尺寸和速率对钢材拉伸性能影响的试验研究

图1
试样形状示意图
尺寸和速率对钢材拉伸性能影响的试验研究
董孝童邵腾飞方壮城姜海波
(广东工业大学)
【摘要】拉伸试验是研究钢材拉伸力学性能的重要方法，
而现行规范对钢材取样尺寸及拉伸速率的规定较为笼统。

本文基于中国标准GB/T 228.1-2010和美国标准ASTM A370-14，以试件宽度、
厚度、平行长度和试件拉伸速率为试验变量，
探析其对钢材拉伸性能的影响。

结果表明：宽度和厚度对钢材屈服强度、抗拉强度、延伸率影响很大，速率主要影响钢材屈服强度和延伸率，
而平行长度对钢材拉伸性能基本没影响。

基于本文研究结论，可为工程实际科学研究过程中钢材取样及拉伸速率的选取提供借鉴。

【关键词】尺寸；拉伸速率；
破坏形态；应力-应变关系；拉伸力学性能1背景
1.1研究现状
由于现行规范如GB/T 228.1-2010[1]和ASTM
A370-14[2]等，对试样几何尺寸和拉伸速率的规定较宽泛，
故试件几何尺寸和拉伸速率的选取具有很大的不确定性，而这种不确定性往往会对拉伸试验结果的真实性和准确性造成影响，使得很难准确掌握材料的拉伸性能。

此外，对钢材质量评定造成影响，很容易造成材料浪
费或者结构安全储备不足等问题。

目前，
田浩彬等[3]研究了几何尺寸对钢材拉伸延伸率的影响，提出了当量半
径的概念，
进而提出了定量分析延伸率的计算方法。

曾力[4]研究了不同拉伸速率对Q235B 钢的力学性能研究，研究表明不同速率控制模式及同一控制模式不同速率
都会都对钢材力学性能产生影响，拉伸速率对屈服强度
影响较大，而对抗拉强度、延伸率及截面收缩率影响不大。

郑文龙等[5]通过试验研究应变速率和位移速率及分
段进行应变速率控制模式对屈服强度的影响，得出对具有明显物理屈服的金属材料，应采用分段进行应变速率控制模式。

孙绍光等[6]研究了标准GB/T 228.1-2010规
定的速率控制方法A 和B 对钢材拉伸性能的影响，得出采用方法B 控制拉伸速率可以获得较稳定可靠的测试结果，而方法A 不仅实验操作要求高，而且与实际应变
速率有偏差。

陈俊岭等[8、9]分别研究了Q235和Q345钢材在应变率为0.001s -1～315s -1下钢材拉伸性能，研究
结果表明二者皆属于应变率敏感材料，
即钢材抗拉强度和屈服强度都会随着应变率的提高而提高，Q235钢在
高应变率下，强化阶段明显减小。

陈英等[7]对Q345钢材
做拉伸实验研究，
得出同样的结果。

以上研究，很少研究在GB/T228.1-2010和ASTM A370-14范围内，研究试件
尺寸和拉伸速率对钢材拉伸性能的影响，因此，本实验在标准范围内，对试件尺寸和拉伸速率对拉伸性能影响
进行试验研究，以找出这些变量对材料拉伸性能的影响规律。

1.2现行钢材拉伸规范
国内外都制定了钢材拉伸试验方法标准[10]，
本文对GB/T228.1-2010和ASTM A370-14作比较，
表1详细地列出二者异同。

由表1可知，ASTM A370-14对试件宽
度给出具体数值，而对其他尺寸仅给出最小值限定。

GB/T 228.1-2010则对每个阶段应变速率给出推荐应变速率，但最大推荐应变速率与最小推荐应变速率相差
8倍，相差甚大，所以这是本试验的一个研究内容。

图1为钢板拉伸试件图样。

表2试件尺寸及拉伸速率
试件名称应变速率(s -1)W (mm)T (mm)A (mm)G (mm)L (mm)C (mm)P12.5-10-130
0.0002512.51013010028030P20-10-1300.00025201013010028040P40-10-1300.00025401013010028049P20-5-1300.0002520513010028040P20-15-1300.00025201513010028040P20-10-1800.00025201018010033040P20-10-2300.00025201023010038040K20-10-1300.00200201013010028040T20-10-130
0.0032020
10
130
100
280
40
表1两标准对拉伸试验要求差别
规范ASTM A370-14
GB/T 228.1-2010
标准试件小尺寸试件
比例试样
非比例试样
200标距50标距12.5mm 宽6mm 宽
K=5.65K=11.3
标距G(mm)200505025 5.65WT √11.3WT
√50/80/200平行长度A(mm)≥225≥60≥60≥32≥G+1.5WT
√≥G+W/2圆角半径R(mm)≥13≥13≥13≥6≥12≥12夹头长度C(mm)≥75≥50≥50≥32--总长L(mm)≥450≥200≥200≥100--宽度W(mm)404012.5 6.2512.5/15/20/25/3012.5/20/25/38/40
夹头宽B(mm)5050
2010
--厚度T(mm)
①40mm 宽试件最小为5mm；
②12.5mm 宽试件最大为25mm；③6.25mm 宽试件最大为6mm。

宽厚比≤8：1
速率
①在达到屈服强度一半前：任意速率；②在达到屈服强度一半之后：≤25.4mm/min；③任何时候的速率：≥测定屈服点和抗拉强度规定的最大速度的1/10(≤2.54mm/min)。

①测定屈服上限：e Lc =0.00007s -1或e Lc =0.00025s -1（推荐）；
②测定屈服下限：e Lc =0.002s -1或0.00025s -1（推荐）；③测定抗拉强度时：e Lc =0.00025s -1、0.002s -1、0.0067s -1。

2试验
2.1试验设备
本试验采用长春机械科学研究院有限公司(CRIMS ）
生产的DDL300电子万能试验机，最大试验力300kN，横梁分离速率可进行任意调整。

所有的试验数据均由TDS 530静态采集系统获取，
如图2所示。

2.2试样材料及方案
本试验材料全部采用Q345低碳钢，试件形状如图
1所示，其中，原始标距G 为100mm，夹持端长度C 为
60mm，圆弧半径R≥21mm。

如表2所示，试件命名中字母P 表示应变速率为0.00025s -1，K 为0.002s -1，T 为0.0032s -1，接下来依次为试件宽度、厚度、平行长度。

由于试件加工过程存在误差，故本试验宽度和厚度以实际
测量数据为准，
具体尺寸见表3。

试验速率根据GB/T228.1-2010规定，采用应变控制方式，
由GB/T 228.1-2010基于平行长度估计的应变速率，根据式⑴计算出横梁分离速率，具体见表2。

v c =L c e Lc
(式1)
3试验结果与讨论
本试验对试件破坏形态、应力-应变关系、弹性模
量E、屈服强度f y 、抗拉强度f u 、延伸率δ进行研究，从
而分析各变量对拉伸性能的影响。

表3汇总了本试验中所有试件的基本拉伸性能指标。

3.1破坏形态
拉伸过程中各试件都经历了弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部变形阶段。

图3为各试件的典型破坏形
态。

可以看到宽度和厚度对断口形貌影响很大，这主要是与宽厚比和当量半径有关，当宽度和厚度接近一致
时，塑性变形充分，延伸率较大。

仅从宽度变化考虑，试件越宽，则试件塑性变形越充分，
断口截面减缩均匀、显著，试件宽度越小，断口截面减缩不均匀，变形不充分；
从厚度变化角度来看，
试件厚度太小或者太大都是使试图2
拉伸试验仪器布置图
图3试件典型破坏形态
（a
）不同应变速率试件（
b）不同宽度试件（
c）不同厚度试件（d
）不同平行长度试件
试件名称实测W (mm)实测T (mm)截面面积A (mm 2)弹性模量E (GPa)屈服强度f y
(MPa)抗拉强度f u
(MPa)伸长率δP12.5-10-130-a 11.389.40106.97200.3197.4
351.91354.54
509.86522.96
19.9419.60
P12.5-10-130-b 11.409.36106.70196.3351.12539.7019.89P12.5-10-130-c 11.429.37107.01195.5360.60519.3318.98P20-10-130-a 18.909.53180.12184.3189.8339.13338.46502.11498.6925.2123.94
P20-10-130-b 18.949.42178.41197.2346.83488.4722.04P20-10-130-c 18.969.45179.17188.0329.42505.5024.56P-40-10-130-a 38.889.51369.75205.5194.1318.89313.08482.76473.4533.9031.12
P40-10-130-b 38.959.46368.47190.3320.73483.5931.47P40-10-130-c 39.989.75389.81186.4299.61454.0127.98P20-5-130-a 19.60 4.6090.16188.5196.3257.10272.54395.96412.5125.9225.46
P20-5-130-b 19.40 4.7091.18202.9275.61413.8028.24P20-5-130-c 19.60 4.5088.20197.4284.92427.7822.23P20-15-130-a 18.7015.70293.59203.7207.1250.11253.29424.84425.0322.5422.53
P20-15-130-b 19.0015.50294.50211.0259.25430.9017.66P20-15-130-c 19.0015.90302.10206.7250.51419.3327.40P20-10-180-a 18.789.44177.28209.1208.9344.05338.80506.59503.1621.1721.59
P20-10-180-b 18.909.47178.98211.4342.28510.0423.35P20-10-180-c 18.629.45175.96206.2330.08492.8320.24P20-10-230-a 18.759.74182.63204.5205.5345.03348.21489.08491.3521.0121.40
P20-10-230-b 18.829.40176.91200.2358.20488.5824.53P20-10-230-c 18.859.45178.13211.8341.40496.3818.67K20-10-130-a 18.909.47178.98201.3201.5349.14354.41477.77497.6722.6821.47
K20-10-130-b 18.899.52179.83200.7351.88502.6521.86K20-10-130-c 18.909.42178.04202.4362.22512.6019.88T20-10-130-a 19.109.60183.26197.8195.4303.94327.44447.75477.4626.3825.50
T20-10-130-b 18.949.60181.82193.9345.07500.8425.32T20-10-130-c
18.88
9.50
179.36
192.0
356.81
513.47
23.92
表3拉伸结果汇总
件断裂呈现脆性断裂，截面减缩不明显。

试验拉伸速率越快，试件塑性变形不充分。

平行长度变化对破坏形态影响不大。

3.2应力-应变曲线
图4为本试验9组试件的应力--应变曲线，屈服
阶段很明显，具有明显的流幅，屈服阶段稳定在应变为
0.2%～1.5%之间。

由于加载后期个别应变片过早脱落或
损坏，故应力-应变曲线出现轻微波动。

由图4（b ）
看到，随着宽度的增加，明显观察到屈服阶段是减小的，宽度为40mm 时，屈服阶段在应变为0.8%时就已结束，
而宽度为12.5mm 和20mm 时，应变为1.4%左右时才结束。

其余屈服平台基本一致。

图4应力-应变曲线
(a)
不同拉伸速率的影响με
(b)
不同宽度的影响
με
(c)
不同厚度的影响με(d)
不同平行长度的影响
με
3.3钢材基本拉伸性能指标
如前所述，
表3汇总了本试验中所有试件的基本拉伸性能指标，其中弹性模量E 的确定，是对屈服强度
30%以内的应力-应变曲线进行拟合，得出该试件的弹性模量[11]。

3.3.1拉伸速率对拉伸性能的影响
由表3，随着应变速率的增大，屈服强度随之增大，但当增加到0.002s -1之后，屈服强度不再增加，相比
0.0032s -1反而略有下降。

抗拉强度f y 则受速率变化影
响很小，
这主要是由于材料发生屈服之后，塑性变形程度与时间有关，试验速率快则塑性变形进展就不会很充分，
因为开动滑移系统少且位移滑移困难，于是材料屈服强度升高[6]。

这一点在延伸率方面也得到体现，随着速率增大，延伸率δ呈现出稳定的下降趋势；
另一方面由于材料进入屈服阶段后，表现出典型的粘弹性特征[12]，
材料应力同时依赖于应变和应变速率，
而理想的粘性流体服从于牛顿定律，
即应力正比于应变速率，所以材料屈服强度随着速率的增加而增加，但增加到一定程度后
不再增加，而抗拉强度则不受限制，故对抗拉强度无影响。

速率变化对弹性模量影响较大。

3.3.2宽度对拉伸性能的影响
宽度变化对抗拉强度f u 和屈服强度f y 的影响比较显著，随着宽度的增加二者都有较大降低，与宽为12.5mm 试件相比，宽度增加至40mm 时，f y 值下降约
11.70%，同样f u 也下降约9.40%，这是由于钢板在发生
变形和流动时，产生塑性应变，随着宽度的增加，试样拉伸不再是理想的单轴拉伸，而是慢慢趋向于平面应力状态[13]，派生出应力σ2，参与流变的材料增多呈现出典型
的粘弹性特征[9]，因此抗拉强度f u 和屈服强度f y 都有
所降低。

延伸率变化也说明了这一点，延伸率δ随着宽度的增加而增加，增量较大，40mm 宽的试件相比20mm 和12.5mm 的试件，延伸率增加22%和58%。

不同宽度试
件的弹性模量在一个很小的范围内波动，这说明宽度变化对弹性模量影响不大。

3.3.3厚度对拉伸性能的影响
厚度变化时强度变化波动很大，但规律不明显，随着厚度增加，屈服强度变化呈现出先增长后减小的趋势，而且波动范围很大，在60～80MPa范围内，而抗拉强度也呈现出这样的规律，这主要可能是由于在板厚方向上发生单轴拉伸向平面应力状态转变[15]，如图3(c)图，二者断口形式不一样，断裂机理可能不一样，所以应力状态和断裂机理的不同可能使得厚度变化对拉伸性能影响较大，同时，由图可知，随着板厚度增加，延伸率减小，这说明在断裂过程中，板越厚塑性变形越不充分，呈现出脆性断裂。

板厚为5mm和10mm时，弹性模量分别为15mm板的94.00%和91.64%，所以厚度对弹性模量影响较大且复杂，但规律性不强。

3.3.4平行长度对拉伸性能的影响
不同平行长度试件的屈服强度和抗拉强度度基本一致，由此说明，平行长度对抗拉强度和屈服强度影响不大，同时延伸率也较为稳定，随着平行长度增加，有轻微下降，说明塑性变形程度不随平行长度变化而产生较大变化，这与一般认识相反，即平行长度越长，材料变形越均匀，延伸率就越大，显然，这种认识会造成材料浪费。

既然塑性变形程度变化不大，即截面收缩变化不大，而强度与截面面积有关，这就更加说明平行长度变化对强度影响不大。

平行长度变化对弹性模量影响较大，平行长度为130mm时，约为190GPa，而180mm和230mm 时，分别为208.90GPa、205.50GPa。

4建议及结论
4.1建议
基于试验结果，我们可以给出一些适当建议，在拉伸速率方面，当测定材料屈服强度时，应采用GB/T 228.1-2010中方法A范围1，而ASTMA370-14不宜采用。

在尺寸方面，宽厚比影响较大，GB/T228.1-2010中最小宽厚比应该在8:1的基础上，适当提高这个比例，应调节到最小为4:1，建议试验试件取样比例2:1，平行长度对钢材拉伸性能影响不大，故只需满足规定最小值即可。

4.2结论
通过对试验结果进行分析，可以得到以下主要结论：
⑴拉伸速率和平行长度变化，对屈服阶段的塑性变形量影响甚小，二者对弹性模量影响较大，但影响规律不稳定。

宽度较大试件屈服阶段的要比宽度小的试件要
小，在此阶段塑性变形量小，宽度变化和厚度变化对弹性模量影响不大。

⑵拉伸速率对延伸率影响较大，拉伸越快，延伸率越小；屈服强度则随着速率增加先增大后减小，而抗拉强度不受影响。

宽度变化对试件强度影响较大，抗拉强度和屈服强度均随着宽度增加而降低，对延伸率的影响则是相反的。

厚度变化对试件强度的影响主要体现在宽厚比上，宽厚比过大或过小都使得试件强度偏低，在本实验中，宽厚比为2:1时，数据较为合理。

平行长度变化，基本无影响。

●
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