金屬拉伸試驗開展與實施的淺談

孫悅

【摘 要】理論上，能夠影響金屬拉伸試驗結果的存在很多因素，如：強度的極限、彈性、屈服極限等，這些雖然只是材料的一些固有屬性，然而也會影響到試樣的尺寸、形狀，與加載的速度、加工的精度以及影響到周圍的環境等。因而在現實的檢測中，要不斷積累經驗和繼續探索下去。

【關鍵詞】金屬；拉伸試驗；實施

一、引言

通常，拉伸試驗是指在承受軸向拉伸載荷下測定材料特性的試驗方法。利用拉伸試驗得到的數據可以確定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強度、屈服點、屈服強度和其它拉伸性能指標。從高溫下進行的拉伸試驗可以得到蠕變數據。金屬拉伸試驗的步驟可參見ASTM E-8標準。

二、拉伸試驗與拉伸試驗參數

（一）拉伸試驗

測定材料在拉伸載荷作用下的一系列特性的試驗，又稱抗拉試驗。它是材料機械性能試驗的基本方法之一，主要用于檢驗材料是否符合規定的標準和研究材料的性能。

（二）拉伸試驗參數

主要包括：最大試驗力：50N、100N到20KN；準確度等級：0.5級/1級；試驗力測量范圍：0.2%到100%F.S/0.4到100%F.S；試驗力示值準確度：±0.5%/±1%；試驗力分辨率：±250000碼；變形測量范圍：1%—100%F.S；變形示值準確度：±0.5%；變形分辨率：±250000碼；大變形測量范圍：0到800mm；大變形示值準確度：±0.5%；大變形分辨率：0.003mm；位移示值準確度：±0.3%；位移分辨率：0.00004mm；力速率控制調節范圍：0.005-10%F.S/S；力速率控制精度：力控制速率小于0.05%，F.S/S時在±1%；力控制速率大于0.05%，F.S/S時在±0.3%；伸長速率控制調節范圍：0.005-10%F.S/S；伸長速率控制精度：變形控制速率小于0.05%，F.S/S時在±0.5%；變形控制速率大于0.05%，F.S/S時在±0.2%；位移速率控制調節范圍：0.001-1000mm/min；位移速率控制精度：±0.2%/±0.5%；恒力、恒變形、恒位移控制范圍：0.3%—100%F.S；恒力、恒變形、恒位移控制精度：設定值小于10%，F.S時在±0.5%；設定大于10%，F.S時在±0.1.%；有效拉伸空間：900mm；電子拉力試驗機有效試驗寬度：400mm。

三、試驗方法和步驟

（一）試件準備

先用游標卡尺測量試件中間等直桿兩端及中間這三個橫截面處的直徑：在每一橫截面內沿互相垂直方向各測量一次并取平均值。用所測得的三個平均值中最小的值作為試件的初始直徑d0，并按d0計算試件的初始橫截面面積A0。再根據試件的初始直徑d0 計算試件的標距l0，并用游標卡尺在試件中部等直桿段內量取試件標距l0，用刻線器將標距長度分為十等份。

（二）試驗機準備

熟悉衡翼萬能試驗機的操作規程，估計拉伸試驗所需的最大載荷Pb，并根據Pb值選定試驗機的測力度盤（Pb值在測力度盤40% -80%范圍內較宜）。調整測力指針對準零點，并使從動針與之靠攏，同時調整好自動繪圖裝置。

（三）試件安裝

先將試件安裝在試驗機的夾頭內，再移動下夾頭到適當位置，并把試件下端夾緊。

（四）檢查及試機

請教師檢查以上準備情況。經教師許可后開動試驗機，加少量載荷（勿使應力超過比例極限），檢查試驗機和繪圖裝置工作是否正常，然后卸載。

（五）進行試驗

開動試驗機以慢速均勻加載，注意觀察測力指針的轉動、自動繪圖情況及試件在拉伸過程中的各種現象。當測力指針不動或倒退時，說明材料開始屈服，測力指針停止轉動時的恒定值或第一次回轉的最小值即屈服載荷Ps。當測力指針和從動指針再次分離時，試件開始頸縮，直至最后被拉斷。測力指針回到零點，而從動指針則指示出最大載荷Pb。關閉試驗機，取下試件。將斷裂的試件對齊并盡量靠緊，用游標卡尺測量斷裂后標距段的長度l1及斷口處直徑d1。

（六）結束試驗

從試驗機上取下已繪好的拉伸曲線圖紙，并請教師檢查試驗記錄。清理試驗現場，將試驗機及有關工具復原。

四、試驗結果處理

整理試驗數據，按要求填寫試驗報告并寫出結論。鑄鐵拉伸試驗步驟與低碳鋼拉伸試驗步驟相同，只記錄最大載荷并繪出拉伸曲線。

五、拉伸速度的問題

在彈性變形階段，金屬的變形量很小而拉伸載荷迅速增大。這時候如果以橫梁位移控制來做拉伸試驗，那么速度太快會導致整個彈性段很快就被沖過去。以彈性模量為200Gpa的普通鋼材為例，如果標距為50mm的材料，在彈性段內如以10mm/min的速度進行拉伸試驗，那么實際的應力速率為：

200000N/mm2S-1×10mm/min×1min/60S×1/50mm=666N/mm2S-1

一般的鋼材屈服強度就小于600Mpa，所以只需要1秒鐘就把試樣拉到了屈服，這個速度顯然太快。所以在彈性段，一般都選擇采用應力速率控制或者負荷控制。塑性較好的材料試樣過了彈性段以后，載荷增加不大，而變形增加很快，所以為了防止拉伸速度過快，一般采用應變控制或者橫梁位移控制。所以在GB228-2002里面建議了，“在彈性范圍和直至上屈服強度，試驗機夾頭的分離速率應盡可能保持恒定并在規定的應力速率的范圍內（材料彈性模量E/（N/mm2）<150000，應力速率控制范圍為2—20（N/mm2）·s-1、材料彈性模量E/（N/mm2）≥150000，應力速率控制范圍為6—60（N/mm2）·s-1=。若僅測定下屈服強度，在試樣平行長度的屈服期間應變速率應在0.00025/s～0.0025/s之間。平行長度內的應變速率應盡可能保持恒定。

在塑性范圍和直至規定強度（規定非比例延伸強度、規定總延伸強度和規定殘余延伸強度）應變速率不應超過0.0025/s?！?。這里面有一個很關鍵的問題，就是應力速度與應變速度的切換點的問題。最好是在彈性段結束的點進行應力速度到應變速度的切換。在切換的過程中要保證沒有沖擊、沒有掉力。這是拉力試驗機的一個非常關鍵的技術。

六、結束語

總而言之，能夠影響其拉伸試驗的結果也會存在很多因素，例如，有強度的極限、彈性、屈服極限等，這些雖然只是材料的一些固有屬性，然而也會影響到試樣的尺寸、形狀，與加載的速度、加工的精度以及影響到周圍的環境等。在現實的檢測中，應盡量確定這些所存在的因素，從而對產生的各種因素進行制定各種操作流程，在進行試驗時必須要選用正確的方向，從而加強它的準確度。

參考文獻：

[1]GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗方法》