淺談金屬拉伸速度對強度的影響

陳 冰

（武漢鐵路橋梁職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430090）

1 前言

金屬材料拉伸試驗力學(xué)性能測試中一種最為常見的測試方法，但其在測試的過程中容易受到各方面因素的影響，這就導(dǎo)致了其測試結(jié)果容易不準確。文章主要是對金屬拉伸速度對強度的影響展開了研究和探討。

2 拉伸速度的影響機理

在金屬拉伸試驗中，金屬材料隨著應(yīng)力的增加變形也產(chǎn)生變化，當從彈性階段產(chǎn)生的彈性變形進入屈服階段的塑性變形時，金屬上的薄膜首先變形，并且隨著當前軸向張力的增加而迅速擴展到整個金屬體，從而產(chǎn)生整個金屬體的塑性變形。由于在不同金屬中發(fā)生塑性變形時，變形速度均與其材質(zhì)、平行長度和加荷速率有關(guān)系。在拉伸試驗的過程中，金屬試件兩端被夾持，平行長度位于試驗機的上、下鉗口之間，單向拉伸應(yīng)力作用在內(nèi)部晶粒組織結(jié)構(gòu)上，隨著應(yīng)力的增加內(nèi)部的晶粒在應(yīng)力作用下開始滑動，逐漸使金屬試件產(chǎn)生塑性變形[1]。隨著金屬強度的增加，這種滑動的速度變得恒定。即發(fā)生所謂的流動現(xiàn)象。此時金屬具有很強的粘彈性。在觀察金屬屈服強度的過程中發(fā)現(xiàn)其強度有著一定提高，在此期間的金屬變形符合Hark的相關(guān)定律。金屬中塑性變形對金屬拉伸速率的變化更為敏感。經(jīng)分析，位移是引起不同拉伸速率下金屬強度變化的主要原因，在拉伸速率變化過程中，應(yīng)力的變化隨拉伸速率的變化而變化，而應(yīng)力的變化最終影響金屬的塑性變形，在拉伸速度過快的時候會造成由于金屬拉伸速度比金屬塑性變形快，使得金屬屈服點變得比實際值要高。另外，拉伸速率對試件的應(yīng)變也會產(chǎn)生影響，在應(yīng)力作用下，變形與原始橫截面的比率稱為應(yīng)變。隨著加荷速度的不斷增加，應(yīng)力速率隨之發(fā)生快速變化，從而加速試件的應(yīng)變。

3 影響因素

（1）試樣制作的影響。在進行金屬材料試件加工過程中的采樣方向不同會直接影響到斷裂后的伸長率和拉伸強度和屈服強度的性能指標，特別是在斷裂后伸長率方面。所以，在對型鋼、管材等鋼產(chǎn)品的力學(xué)性能取樣及試樣制備時，一定要根據(jù)試驗項目確定相應(yīng)的取樣位置。除了抽取的代表性樣品必須遵循相關(guān)的要求和標準外，需注意用于制備試樣的樣坯在切取和機加工時，應(yīng)避免產(chǎn)生表面加工硬化即熱影響改變材料的力學(xué)性能，防止因為金屬切割時溫度過高，對金屬材料機械性能產(chǎn)生的熱脆性影響[2]。將樣品坯料加工到樣品中后，主要通過轉(zhuǎn)動，銑削，刨，磨削和其他工藝進行加工，采用的加工方法應(yīng)保證試樣的尺寸和形狀處于相應(yīng)試驗標準規(guī)定的公差范圍內(nèi)。

（2）拉伸試驗設(shè)備和測量器具。拉伸試驗設(shè)備是一種測力系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對加持后的金屬試件實施單向拉伸，并隨時測量應(yīng)力及位移的變化。伸長計是用于測量伸長率（或位移）的系統(tǒng)。其準確性直接影響了測試結(jié)果。因此，必須定期校正拉伸試驗設(shè)備和伸長計，其所測力值、準確度等測試系數(shù)符合要求。并且尺寸測量器具也需定期校正，應(yīng)符合尺寸測量的精度要求，其相關(guān)設(shè)備和測量器具均在有效期內(nèi)使用。

（3）試驗場地的溫度。溫度是影響材料性能的參數(shù)之一。金屬材料拉伸試驗溫度一般在室溫10℃～35℃范圍內(nèi)進行，對一些較為特殊的材料，其金屬材料對溫度敏感性較高，其強度會隨著溫度的升高而降低，且塑性指數(shù)會隨之而增大。因此，對于高精度負載傳感器和某些特殊材料，則要求試驗溫度為23℃±5℃，超出溫度范圍則需要采用溫度系數(shù)進行校正。

（4）試驗人員。由于工作人員的個人業(yè)務(wù)能力、操作儀器的熟練程度等主觀因素影響，即使是以同一本試驗標準為試驗方法準則，不同的試驗人員操作也會使得測量的結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。故在再現(xiàn)性誤差中對此也有所強調(diào)，再現(xiàn)性誤差是指用相同的方法、對同一試驗材料，在不同的條件下獲得的單一結(jié)果之間的一致程度。其中不同的條件包括不同的操作者、不同的試驗室或不同的時間。所以，不同試驗人員會對拉伸試驗結(jié)果會造成一定的影響，為此在日常工作中應(yīng)當重視和加強操作人員與設(shè)備間的比對試驗。

4 試驗試樣

為比較試驗結(jié)果的有效性，有必要在試樣、試驗機和試驗方法上做出具體的規(guī)定。按照GB/T228.1-2010，金屬拉伸試樣一般采用圓形截面，夾持部分的形狀和尺寸應(yīng)按照不同的試樣尺寸而定，軸向張力和夾持部分的長度至少為夾頭長度的3/4。如為盤卷式試樣，試樣應(yīng)在試驗前進行調(diào)直，或者為了保證試樣與試驗機夾頭的對中，可施加不超過規(guī)定強度5%的預(yù)拉力進行調(diào)直；如為機加工試樣，則加工樣品的過渡弧半徑應(yīng)滿足相應(yīng)要求，夾持端的形狀應(yīng)適合試驗機的夾頭，試樣軸線應(yīng)與力的作用線重合，試樣的平行長度應(yīng)大于原始標距。

5 試驗原理

做金屬拉伸試驗時，試驗機可自動測試拉伸過程中各特征點的示值，同時繪制拉伸試驗變形圖。圖1為有明顯屈服現(xiàn)象鋼材的應(yīng)力-伸長率曲線，如低碳鋼；圖2為無明顯屈服現(xiàn)象鋼材的應(yīng)力-延伸率曲線，如高碳鋼。

圖2 無明顯屈服現(xiàn)象鋼材的應(yīng)力-延伸率曲線

金屬拉伸試驗的試驗速率可根據(jù)要求、條件等，分別選擇采用應(yīng)變速率控制或應(yīng)變速率控制。在無電液伺服萬能試驗機的條件下，大多還是采用液壓式萬能試驗機，相應(yīng)使用應(yīng)力速率控制方法居多。應(yīng)力速率控制是用拉力除以試樣的原始截面面積得到應(yīng)力，通過控制拉力的速率來達到控制應(yīng)力速率。是按照材料彈性模量的大小選取相應(yīng)的應(yīng)力速率。GB/T228.1-2010規(guī)定，在彈性范圍和直至上屈服強度，試驗機夾頭的分離速率應(yīng)盡可能保持恒定并在規(guī)定的應(yīng)力速率范圍內(nèi)。應(yīng)力速率的規(guī)定見表1。

表1 應(yīng)力速率

在測定屈服強度或塑性延伸強度后，試驗速率可以采用不大于0.008s-1的應(yīng)變速率進行對抗拉強度的測試。

6 拉伸速度的控制

按照材料力學(xué)理論，當金屬拉伸時，外部載荷作用在試樣上，使金屬材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，即材料的內(nèi)部應(yīng)力是來自外力。負載率的幅度會在一定程度上影響到了應(yīng)力率和應(yīng)變率的幅度。因此，為控制應(yīng)力率和應(yīng)變率，有必要有效地控制拉伸速度。在測量上屈服強度過程中的試驗機的卡盤的分離速率應(yīng)當盡量在彈性的范圍內(nèi)保持著一個恒定的狀態(tài)，并且應(yīng)當確保到其與上屈服強度一致。盡管規(guī)范規(guī)定了6N/mm2s-1至60N/mm2s-1的應(yīng)力速率的控制范圍，直接操作控制應(yīng)力仍然不直觀，每次都不是用計時器檢查操作控制速率，大多是采用經(jīng)驗法。在測試過程中，通過計時器控制應(yīng)力速率有一定的操作難度。當拉伸速度超過材料的塑性應(yīng)變時，材料中的位錯運動和硬化恢復(fù)是不完整的，導(dǎo)致屈服點的升高。為確保屈服強度的可比性，國家標準倡導(dǎo)使用應(yīng)變率控制，但應(yīng)變率是一個非常小的變量，相對測量和控制難度大，該方法通常不適用于液壓式試驗機操作控制。而加載速率控制（拉伸速度）簡單且直觀，可以通過控制平均應(yīng)力速率公式來控制拉伸試驗的應(yīng)變率，使測試條件符合國家標準。

7 試驗結(jié)果分析

本次采用不同拉伸速率下對比測試熱軋帶肋鋼筋HRB400的屈服強度和抗拉強度。通過對3組試驗數(shù)據(jù)及應(yīng)力-伸長率曲線進行分析，發(fā)現(xiàn)試驗中的拉伸速率對金屬試樣的屈服強度和拉伸強度影響較大。第1組樣品是按照國家標準規(guī)定的加荷速率進行測試，第2組樣品則比第1組的加荷速率略快，第3組則較第1組的加荷速率略慢。其測試結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)隨著拉伸速率的增加使得金屬試樣的屈服強度與拉伸速率形成比例，試樣的抗拉強度第2組比第1組高了55MPa～70MPa，屈服強度增加了15MPa～30MPa，強度大約增加了2.5%。第3組樣品則與第1組樣品的測試結(jié)果非常接近，變化非常小。通過分析可知金屬的拉伸速率的確對屈服強度和抗拉強度有影響。在一定范圍內(nèi)隨著拉伸速率的加快屈服強度和拉伸強度會提高。在拉伸速度緩慢的情況下則金屬強度的變化很小。

眾所周知，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，是以金屬材料的屈服強度作為設(shè)計強度取值依據(jù)，在金屬材料進入施工現(xiàn)場驗收時，也是以屈服強度、抗拉強度和伸長率作為驗收時的重要技術(shù)指標。金屬材料在結(jié)構(gòu)中的受力不能進入屈服階段，否則將產(chǎn)生較大塑性變形而使結(jié)構(gòu)不能安全正常的工作，還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。所以，因為拉伸速率的不規(guī)范操作除了測試數(shù)據(jù)不能真實反映材料情況外，也將會給施工安全帶來隱患。

8 結(jié)語

金屬材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能和加工性能，早已被廣泛應(yīng)用在建筑工程結(jié)構(gòu)中。隨著當前我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，新工藝、新方法的不斷創(chuàng)新，對金屬材料的要求也隨之提高。通過對比分析，金屬材料的抗拉強度和屈服強度與拉伸速度之間存在著正相關(guān)，為此在檢驗金屬材料力學(xué)性能時，應(yīng)嚴格按照現(xiàn)行國家標準規(guī)定的拉伸速率進行拉伸試驗。