臨界分切應(yīng)力，位錯(cuò)由一個(gè)平衡位置向另一平衡位置運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到晶格阻力和位錯(cuò)間相互作用力等阻力的影響。隨著應(yīng)力速率的提高，相當(dāng)于作用在位錯(cuò)上的應(yīng)力也提高，導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的速率增加。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率越大，則能量越大、擴(kuò)展位錯(cuò)寬度越小，晶格阻力即派納力τp-n的公式為（w為位錯(cuò)的寬度）。從此式中可以看出，位錯(cuò)寬度越小，晶格阻力就越大，位錯(cuò)開始運(yùn)動(dòng)的臨界分切應(yīng)力就增大，所以應(yīng)力速率增加，合金的屈服強(qiáng)度也隨之提高。由于鋁合金材料在拉伸過程中沒有明顯的屈服現(xiàn)象，通常以規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度為合金的屈服強(qiáng)度，即Rp0.2。

抗拉強(qiáng)度的增加可以用位錯(cuò)理論來解釋：在塑性變形階段，橫梁位移速率的增加會(huì)使晶粒內(nèi)多個(gè)滑移系同時(shí)開動(dòng)，位錯(cuò)密度增加，在塑性變形時(shí)位錯(cuò)相互纏結(jié)在一起，阻礙后續(xù)的位錯(cuò)滑移，使合金產(chǎn)生附加強(qiáng)化，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度隨橫梁位移速率的增加而增加。然而位錯(cuò)密度不會(huì)因材料塑性變形而激增，故隨著試驗(yàn)速度的增加，抗拉強(qiáng)度的增加幅度不大。

合金塑性降低的原因在于，組織內(nèi)各個(gè)晶粒的位向不同，處在軟位向晶粒容易變形，處在硬位向晶粒不容易變形。拉伸速率較小時(shí)，各個(gè)晶粒之間會(huì)相互協(xié)調(diào)，相互制約，硬位向晶粒向軟位向轉(zhuǎn)動(dòng)，塑性變形較均勻地分布在各個(gè)晶粒之中；當(dāng)試驗(yàn)速率增大后，晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)不及時(shí)，各晶粒間的協(xié)調(diào)性變差，甚至出現(xiàn)空洞裂紋等，抑制了合金中的易滑移階段的產(chǎn)生和發(fā)展，塑性變形沒有充分進(jìn)行，故隨著橫梁位移速率的增加，合金的斷后伸長(zhǎng)率下降。

2.2 彈性模量選擇的影響

圖2 為6005A-T6狀態(tài)、7 mm厚的鋁合金拉伸試樣采用全程引伸計(jì)方法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)所得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。在曲線的彈性直線段上設(shè)置兩個(gè)點(diǎn)，然后TRAPEZIUM X軟件自動(dòng)采用兩點(diǎn)之間的全部數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬合出彈性模量斜率直線。規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2定義為試樣的塑性延伸率達(dá)到規(guī)定引伸計(jì)標(biāo)距0.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，即在X軸上引伸計(jì)標(biāo)距乘以0.2 %處（例如50 mm×0.2 %=0.1 mm），做一條與彈性直線段平行的直線，此直線與應(yīng)力應(yīng)變曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，即為Rp0.2。從最大載荷點(diǎn)做與彈性直線段平行的直線，在X軸上得到的引伸計(jì)標(biāo)距殘余伸長(zhǎng)與引伸計(jì)標(biāo)距的比值，即為最大力塑性延伸率Ag。斷后伸長(zhǎng)率A為試樣斷裂后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距之比的百分率。這個(gè)值可以從引伸計(jì)的信號(hào)測(cè)得，即在曲線的斷裂點(diǎn)處做與彈性直線段平行的直線，在X軸上得到的交點(diǎn)即為A，這個(gè)數(shù)據(jù)需要指定斷裂點(diǎn)與彈性模量。

圖2 6005A-T6合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

對(duì)于同一條拉伸性能曲線，彈性直線段起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)選擇不同得到的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、最大力塑性延伸率和斷后伸長(zhǎng)率的數(shù)值會(huì)有差別。從表3中可以看出，兩點(diǎn)設(shè)定在彈性變形初始時(shí)，會(huì)使Rp0.2偏低；設(shè)定在中間段時(shí)，Rp0.2增加了0.4 MPa，而Ag和A基本沒有變化；設(shè)定在彈性變形末尾時(shí)，Rp0.2偏高了1 MPa，而Ag和A偏小了0.2%，可見彈性段的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的選擇對(duì)Rp0.2的影響較大。這是由于在彈性變形初始階段中，因受各種因素的影響，不能真實(shí)地反應(yīng)出試樣的性能；在彈性中段時(shí)，彈性變形符合胡克定律，直線的斜率恒定，能得到真實(shí)準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；而末段中包含了非比例彈性，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏大。為保證拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，必須合理地選取彈性模量的直線段，建議起始點(diǎn)約為10%的Rp0.2處，結(jié)束點(diǎn)約為50%的Rp0.2處。

表3 彈性直線段的選擇對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響

2.3 斷裂檢測(cè)點(diǎn)參數(shù)的影響

在試樣拉伸過程中，TRAPEZIUM X軟件實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，采集頻率為10 ms/次。軟件中提供了4種斷裂點(diǎn)的檢測(cè)方法，即靈敏度判定、載荷值判定、等級(jí)判定（最大值/%）和最后100 ms判定。檢測(cè)斷裂點(diǎn)的判定原理是，兩個(gè)相鄰的采集點(diǎn)的減小量大于設(shè)定的參數(shù)即判定為斷裂點(diǎn)。斷裂點(diǎn)檢測(cè)的參數(shù)設(shè)定不同，斷裂點(diǎn)的位置也不一樣，從而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的偏差。斷裂點(diǎn)檢測(cè)的參數(shù)設(shè)定不同，斷裂點(diǎn)的位置也不一樣，從而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的偏差。表4為一條2.5 mm厚6005A-T6試樣的拉伸曲線在不同斷裂點(diǎn)處的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從表中可以看出，不同的檢測(cè)斷裂點(diǎn)參數(shù)設(shè)定對(duì)試樣的斷后伸長(zhǎng)率（引伸計(jì)反饋得到）有較大影響。為了使試驗(yàn)結(jié)果具有可比性，斷后伸長(zhǎng)率一般采用人工測(cè)量，即將試樣斷裂的兩部分緊密地連接在一起，使其軸線在同一條直線上，測(cè)量斷后標(biāo)距，再通過公式斷后

表4 不同方式判定斷裂點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響

2.4 引伸計(jì)參數(shù)的影響

引伸計(jì)是測(cè)量試樣表面兩點(diǎn)間距離微小改變的儀器，通常由感應(yīng)器、放大器、變形傳遞桿和刀刃等組成。試驗(yàn)時(shí)，將引伸計(jì)裝卡于試樣上，將兩刀刃與試樣直接接觸，以感受兩刀刃間標(biāo)距的伸長(zhǎng)。

在實(shí)際拉伸試驗(yàn)中，由于拉伸試樣的尺寸和形狀不同，會(huì)切換不同型號(hào)的引伸計(jì)。而每個(gè)引伸計(jì)都有自己的規(guī)格參數(shù)，主要參數(shù)為引伸計(jì)的標(biāo)距和量程，這些參數(shù)的設(shè)定同樣會(huì)引起試驗(yàn)結(jié)果的變化。引伸計(jì)的標(biāo)距即為兩刀刃間的距離。設(shè)定標(biāo)距的參數(shù)會(huì)影響彈性直線的偏移量，這不僅會(huì)導(dǎo)致合金屈服強(qiáng)度的偏差，還會(huì)影響到彈性模量的計(jì)算。TRAPEZIUM X軟件對(duì)彈性模量的計(jì)算公式為：彈引伸計(jì)的量程即為應(yīng)變片放大后所能感應(yīng)的范圍量程，引伸計(jì)量程參數(shù)設(shè)定偏小，導(dǎo)致引伸計(jì)反饋出來的應(yīng)變數(shù)值比實(shí)際試樣變化的真實(shí)應(yīng)變小，反之亦然。所以在拉伸試驗(yàn)中，需要切換引伸計(jì)時(shí)，必須確保軟件中引伸計(jì)的參數(shù)設(shè)定與所使用的引伸計(jì)規(guī)格相匹配，以確保拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

（1）軟件設(shè)定的試驗(yàn)速率增大，合金的強(qiáng)度增加，斷后伸長(zhǎng)率減小，彈性模量基本沒變化；隨著試驗(yàn)速率的變化，屈服強(qiáng)度的變化比抗拉強(qiáng)度更為明顯，塑性大的合金對(duì)試驗(yàn)速度的敏感性也大。

（2）彈性直線段的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的參數(shù)設(shè)定對(duì)合金的彈性模量、最大力塑性延伸率和引伸計(jì)反饋的斷后伸長(zhǎng)率均有影響。

（3）不同方式的斷裂檢測(cè)點(diǎn)的判定同樣對(duì)引伸計(jì)反饋的斷后伸長(zhǎng)率有影響。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性，一般以手動(dòng)測(cè)量的斷后伸長(zhǎng)率為試驗(yàn)的對(duì)比數(shù)據(jù)。

（4）在切換不同引伸計(jì)時(shí)，必須設(shè)定正確的引伸計(jì)參數(shù)，否則將影響拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。