拉伸試驗(yàn)的目的和原理_第1頁
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文檔簡介

1、拉伸試驗(yàn)的目的和原理拉伸試驗(yàn)是材料力學(xué)性能試驗(yàn)中最常見、最重要的試驗(yàn)方法之一。拉伸試驗(yàn)是在三個(gè)外界條件:溫度、加載速度、應(yīng)力狀態(tài)都恒定的條件下進(jìn) 行的。溫度條件指常溫、低溫、和高溫。加載速度是在靜載荷下進(jìn)行的,應(yīng)變速率一般為0.00010.01/s。應(yīng)力狀態(tài)為單向沿軸拉伸,即簡單應(yīng)力狀態(tài)。它具有簡 單易行、試樣便于制備等特點(diǎn)。通過拉伸試驗(yàn)可以得到材料的基本力學(xué)性能指標(biāo), 如彈性模量、屈服強(qiáng)度、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收 縮率、應(yīng)變硬化指數(shù)和塑性應(yīng)變比等。缺口拉伸試驗(yàn)可以衡量材料的脆性破壞傾 向。高溫拉伸試驗(yàn)可以了解材料在高溫下的失效情況;而低溫拉伸試驗(yàn)則不但可 以測定材料

2、在低溫下的強(qiáng)度和塑性指標(biāo), 而且還可以用于評定材料在低溫下的脆 性。拉伸試驗(yàn)所得到的材料強(qiáng)度和塑性性能數(shù)據(jù),對于設(shè)計(jì)和選材、新材料的研制、 材料的采購和驗(yàn)收、產(chǎn)品的質(zhì)量控制、設(shè)備的安全和評估,都有很重要的應(yīng)用價(jià) 值和參考價(jià)值,有些則直接以拉伸試驗(yàn)的結(jié)果為依據(jù)。例如:進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí), 材料所受的應(yīng)力應(yīng)小于屈服強(qiáng)度,否則會因塑性變形而導(dǎo)致破壞。材料的強(qiáng)度越 高,能承受的外力就越大,所用的材料也越少。又如:斷后伸長率和斷面收縮率 大的材料,軋制和鍛造的可塑性也越大,反之,可塑必就越小。此外,拉伸試驗(yàn) 指標(biāo)還和其他的力學(xué)性能指標(biāo)建立了經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。女口:熱軋軟鋼的抗拉強(qiáng)度與布氏 硬度之間有Rm =1/3H

3、B等。我國2002年頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228200金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法。 按照金屬力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)體系逐步與國際接軌的方針,該標(biāo)準(zhǔn)等效采用了ISO6892: 1998金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)。將原GB/T2281987金屬拉抻試 驗(yàn)方法、GB/T63971986金屬拉伸試驗(yàn)試樣和 GB/T30761982金屬 薄板(帶)拉伸試驗(yàn)方法合并,不但技術(shù)內(nèi)容、要求和規(guī)定采用國際標(biāo)準(zhǔn),而 且相關(guān)術(shù)語、性能名稱、符號也采用國際標(biāo)準(zhǔn)。拉伸試驗(yàn)原理物體因外力作用產(chǎn)生變形,其內(nèi)部各部分之間因相對位置的變化而引起的相 互作用稱為內(nèi)力眾所周知,即使不受外力,物體各質(zhì)點(diǎn)間也存在相互作用力我 們所稱的內(nèi)力,是在

4、外力作用下,上述各作用力的變化量,隨著該變化量的逐漸加 大,物體內(nèi)部發(fā)生一系列的物理變化,當(dāng)?shù)竭_(dá)某一極限時(shí),物體就會被破壞,該極 限與物體的強(qiáng)度有直接關(guān)系將物體簡化為桿件桿件受到外力F作用,在其任意橫截面上均產(chǎn)生內(nèi)力 F. 一般,截面上的內(nèi)力并不是均勻分布的,因此,用單位橫截面上的內(nèi)力,即應(yīng)力來 表示材料抗破壞與變形的能力由于橫截面積So隨著構(gòu)件不斷被拉伸而逐漸減小 故而一般用初始截面積So來計(jì)算應(yīng)力該c稱為工程應(yīng)力:(XFSO在材料性能測試中,除了要測出應(yīng)力,經(jīng)常還要了解材料經(jīng)拉伸后的變形程 度。設(shè)桿件的初始長度為lo ,則工程應(yīng)變&為:ll-loLioo伸試樣 橫 截FF/Jr&a

5、mp;、So面 £和C是拉伸試驗(yàn)中兩個(gè)最基本的參數(shù),它們相互之間有一定的聯(lián)系。為S對于不同材料的試樣,由于其化學(xué)成分及組織的不同,在拉伸過程中會體現(xiàn)。出不同的物理現(xiàn)象及力學(xué)性質(zhì),但從外表看來,一般分為以下幾個(gè)基本過程。以 金屬試樣為例,將試樣裝夾在材料試驗(yàn)機(jī)上,按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選擇合適的速率, 均勻地對試樣施加作用力F,可以觀察試樣由開始到破壞(一般是斷裂)的幾個(gè) 階段。試樣初始受力,宏觀上逐漸被均勻拉長,然后在某一點(diǎn)橫截面漸漸變細(xì)(縮 頸),直至在該處斷裂。塑性較好的材料一般有明顯的縮頸現(xiàn)象。但也有例外, 如奧氏體鋼、鋁青銅等塑性金屬材料不發(fā)生縮頸,這類材料通常有圈套的加工硬 化能

6、力。而對于較脆弱的材料,一般由伸長到最終斷裂前,通常無明顯縮頸現(xiàn)象 發(fā)生。拉伸過程中,材料試驗(yàn)機(jī)上的自動(dòng)記錄裝置也可自動(dòng)繪出拉伸曲線圖, 該 圖以力F/N作為縱坐標(biāo),試樣的伸長量 厶l/mm為橫坐標(biāo),即F-厶1曲線,習(xí)慣 上稱為拉伸圖。現(xiàn)在以20低碳鋼為例,具體說明拉伸過程中的幾個(gè)階段。第一階段為彈性階段(ob段)。試樣變形為彈性變形,一旦取消外力,試樣 完全恢復(fù)原狀,不會產(chǎn)生殘余伸長,b點(diǎn)對應(yīng)的外力F。為試樣產(chǎn)生彈性變形的 極限外力,超過b點(diǎn),便會產(chǎn)生塑性變形。在該階段的一定范圍內(nèi)(oa段),試 樣伸長與載荷之間符合虎克定律,即成正比關(guān)系,稱為比例變形階段,a點(diǎn)對應(yīng)的外力Fp分為產(chǎn)生比例變形

7、的極限外力,一旦超過此外力,變形與外力之間比 例關(guān)系也即破壞。ab段為彈性變形的非比例階段,時(shí)間很短,要靠很精密的儀 器才能測量得出。試樣拉伸過程的物理現(xiàn)象拉伸前試樣裝有引伸計(jì)試樣頸縮現(xiàn)象斷裂后對接引伸計(jì)第二階段為屈服階段(cd段),即試樣屈服于外力產(chǎn)生較大塑性變形階段。 此時(shí)試樣伸長急劇增加,但載荷卻在很小的范圍內(nèi)波動(dòng),若忽略這一微小的波動(dòng), F- d曲線上該段可見一水平線段,該段對應(yīng)的外力 Fs以表示,這是由彈性變形 階段到塑性變形階段的分界點(diǎn)。m rh 巾 m (第三階段為強(qiáng)化階段(de)(均勻塑性變形階段)。試樣屈服變形階段結(jié)束后, 要使之繼續(xù)變形,就要繼續(xù)施加外力,克服試樣內(nèi)部不斷增

8、加的抗變形力。 因?yàn)?材料本身在塑性變形中會產(chǎn)生強(qiáng)化, 也稱為加工硬化。該階段的塑性變形比彈性 變形大得多,所以曲線上可見 月有很大增加。由d點(diǎn)開始,屈服結(jié)束,試樣某 部位產(chǎn)生塑性變形,截面變小,但加工硬化使該部位抗變形力增加,這樣,下一 步變形就轉(zhuǎn)移到試樣的其它部位。由此,在 de段試樣各部位產(chǎn)生較均勻的塑性 變形之間近似遵循直線關(guān)系,且此直徑gh與彈性現(xiàn)階段內(nèi)直線oa近似平行。由 此可見,試樣的變形包括了彈性變形l e和塑性變形l p0如卸載時(shí)的載荷,此后原則上遵循著原來的拉伸曲線第四階段為局部塑性變形階段(ef段)。在前一階段,試樣的變形量越來越 大,其強(qiáng)化能力也逐漸減小,到了 e點(diǎn),由于其強(qiáng)化能力跟不上變形,終于在某 個(gè)最薄弱處產(chǎn)生局部塑性變形,這時(shí),該處橫截面積顯著收縮,載荷讀數(shù)迅速下 降,出現(xiàn)前述的“縮頸”現(xiàn)象。此時(shí)雖然力 F不斷下降,但縮頸部位仍不斷被拉 長,直至斷裂。出現(xiàn)局部塑性變形的開始點(diǎn)(e點(diǎn))所對應(yīng)的力Fb為試樣在拉 伸過程中所能隨的最大外力。對于不同的材料,其拉伸時(shí)所表現(xiàn)出的物理現(xiàn)象和力學(xué)性質(zhì)不盡相同,因面有著不同的c £曲線。下面列舉幾種常見的CT £曲線。圖a是一般低碳鋼的c £曲線。有鋸齒狀的屈服階段,分上下屈服點(diǎn),產(chǎn) 生縮頸現(xiàn)象后,試樣斷裂。圖b是中碳鋼的C

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