Lo、Le選取及試樣寬度對拉伸試驗數據的影響分析

張永福 程璐佳 姜亮亮

（1.上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院，上海200062；2.南亮壓力容器技術（上海）有限公司，上海201900）

1 拉伸試驗理論基礎

1.1 拉伸試驗原理

拉伸試驗是測定力學性能應用最廣泛的試驗方法，試驗中的彈性變形、塑性變形、斷裂等各階段真實反映了材料抵抗外力的全過程，它具有簡單易行、試樣便于制備等特點。從試驗結果中我們可以得到材料的力學性能指標，常用的有屈服強度、規(guī)定塑性延伸強度、抗拉強度、斷后伸長率、斷面收縮率等。拉伸試驗所得到的強度和塑性性能數據，可用于原材料的驗收、產品質量評定、焊接工藝評價、新材料研發(fā)、設計的選材等，在有些場合還可直接用拉伸試驗的結果作為判據。

如圖1所示，在拉伸試驗中，我們可以看到試樣在慢慢被拉長，然后出現縮頸現象，最后被拉斷。這個過程共包括6個階段，即彈性變形、滯彈性變形、屈服前微塑性變形、屈服變形、均勻塑性變形、局部塑性變形。試驗機上的記錄裝置以應力為縱坐標，應變?yōu)闄M坐標，記錄的應力—應變曲線如圖2所示。

圖1 拉伸過程示意圖

圖2 應力—應變曲線

彈性變形階段（Oa），即伸長與載荷之間服從虎克定律，在卸除拉力后試樣可以恢復到原長。滯彈性變形階段（ab），此時試樣的變形仍然是彈性的，但應力和應變不再符合線性關系，此階段很短，一般不容易觀察到。屈服前微塑性變形階段（bc），試樣開始出現連續(xù)均勻的微小塑性變形，在卸除外力后試樣并不能恢復原長。屈服變形階段（cde），試樣產生了較大的塑性變形。均勻塑性變形階段（ef），屈服階段結束后，必須進一步增加外力才能使試樣繼續(xù)被拉長。局部塑性變形階段（fg），試樣在拉力的作用下，變形量增大，最終在某個截面產生了縮頸現象，直至被拉斷，在此過程中得到試樣的抗拉強度。

1.2 影響拉伸試驗結果的主要因素

影響拉伸試驗結果的因素主要有兩類：一是測量器具及拉伸試驗機、引伸計的精度，二是試樣形狀、尺寸、引伸計標距選用、試驗速度等。第一類影響因素可以通過誤差累計定量分析出來，第二類影響因素并不能定量表示。我們可以通過對比試驗，恰當地選定試樣形狀，精確試樣尺寸等，將試驗誤差限制在一定范圍內。本文主要討論試樣形狀即比例試樣與非比例試樣、試樣寬度以及引伸計標距選用對試驗結果的影響。

2 試驗過程

2.1 試樣選取及制備

試樣材料取自30CrMo無縫鋼管調質熱處理后試樣環(huán)上，共切取4個縱向弧形試樣編號為A-1、A-2、B-1、B-2。A、B兩組試樣取自相鄰位置，取樣位置如圖3所示，試樣A-1、B-1為比例試樣兼非比例試樣，如圖4所示，即在該兩支試樣上取兩組標距，一組為按比例試樣取原始標距，一組按非比例試樣取原始標距Lo=50 mm；A-2、B-2為比例試樣，如圖5所示。

圖3 取樣位置圖

2.2 試驗目的

以本試驗從鋼管上取縱向弧形試樣為例，測得材料的Rp0.2、Rm、A、Z。進行3組對比，1組為比例試樣與非比例試驗作對比，即A-1、B-1試樣上的比例標距和非比例標距作對比，得出比例試樣與非比例試樣試驗結果具體差值；2組同為比例試樣，即

圖4 試樣A-1、B-1

圖5 試樣A-2、B-2

A-1、B-1上取比例標距與A-2、B-2作對比，但兩組選用引伸計標距不同，從而得出引伸計標距對試驗結果的影響；3組同為比例試樣，采用不同試樣寬度，得出試樣寬度對試驗結果的影響。以此3組試樣作對比可更具體地分析出引伸計標距Le、原始標距Lo、試樣寬度對試驗結果的影響程度，供企業(yè)在進行產品拉伸試驗時作為參照，正確選擇試樣尺寸、引伸計標距，從而獲得更可靠的數據結果。

2.3 試樣尺寸測量

試樣寬度測量采用校驗后的游標卡尺，試樣厚度測量采用檢驗后的壁厚千分尺，具體測得數據如表1所示。

表1 試樣尺寸表

2.4 試驗結果數據

尺寸測量后按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》進行試驗操作，具體試驗數據結果如表2所示。

表2 試驗數據結果

3 數據分析

3.1 引伸計標距Le不同對Rp0.2的影響

規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2即塑性延伸率為0.2%時對應的強度值，且延伸率只與引伸計標距Le有關，與原始標距Lo無關。

A-1、B-1拉伸試樣無論取固定標距Lo=50 mm還是取比例 標距Lo=5.65，根據引伸計 選取公 式Le≤0.9L（cLc≥Lo+1.5），該組引伸計的標距Le都取50 mm。A-2、B-2為比例試樣，Lo=5.65且Le=100 mm。從試驗結果看，兩組試驗Rp0.2數值差中包含由于A-2、B-2、試樣橫截面積增大導致強度值略有下降。Le從50 mm變?yōu)?00 mm后，Rp0.2最大差值下降0.76%，所以引伸計標距Le的不同，對Rp0.2的影響并不明顯。通過此次試驗可推論，只要引伸計的標距盡量覆蓋平行長度距離，所得Rp0.2的數據差值變化都不會太大。

3.2 原始標距Lo對斷后伸長率的影響

斷后伸長率=（Lu-Lo）/Lo，由此公式可得，斷后伸長率只與試樣原始標距Lo有關。當在A-1、B-1兩組試樣上取比例標距時，測得斷后生長率分別為20.05%、21.23%。當在A-1、B-1兩組試樣上取非比例標距即固定標距Lo=50 mm時，測得斷后伸長率分別為28.32%、28.60%。不難看出，采用非比例試樣測得的斷后伸長率遠大于比例試樣。且試樣的原始標距Lo值越小，所得斷后伸長率值越大。由于原始標距的不同對斷后伸長率的數據影響較大且不方便數據間的對比，建議試驗機構或制造商在條件允許情況下盡量采用比例試樣，即原始標距取比例標距。

3.3 試樣寬度對強度及斷后伸長率的影響

上述兩組數據可得，試樣寬度越大則屈服強度及抗拉強度值越低，當寬度增加204%時，Rp0.2最高下降0.76%，抗拉強度最高下降1.2%，所以寬度對強度的影響不明顯。

在A-1、B-1兩組試樣上取比例標距，與A-2、B-2的試驗結果進行比較。由于寬度增加，橫截面積增大，原始標距也隨著增大。但寬度增加204%后，得到的斷后伸長率的數值相差2.3%、2.1%。綜上，寬度對試驗結果Rp0.2及斷后伸長率A的影響都不顯著。

4 結論

通過對比試驗結果分析得出以下結論：比例試樣與非比例試樣在斷后伸長率上差距顯著，非比例試驗測得斷后伸長率合格，比例試驗測得數據不一定合格。為了嚴格試驗結果，建議試驗機構或制造單位必須采用比例試樣，特殊情況采用非比例試樣時也應對斷后伸長率進行換算；在試驗中，同為比例試樣時，采用的引伸計標距不同并不絕對性地影響試驗結果；試樣寬度對試驗結果影響也不顯著。GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》中對管材縱向弧形試樣寬度做出明確規(guī)定，當鋼管外徑Do＞200 mm時，試驗寬度取38 mm。但根據現實條件，對于壁厚較大的鋼管此試驗寬度并不可行，不僅拉伸最大力Fm接近試驗機的拉伸力值極限，且試驗尺寸較大，使得尺寸精度不能保證，在此情況下，試樣寬度可適當縮小。