金属材料室温拉伸试验影响因素

金属材料室温拉伸试验影响因素
力学性能是金属材料的重要性能指标, 金属材料室温拉伸试验是获取力学性能指标最常用、最基本的手段, 它广泛应用于板、带、管、棒、型和丝材等冶金产品的检验及质量评估。

影响金属材料室温后伸试验结果准确度的因素很多, 为限制这些因素的影响, 使测量结果具有可比性, 首先要使拉伸试验方法标准化。

中国现行国家标准GB/T228.1- 2010《金属材料室温拉伸试验方法》就是等效采用国际标准, 该标准统一了试验方法, 为冶金产品生产企业提供了检测技术支持, 也为有关生产企业、用户和第三方质检机构开展产品质量检验工作提供了统一方法标准。

1.1、金属材料室温拉伸试验方法
金属材料受力后会出现各种不同的物理现象, 呈现出与弹性和非弹性反应相关, 或涉及应力——应变关系的力学特征。

金属材料室温拉伸试验的原理就是在室温下, 将试样置于试验机夹具内, 以一定的速率给试样施加拉伸力, 直至测出所需的一项或几项力学性能, 一般情况下拉至断裂。

生产企业、用户和第三方质检机构经常测量的力学性能参数主要有强度指标( 如抗拉强度和屈服强度) 和塑性指标( 如断后伸长率和断面收缩率) 等, 这些参数是力学性能的主要指标, 基本上可反映出金属材料的力学性能, 是判定金属材料性能优劣的重要依据。

1.2、影响金属材料室温拉伸试验的主要因素
金属材料的力学性能取决于材料本身, 即材料的化学成分、组织结构等, 特定的材料决定了特定的性能, 但相同的材料通过不同的拉伸试验过程所反映的性能指标却不一定相同, 即测量结果不尽相同。

与测量过程相关的主要因素: 试样、测量仪器和设备、夹持方法、试验方法、拉伸速率、温度及人员等。

1.2.1 试样
试样是金属材料各种性能的载体, 金属拉伸试验是通过对试样的试验来获得其力学性能指标的。

正确取样是保证测量准确的基础。

取样部位、取样方向、样坯的切取及试样制备等对拉伸试验结果都有影响。

1.2.1.1 取样部位
在产品不同部位取样,其力学性能出现差异。

对圆钢,其中心处的抗拉强度低于1/4处的抗拉强度,Φ40mm 的圆钢相差22 N/mm 2,约3. 39%;Φ60mm 的圆钢相差19N/ mm 2,约3.25%;断后伸长率也存在差别,Φ40 mm 的圆钢结果相差约7.44%,Φ60mm 的圆钢结果相差约5. 45%;对槽钢,在腰部和腿部不同部位取样其拉伸性能也有差异。

如同在1/3处取样,抗拉强度相差29N/ mm 2约6.53%,屈服强度相差21N/mm 2约5.92%,断后伸长率相差约3.04%。

可见,取样部位对试验结果有着不可忽视影响。

究其原因,由于金属材料在铸造成形、加工过程中,成份、组织结构、冶金缺陷、加工变形分布不均,使得同一批,甚至是同一产品的不同部位
的力学性能出现差异。

*数据来源：金属材料室温拉伸试验影响因素浅析 姜美琴 江苏冶金 2007年4月 第35卷2期 P28，表1
1.2.1.2 取样方向
表3为同一批热轧酸洗卷，不同部位（头、尾部）及不同方向（纵向、横向)取样所做的拉伸比对试验数据。

从表中可见, 不同取样方向及取样部位, 抗拉强度和屈服强度及断后伸长率都有差异,尤其是屈服强度差异十分大,头部试样相差约34.46Mpa ,尾部试样相差约27.53Mpa 。

这就可能导致纵向试样符合要求而横向试样却不符合的状况。

横向
纵向横向纵向横向纵向横向纵向横向纵向横向纵向CB200370.36412.63385.01394.57687.45713.97714.9370021.9622.3420.2422.7CB300364.59398.67358.95386.45692.87712.98677.53686.4720.2422.9421.1821.92CB400328.21361.03326.81355.81621.09625.02610.9626.7224.1624.8621.9422.68CB500340.96360.88356.38389.66632.23642.87655.47669.1623.0223.3623.1621.2CB700
302.92
346.13333.29371.62574.37599.23599.05609.827.325.122424.96平均值341.408
375.868
352.088
379.622
641.602
658.814
651.576
658.43
23.336
23.724
22.104
22.692
尾部
尾部
试样号
Rp0.2（MPa）
Rm（MPa）
A（%）
5#试样
表3 JIS 5#拉伸比对试验数据
头部
尾部
头部
头部
冶金产品在生产过程中一般是通过压力加工使产品具有一定的横截面,加工时,材料的金属晶粒和夹杂沿主变形方向流动排列,形成金属纤维组织,并造成性能的各向异性。

一般在轧制方向上具有较好的力学性能, 而在垂直于轧制方向上性能较为低劣。

1.2.1.2. 样坯的切取和试样制备的方法
切取样坯的方法很多,有冷剪法、火焰切割法、砂轮片切割法、机械加工法等,但不管采用哪种方法, 必须防止因受热、加工硬化及变形而影响其力学性能。

切取样坯时应留有足够的机加工余量, 一般应不少于钢材直径和厚度,但最小不少于20mm,这样机加工试样时,可以把受热或冷加工硬化的部分完全去除掉,以
免影响性能的测定。

对于板材、扁材或带材, 应从外观检查合格的产品上切取样坯, 并保留其原表面不受损伤; 从盘卷上切取线材和薄板(带)样坯时,可以进行校直和校平,但不得损伤试样表面;刻划试样原始标距时不能损伤试样表面。

从样坯机加工成试样, 一般通过车、铣、刨、磨等机加工,但车削、切削和磨削的深度和走刀速度及润滑冷却均应适当, 以防止发生因受热或冷加工硬化而影响材料的性能。

板材试样一般采用CNC数控铣床进行加工，以提高加工效率及减少人为误差。

1.2.1.3 试样的横截面形状与尺寸
*数据来源：金属材料室温拉伸试验影响因素浅析姜美琴江苏冶金 2007年4月第35卷2期 P29，表3
在化学成分相对一致的同一批次的钢管及圆钢中取样,制成不同形状与尺寸的试样,其拉伸试验结果见上表。

由上表可见,试样的横截面形状和尺寸对产品拉伸性能有影响。

对钢管,弧形和圆形纵向试样抗拉强度相差2N/mm2;约0.42%,屈服强度相差1N/mm2,约0.37%,断后伸长率相差约30. 3%。

对1#圆钢,Φ25mm试样与Φ10mm试样抗拉强度相差10N/mm2,约0.90%,断后伸长率结果相差约1.92倍,断面收缩率结果相差约3.83倍;2#圆钢,Φ15mm试样与Φ10mm试样抗拉强度没影
响,断后伸长率与断面收缩率相差均大约38.5%左右。

由此可见,试样的不同形状与尺寸
,对抗拉强度、屈服强度影响较小,对断后伸长率和断面收缩率影响较大。

所以,相关产品标准未明确规定允许改变试样形状和尺寸时,不可随意改变。

1.2.1.4 试样横向尺寸公差
任何经机加工制作的拉伸试样都会有偏差,试样的偏差会给试验结果带来误差,试样的尺寸精度主要包括尺寸公差和形状公差。

尺寸公差指试样标距部分内实际加工尺寸与标准值之差,形状公差指试样标距部分内最大值与最小值的差值。

以相对两面机加工的矩形试样为例,强度指标R=F/a
0 b
,其中:a
为试样原始厚
度;b
0为试样加工后的实际宽度。

在强度指标的实际测量中, a
、b
均为试样尺
寸的实际测量值,因此,试样的尺寸公差对试验结果的准确度基本没影响。

而形状公差则不同,由于多种因素的影响,试样断裂部位并非在测量原始尺寸的部位,这时公差就会给拉伸性能指标带来影响。

假设试样的宽度形状公差为Δ,则以a
、
b 0为原始尺寸计算得R=F/a
b
,而以a0 、(b
±Δ)为原始尺寸时, R
1
=F/ a
(b
±Δ) 。

对于形状公差引起强度测定的误差按下式计算
δ=ΔR/ R
1=±Δ/b
(1)
对于形状公差引起应变测定的误差按下式计算
δ=Δe
0/ e
=(1- L
/ L
e
) ×100% (2)
式中L
0为原始标距, L
e
为等效标距。

L
e
按下式计算
1
/
1
1
/
1
1
1
/
1
)
)(
/
1
1(
)
(
L
b
b
n
b
b
b
L
n
n
n
e-
-
-
=
-
-
式中b
为最小宽度;b
1
为最大宽度;n为硬化指数,计算时取n=0.2;L
为原始标距。

表四相对两面机加工矩形试样形状公差对拉伸试验结果的影响
*数据来源：金属材料室温拉伸试验影响因素浅析姜美琴江苏冶金 2007年4月第35卷2期 P29，表4
从表中结果可见,拉伸试样的形状公差对拉伸性能指标有影响,对小尺寸试样影响更大。

因此,在拉伸试样的制备中,应提高对形状公差的控制要求。

1.2.2 测量仪器和设备
1.2.2.1. 量具和尺寸测量仪器
量具和尺寸测量仪器的测量准确度应满足尺寸测量的准确度要求, 需要测量的尺寸包括原始横截面尺寸、断后最小横截面尺寸、原始标距和断后标距等。

量具的分辨力是影响测量准确度的重要因素之一; 另外, 量具的零点、测量时的压力、量具砧面脏物等对尺寸的测量也有影响。

因此, 量具或测量仪器须经校验合格后才能使用。

1.2.2.2. 试验设备
拉伸试验设备主要包括试验机和引伸计。

试验机是对试样施加变形力并测定所施加力的系统, 引伸计是测定延伸( 或位移) 的系统, 它们的准确度直接影响试验的结果。

因此,试验机和引伸计必须经检定合格, 且在有效期内才可使用。

试验机的加载同轴度对试验结果也会产生影响, 加载同轴度是指试验机两夹头轴线与试样轴线不重合的程度, 如果夹力轴线与试样轴线有偏离, 会使试样承受附加的弯曲应力, 而影响拉伸曲线弹性直线段的线性, 在弹性直线段出现非线性弯曲, 使具有明显屈服状态的材料变得不明显, 影响拉伸性能的测定。

试样加偏、加歪、试样弯曲、不平直等都是引起受力不同轴的因素。

1.2.3 试验速率及夹持方式
试样的夹持方法对拉伸试验能否成功至关重要, 如果试样夹不住必然会导致试验无法进行, 如果夹持方法不合理,还易引起试样打滑或断在钳口内, 导致试验数据不准确或试验数据偏低。

上表是同批试样采用不同的夹持方法所测得的Rp0.2的值。

可以发现在相同的应力速率下，不同的试样夹持方式获得的Rp0.2的值差距极大。

也即夹持方式会影响到使用应力速率控制方法测得的试验数据。

采用方法A 应变速率控制模式测得的试验数据受影响极小。

在应力速率控制模式下，拉伸速率越大，夹持方式对测试结果的影响就越大。

在夹持方式相同情况下，应力拉伸速率越大，其测
得的Rp0.2也越大，即误差越大。

1.2.4 GB/T 228.1-2010中应选用的应变速率范围
GB/T 228.1-2010 标准中规定了两种试验控制方法分别为方法A 和方法B 。

a. 方法A
应变速率Le e •
：单位S -1
；用引伸计标距Le 测量时单位时间的应变增加量。

试样平行长度估计应变速率Lc e •
：单位S -1
；根据横梁分离速率和试样平行长度计算的试样平行长度的应变单位时间内的增加量。

在测定Rp 、Rt 、Rr 及Ae 或上下屈服强度时，推荐采用范围2的应变速率。

测定抗拉强度Rm 时，推荐采用范围4的应变速率。

b. 方法B 应力速率•
R ：单位MPaS -1
；单位时间应力的增加。

拉伸速率对屈服强度的影响较大,对抗拉强度次之。

（本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。

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%2000007.01±=-s e
%2000025.01±=-s e %
200025.01±=-s e ()
%
20min 4.0%200067.011
±±=--s e
推荐
范围1
范围2
范围3 范围4。