任何工程结构、机械零件和生产工具在使用过程中都要受到各种各样的外力作用。这就要求金属材料必 须具有一种能抵抗一定的变形而不被破坏的能力,这种能力就是金属的力学性能。金属材料在外力作用下所表现出的各种特征,如弹性、塑性、韧性、强度等统称为力学性能指标。金属的力学性能指标是机械设计的主要依据。获得力学性能指标的唯 一可靠的方法是进行测试。拉伸试验法就是检验金属材料力学性能的一种非常重要的方法。由拉伸试验所确定的金属力学性能四大指标(抗拉强度σb,屈服强度σs,伸长率δ,断面收缩率ψ )至富有代表性,是设计制造的主要依据。
1 试验的力—伸长曲线
图1为温度、应力状态、加载速度等恒定条件下用退火后的低碳钢光滑圆试样(见图2)沿轴向方向拉伸时的力—伸长曲线。横坐标为变形量∃l,纵坐标为载荷F。它是由拉伸试验机的绘图机构直接得到的。曲线上的每一点反映载荷和在该载荷作用下的变形规律。下面对该曲线进行分析。
σe段:弹性变形阶段。物体在外力作用下会发生 变形,随着外力的不断增 大变形程度亦相应增加。当外力去除后,物体又恢复原形状,称为弹性变形。在这一变形阶段,载荷和伸长量的关系符合虎克定律,即应力应变成正比。e点所对应的载荷Fe称为弹性极限载荷。根据应力的定义得: Ρe=Fe/S0。
式中:Ρe——弹性极限,Pa; Fe——弹性极限载荷,N; S0——标准圆试样的截面积,m2 。
es段:屈服区。随着应力的增加,开始出现微量 的塑性变形。在s点的平台锯齿状说明载荷不变时,变形在持续地增加,叫屈服现象。此时的载荷Fs为屈服载荷。根据应力的定义得: σs=Fs/S0。
式中:σs——屈服极限或屈服强度,Pa; Fs——屈服载荷,N。
sb段:均匀塑变阶段或强化阶段。随着塑性变形的增加金属材料产生加工硬化,材料的抵抗力在持续地增加,在b点时所承受的载荷达到至大。Fb称为试样拉断前所能承受的至大载荷,b点是曲线的至高点。根据应力的定义得: σb=Fb/S0。
式中:σb——抗拉强度,Pa; Fb——拉断前所能承受的至大载荷,N。bz段:试样的“缩颈”阶段。当载荷达到Fb时, 试样出现了局部变形,产生“颈缩”现象。在“颈缩”的附近出现了集中的塑变,截面积突然减小,此时总载荷也减小,变形仍在继续,到达z点时试样被拉断。Fz称为断裂强度载荷。缩颈的出现和缩颈区的伸长是金属材料真实塑性及大小的主要标志。
2 强度指标(Ρe、Ρs、Ρb)分析
2.1. Ρe和Ρs的关系
σe标志着金属材料能承受弹性变形的至大应力。当应力超过弹性极限时,金属材料开始出现塑性变形。σe表明弹性终了时的应力。σs是金属塑变开始时单位面积上所需的至低载荷,它标志着金属材料对于起始微量塑变变形的抗力,因此σe与σs是大小相等的,只不过是从不同角度定义的物理量,所以机械设计制造时总是考虑σs值而不考虑σe值。
2.2 影响σs的因素
σs值对于不同的金属材料表现的敏 感程度亦不同,比如退火低碳钢、不锈钢出现锯齿状平台,而高碳钢仅出现明显的拐点。大多数的合金钢、高温合金、铝合金、镁合金、铸铁等则无明显的屈服现象。为了表示不同金属材料对微量塑性变形的抗力和比较试验结果,就采用了规定的办法,即规定塑变为某标准长 度(试样标距)的012%时的应力,用σ0.2表示,称为条件屈服强度。影响材料σs的因素很多,但归纳起来大致可分为两类,其一是内因,它是由金属材料的本质所决定的,如热处理、化学成分、组织状态等;其二是外因,它是由试验条件来决定的,如试验温度、加载速度、应力状态、介质环境、测试精度等。现分述如下:
2.2.1 化学成分的影响
含有不同化学成分的金属材料,其屈服点亦不同,比如碳钢随含碳量的增加σs亦增 大。凡是固溶于铁素 体的合金元素均能提高材料的σs(σ0.2)。因为溶于铁素体的各合金元素质点对位错的运动均有阻碍作用,使滑移难以进行,即提高了铁素体的临界抗切应力,提高了σs值。
2.2.2 晶粒大小的影响
金属是多晶体,各晶粒的取向不同并且有晶界存在,还存在晶格畸变,晶粒的形状和大小对金属的起始塑性变形有决定性的影响。对同种金属材料而言,晶粒愈细,其σs(σ0.2)也愈高。
2.2.3 冷加工的影响
金属材料经过变形之后,其硬度、强度都有显著提高的现象,标志着金属材料对起始塑性变形的抗力——屈服点亦增 高。
2.2.4 试验温度的影响
金属材料随试验温度的升高,σs(σ012)显著降低,比如低碳钢,随着试验温度升高Ρs降低的同时,屈服平台的长度逐渐缩短,直至某一温度屈服平台消失,σs不复存在。
2.2.5 加载速度的影响
屈服点随加载速度的增 大而提高。我国标准规定,在屈服点之前,试验机两夹头的相对速度通常不大于原标距长度的8%/min,仲裁试验时,不大于原标距长度的2%/min。
2.2.6 试验条件及试样的影响 金属材料处于有害的介质环境时,试样的屈服点降低。试验机示值超差、有故障、测试方法不正确等外因也将影响屈服点的正确测试。试样的表面粗糙度对屈服点也有影响,特别是对塑性较差的金属材料有较大的影响,有使屈服点降低的趋势。
2.3 影响σb的因素
σb反映了材料抵抗大塑性变形和断裂破坏的能力。凡是影响屈服点的因素,都对σb有影响。在拉伸试验中经常遇到的有下列方面:
2.3.1 晶粒度对σb的影响
对同一种金属材料而言,在室温下其晶粒度愈细则σb愈高。因为晶粒度愈细,单位体积的晶粒愈多,滑移从一个晶粒到另一个晶粒就需要更大的载荷,金属的强度便愈高。
2.3.2 试验温度的影响
同种金属材料因试验温度不同σb有明显区别,σb 随试验温度的升高而降低。原因是温度升高晶界由硬、脆转变为软、弱,使抗力降低。宏观上即为Ρb降低。
2.3.3 拉伸速度的影响
在室温下,拉伸速度对强度较高的金属材料的σb无影响,而对强度较低的、塑性好的金属材料有微小的影响。拉伸速度大,σb有增 高的趋势。在高温下,拉伸 速度对Ρb有显著的影响。
2.3.4 其它因素
试样直径和缺口也对σb有影响。
结束语
总之,金属的力学性能测试是人们从事基础理论研究和分析工程事故所采用的至基本的方法。当前,多数方法已标准化,但随着材料学的飞速发展,高温、高速、耐腐蚀等新的金属材料的不断出现,又必然对金属材料的力学性能测试提出更高的要求。
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