變形速度/試樣尺寸對斷后伸長率的影響研究

李勝杰

（中國兵器科學研究院寧波分院，浙江 寧波 315103）

材料拉伸實驗過程當中會對拉伸實驗結果產生影響的因素眾多，如材料自身化學構成、晶粒大小、固溶強化性能、變形速度、實驗試樣尺寸、應力狀態等等。本文嘗試從變形速度以及試樣尺寸兩個方面，對斷后伸長率的影響情況進行實驗分析，以7050T74鍛鋁合金材料為例展開實驗研究。需要注意的一點是，以往技術條件支持下進行鑄鋁實驗過程當中對變形速度的要求較低，試樣過渡弧半徑以及直徑要求較大，因此實驗效率偏低。

通過本文如下所示實驗，能夠在保障實驗結果的前提條件下，最大限度促進實驗速率的提升。

1 實驗過程

1.1 實驗材料

選用7050T74鋁合金材料進行斷后伸長率實驗。合金中微量元素的錳、鉻、鈦、鋯等元素形成金屬間化合物，以彌散質點的形式存在，可細化晶粒，有效地阻止晶粒長大，提高合金再結晶溫度。

在熱加工變形和熱處理后仍保持晶粒主變形方向細長且呈纖維狀，進一步提高合金的力學性能。拉伸樣取樣位置如下圖（見圖1）所示。

圖1 拉伸樣取樣位置示意圖

1.2 實驗過程

選取縱向坐圈用7050T74鍛鋁合金材料。共取過渡弧半徑8.0mm，加工直徑10.0mm圓形橫截面試樣21個，進行不同變形速度條件下的拉伸實驗；取加工直徑為10.0mm，過渡弧半徑分別為3.0mm、5.0mm、以及8.0mm圓形橫截面試樣3種＊3個，進行不同過渡弧半徑試樣條件下的拉伸試驗；取加工直徑為5.0mm、8.0mm、以及10.0mm的圓形橫截面標準試樣3種＊3個，進行不同試樣直徑條件下的拉伸試驗。

試樣制備尺寸如下圖（見圖2）所示。所有試驗菌在微機控制電子式萬能試驗機上進行，全程質量在控，對不同變形速度拉伸結果以及不同試樣過渡弧半徑、直徑拉伸結果進行觀察與分析。

圖2 試樣制備尺寸示意圖

2 實驗結果

2.1 不同變形速度拉伸結果

變形速度為1.0mm/min情況下，對應規定非比例延伸強度測定值為443.0MPa，抗拉強度測定值為507.0MPa，斷后伸長率測定值為17.2%；變形速度為2.0mm/min情況下，對應規定非比例延伸強度測定值為439.0MPa，抗拉強度測定值為503.0MPa，斷后伸長率測定值為16.0%；變形速度為5.0mm/min情況下，對應規定非比例延伸強度測定值為436.0MPa，抗拉強度測定值為502.0MPa，斷后伸長率測定值為16.2%；變形速度為10.0mm/min情況下，對應規定非比例延伸強度測定值為431.0MPa，抗拉強度測定值為498.0MPa，斷后伸長率測定值為16.2%；變形速度為20.0mm/min情況下，對應規定非比例延伸強度測定值為418.0MPa，抗拉強度測定值為487.0MPa，斷后伸長率測定值為15.0%；變形速度為50.0mm/min情況下，對應規定非比例延伸強度測定值為447.0MPa，抗拉強度測定值為506.0MPa，斷后伸長率測定值為15.0%；變形速度為100.0mm/min情況下，對應規定非比例延伸強度測定值為427.0MPa，抗拉強度測定值為493.0MPa，斷后伸長率測定值為14.6%。

2.2 不同試樣過渡弧半徑、直徑拉伸結果

在變形速度恒定為10.0mm/min狀態下，過渡弧半徑為3.0mm情況下，對應規定非比例延伸強度測定值為443.0MPa，抗拉強度測定值為510.0MPa，斷后伸長率測定值為15.4%；過渡弧半徑為5.0mm情況下，對應規定非比例延伸強度測定值為444.0MPa，抗拉強度測定值為511.0MPa，斷后伸長率測定值為14.9%；過渡弧半徑為8.0mm情況下，對應規定非比例延伸強度測定值為455.0MPa，抗拉強度測定值為518.0MPa，斷后伸長率測定值為15.6%。

在變形速度恒定為10.0mm/min狀態下，試樣直徑為5.0mm情況下，對應規定非比例延伸強度測定值為420.0MPa，抗拉強度測定值為499.0MPa，斷后伸長率測定值為13.0%；試樣直徑為8.0mm情況下，對應規定非比例延伸強度測定值為423.0MPa，抗拉強度測定值為501.0MPa，斷后伸長率測定值為16.9%；試樣直徑為10.0mm情況下，對應規定非比例延伸強度測定值為414.0MPa，抗拉強度測定值為492.0MPa，斷后伸長率測定值為16.8%。

2.3 實驗結果分析

隨著變形速度、過渡弧半徑以及試樣直徑的變化，規定非比例延伸強度、抗拉強度基本呈現出水平直線的趨勢，無明顯改變。伴隨變形速度的提升，斷后伸長率呈現出一定程度上的下降趨勢。而過渡弧半徑未直接對斷后伸長率產生影響。從試樣直徑的角度上來看，在其取值為5.0mm的情況下，斷后伸長率發生較為明顯的下降趨勢。

在溫度一定的情況下，材料所呈現出的塑性變形傳播速度會存在一定的差異性。在其塑性變形傳播速度高于實驗速率的情況下，對材料強度塑性的影響并不明顯。對于本次研究中所選擇的7050T74材料而言，其變形速度按照50.0mm/min標準進行控制的情況下強度塑性未見明顯改變，拉伸速度對其取值的影響較小，提示這一區間內材料性能對變形速度改變的敏感程度偏低，可以考慮以50.0mm/min為標準進行拉伸試驗，以保障試驗效果達到理想狀態。

同時，由于本次實驗過程中所選用材料塑性良好，因此在試樣過渡弧半徑減少的過程當中，所產生應力集中現象對材料塑性以及強度水平的影響較小，這直接表現為試樣過渡弧半徑改變對斷后伸長率無明顯影響。而從試樣直徑的角度上來說，在其取值為5.0mm的情況下，斷后伸長率發生較為明顯的下降趨勢，主要機制是受變形速度較快且試樣直徑較小的因素影響，導致試樣尚未充分變形就已經拉斷所致。

3 結束語

本文上述研究分析中通過實驗方式圍繞變形速度、試樣尺寸對斷后伸長率的影響情況進行研究與分析，通過對相關數據的總結，得出以下幾個方面的結論：第一，拉伸試驗變形速度在1.0mm/min～100.0mm/min范圍內，材料強度受變形速度的影響較小，且斷后伸長率呈現出一定程度上的降低趨勢，變形速度按照50.0mm/min標準進行控制的情況下強度塑性未見明顯改變，拉伸速度對其取值的影響較小，提示這一區間內材料性能對變形速度改變的敏感程度偏低，可以考慮以50.0mm/min為標準進行拉伸試驗，以保障試驗效果達到理想狀態；第二，試樣過渡弧半徑變化對試樣強度以及斷后伸長率的影響表現不明顯；第三，試樣直徑取值5.0mm的情況下，斷后伸長率有較為明顯的下降趨勢，主要機制是受變形速度較快且試樣直徑較小的因素影響，導致試樣尚未充分變形就已經拉斷所致。