淺談金屬拉伸速度對(duì)強(qiáng)度的影響

陳 冰

（武漢鐵路橋梁職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430090）

1 前言

金屬材料拉伸試驗(yàn)力學(xué)性能測(cè)試中一種最為常見的測(cè)試方法，但其在測(cè)試的過程中容易受到各方面因素的影響，這就導(dǎo)致了其測(cè)試結(jié)果容易不準(zhǔn)確。文章主要是對(duì)金屬拉伸速度對(duì)強(qiáng)度的影響展開了研究和探討。

2 拉伸速度的影響機(jī)理

在金屬拉伸試驗(yàn)中，金屬材料隨著應(yīng)力的增加變形也產(chǎn)生變化，當(dāng)從彈性階段產(chǎn)生的彈性變形進(jìn)入屈服階段的塑性變形時(shí)，金屬上的薄膜首先變形，并且隨著當(dāng)前軸向張力的增加而迅速擴(kuò)展到整個(gè)金屬體，從而產(chǎn)生整個(gè)金屬體的塑性變形。由于在不同金屬中發(fā)生塑性變形時(shí)，變形速度均與其材質(zhì)、平行長度和加荷速率有關(guān)系。在拉伸試驗(yàn)的過程中，金屬試件兩端被夾持，平行長度位于試驗(yàn)機(jī)的上、下鉗口之間，單向拉伸應(yīng)力作用在內(nèi)部晶粒組織結(jié)構(gòu)上，隨著應(yīng)力的增加內(nèi)部的晶粒在應(yīng)力作用下開始滑動(dòng)，逐漸使金屬試件產(chǎn)生塑性變形[1]。隨著金屬強(qiáng)度的增加，這種滑動(dòng)的速度變得恒定。即發(fā)生所謂的流動(dòng)現(xiàn)象。此時(shí)金屬具有很強(qiáng)的粘彈性。在觀察金屬屈服強(qiáng)度的過程中發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度有著一定提高，在此期間的金屬變形符合Hark的相關(guān)定律。金屬中塑性變形對(duì)金屬拉伸速率的變化更為敏感。經(jīng)分析，位移是引起不同拉伸速率下金屬強(qiáng)度變化的主要原因，在拉伸速率變化過程中，應(yīng)力的變化隨拉伸速率的變化而變化，而應(yīng)力的變化最終影響金屬的塑性變形，在拉伸速度過快的時(shí)候會(huì)造成由于金屬拉伸速度比金屬塑性變形快，使得金屬屈服點(diǎn)變得比實(shí)際值要高。另外，拉伸速率對(duì)試件的應(yīng)變也會(huì)產(chǎn)生影響，在應(yīng)力作用下，變形與原始橫截面的比率稱為應(yīng)變。隨著加荷速度的不斷增加，應(yīng)力速率隨之發(fā)生快速變化，從而加速試件的應(yīng)變。

3 影響因素

（1）試樣制作的影響。在進(jìn)行金屬材料試件加工過程中的采樣方向不同會(huì)直接影響到斷裂后的伸長率和拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的性能指標(biāo)，特別是在斷裂后伸長率方面。所以，在對(duì)型鋼、管材等鋼產(chǎn)品的力學(xué)性能取樣及試樣制備時(shí)，一定要根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目確定相應(yīng)的取樣位置。除了抽取的代表性樣品必須遵循相關(guān)的要求和標(biāo)準(zhǔn)外，需注意用于制備試樣的樣坯在切取和機(jī)加工時(shí)，應(yīng)避免產(chǎn)生表面加工硬化即熱影響改變材料的力學(xué)性能，防止因?yàn)榻饘偾懈顣r(shí)溫度過高，對(duì)金屬材料機(jī)械性能產(chǎn)生的熱脆性影響[2]。將樣品坯料加工到樣品中后，主要通過轉(zhuǎn)動(dòng)，銑削，刨，磨削和其他工藝進(jìn)行加工，采用的加工方法應(yīng)保證試樣的尺寸和形狀處于相應(yīng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的公差范圍內(nèi)。

（2）拉伸試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)量器具。拉伸試驗(yàn)設(shè)備是一種測(cè)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對(duì)加持后的金屬試件實(shí)施單向拉伸，并隨時(shí)測(cè)量應(yīng)力及位移的變化。伸長計(jì)是用于測(cè)量伸長率（或位移）的系統(tǒng)。其準(zhǔn)確性直接影響了測(cè)試結(jié)果。因此，必須定期校正拉伸試驗(yàn)設(shè)備和伸長計(jì)，其所測(cè)力值、準(zhǔn)確度等測(cè)試系數(shù)符合要求。并且尺寸測(cè)量器具也需定期校正，應(yīng)符合尺寸測(cè)量的精度要求，其相關(guān)設(shè)備和測(cè)量器具均在有效期內(nèi)使用。

（3）試驗(yàn)場(chǎng)地的溫度。溫度是影響材料性能的參數(shù)之一。金屬材料拉伸試驗(yàn)溫度一般在室溫10℃～35℃范圍內(nèi)進(jìn)行，對(duì)一些較為特殊的材料，其金屬材料對(duì)溫度敏感性較高，其強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高而降低，且塑性指數(shù)會(huì)隨之而增大。因此，對(duì)于高精度負(fù)載傳感器和某些特殊材料，則要求試驗(yàn)溫度為23℃±5℃，超出溫度范圍則需要采用溫度系數(shù)進(jìn)行校正。

（4）試驗(yàn)人員。由于工作人員的個(gè)人業(yè)務(wù)能力、操作儀器的熟練程度等主觀因素影響，即使是以同一本試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為試驗(yàn)方法準(zhǔn)則，不同的試驗(yàn)人員操作也會(huì)使得測(cè)量的結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。故在再現(xiàn)性誤差中對(duì)此也有所強(qiáng)調(diào)，再現(xiàn)性誤差是指用相同的方法、對(duì)同一試驗(yàn)材料，在不同的條件下獲得的單一結(jié)果之間的一致程度。其中不同的條件包括不同的操作者、不同的試驗(yàn)室或不同的時(shí)間。所以，不同試驗(yàn)人員會(huì)對(duì)拉伸試驗(yàn)結(jié)果會(huì)造成一定的影響，為此在日常工作中應(yīng)當(dāng)重視和加強(qiáng)操作人員與設(shè)備間的比對(duì)試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)試樣

為比較試驗(yàn)結(jié)果的有效性，有必要在試樣、試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)方法上做出具體的規(guī)定。按照GB/T228.1-2010，金屬拉伸試樣一般采用圓形截面，夾持部分的形狀和尺寸應(yīng)按照不同的試樣尺寸而定，軸向張力和夾持部分的長度至少為夾頭長度的3/4。如為盤卷式試樣，試樣應(yīng)在試驗(yàn)前進(jìn)行調(diào)直，或者為了保證試樣與試驗(yàn)機(jī)夾頭的對(duì)中，可施加不超過規(guī)定強(qiáng)度5%的預(yù)拉力進(jìn)行調(diào)直；如為機(jī)加工試樣，則加工樣品的過渡弧半徑應(yīng)滿足相應(yīng)要求，夾持端的形狀應(yīng)適合試驗(yàn)機(jī)的夾頭，試樣軸線應(yīng)與力的作用線重合，試樣的平行長度應(yīng)大于原始標(biāo)距。

5 試驗(yàn)原理

做金屬拉伸試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)機(jī)可自動(dòng)測(cè)試?yán)爝^程中各特征點(diǎn)的示值，同時(shí)繪制拉伸試驗(yàn)變形圖。圖1為有明顯屈服現(xiàn)象鋼材的應(yīng)力-伸長率曲線，如低碳鋼；圖2為無明顯屈服現(xiàn)象鋼材的應(yīng)力-延伸率曲線，如高碳鋼。

圖2 無明顯屈服現(xiàn)象鋼材的應(yīng)力-延伸率曲線

金屬拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)速率可根據(jù)要求、條件等，分別選擇采用應(yīng)變速率控制或應(yīng)變速率控制。在無電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)的條件下，大多還是采用液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)，相應(yīng)使用應(yīng)力速率控制方法居多。應(yīng)力速率控制是用拉力除以試樣的原始截面面積得到應(yīng)力，通過控制拉力的速率來達(dá)到控制應(yīng)力速率。是按照材料彈性模量的大小選取相應(yīng)的應(yīng)力速率。GB/T228.1-2010規(guī)定，在彈性范圍和直至上屈服強(qiáng)度，試驗(yàn)機(jī)夾頭的分離速率應(yīng)盡可能保持恒定并在規(guī)定的應(yīng)力速率范圍內(nèi)。應(yīng)力速率的規(guī)定見表1。

表1 應(yīng)力速率

在測(cè)定屈服強(qiáng)度或塑性延伸強(qiáng)度后，試驗(yàn)速率可以采用不大于0.008s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行對(duì)抗拉強(qiáng)度的測(cè)試。

6 拉伸速度的控制

按照材料力學(xué)理論，當(dāng)金屬拉伸時(shí)，外部載荷作用在試樣上，使金屬材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，即材料的內(nèi)部應(yīng)力是來自外力。負(fù)載率的幅度會(huì)在一定程度上影響到了應(yīng)力率和應(yīng)變率的幅度。因此，為控制應(yīng)力率和應(yīng)變率，有必要有效地控制拉伸速度。在測(cè)量上屈服強(qiáng)度過程中的試驗(yàn)機(jī)的卡盤的分離速率應(yīng)當(dāng)盡量在彈性的范圍內(nèi)保持著一個(gè)恒定的狀態(tài)，并且應(yīng)當(dāng)確保到其與上屈服強(qiáng)度一致。盡管規(guī)范規(guī)定了6N/mm2s-1至60N/mm2s-1的應(yīng)力速率的控制范圍，直接操作控制應(yīng)力仍然不直觀，每次都不是用計(jì)時(shí)器檢查操作控制速率，大多是采用經(jīng)驗(yàn)法。在測(cè)試過程中，通過計(jì)時(shí)器控制應(yīng)力速率有一定的操作難度。當(dāng)拉伸速度超過材料的塑性應(yīng)變時(shí)，材料中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和硬化恢復(fù)是不完整的，導(dǎo)致屈服點(diǎn)的升高。為確保屈服強(qiáng)度的可比性，國家標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)使用應(yīng)變率控制，但應(yīng)變率是一個(gè)非常小的變量，相對(duì)測(cè)量和控制難度大，該方法通常不適用于液壓式試驗(yàn)機(jī)操作控制。而加載速率控制（拉伸速度）簡單且直觀，可以通過控制平均應(yīng)力速率公式來控制拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變率，使測(cè)試條件符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

7 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次采用不同拉伸速率下對(duì)比測(cè)試熱軋帶肋鋼筋HRB400的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。通過對(duì)3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)及應(yīng)力-伸長率曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中的拉伸速率對(duì)金屬試樣的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度影響較大。第1組樣品是按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加荷速率進(jìn)行測(cè)試，第2組樣品則比第1組的加荷速率略快，第3組則較第1組的加荷速率略慢。其測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)隨著拉伸速率的增加使得金屬試樣的屈服強(qiáng)度與拉伸速率形成比例，試樣的抗拉強(qiáng)度第2組比第1組高了55MPa～70MPa，屈服強(qiáng)度增加了15MPa～30MPa，強(qiáng)度大約增加了2.5%。第3組樣品則與第1組樣品的測(cè)試結(jié)果非常接近，變化非常小。通過分析可知金屬的拉伸速率的確對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有影響。在一定范圍內(nèi)隨著拉伸速率的加快屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度會(huì)提高。在拉伸速度緩慢的情況下則金屬強(qiáng)度的變化很小。

眾所周知，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，是以金屬材料的屈服強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值依據(jù)，在金屬材料進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收時(shí)，也是以屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率作為驗(yàn)收時(shí)的重要技術(shù)指標(biāo)。金屬材料在結(jié)構(gòu)中的受力不能進(jìn)入屈服階段，否則將產(chǎn)生較大塑性變形而使結(jié)構(gòu)不能安全正常的工作，還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。所以，因?yàn)槔焖俾实牟灰?guī)范操作除了測(cè)試數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映材料情況外，也將會(huì)給施工安全帶來隱患。

8 結(jié)語

金屬材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能和加工性能，早已被廣泛應(yīng)用在建筑工程結(jié)構(gòu)中。隨著當(dāng)前我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，新工藝、新方法的不斷創(chuàng)新，對(duì)金屬材料的要求也隨之提高。通過對(duì)比分析，金屬材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與拉伸速度之間存在著正相關(guān)，為此在檢驗(yàn)金屬材料力學(xué)性能時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拉伸速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。