金屬材料拉伸性能及測(cè)試方法研究

李天海

（山東省冶金科學(xué)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

在機(jī)械加工中，對(duì)金屬材料性能要求較高，加工過(guò)程中，加工的條件、位置、溫度等都是影響金屬材料拉伸性能的元素[1]。大多數(shù)金屬材料具有較好的延展性，拉伸性能較好，在加工中能夠?qū)⒔饘俨牧献龀稍遊2]。金屬材料在冷加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生組織結(jié)構(gòu)的參與，使得材料的精密度不同。進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)金屬材料表面直徑大小的不同，取樣的位置也存在不同，最后獲取到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近于實(shí)際情況[3]。大多數(shù)情況下，金屬材料呈現(xiàn)出的整體性能大部分是相同的，常規(guī)狀態(tài)下難以區(qū)分出不同，但是當(dāng)外部產(chǎn)生作用力時(shí)，金屬材料的形態(tài)改變多數(shù)是依靠自身的拉伸方式完成[4]。在金屬材料受到外力作用進(jìn)行拉伸時(shí)，其強(qiáng)度會(huì)根據(jù)外力的力度、溫度的變化而改變[5]。一旦金屬材料自身的拉伸控制性能變差，導(dǎo)致金屬材料容易斷裂，存在嚴(yán)重的安全隱患[6]。金屬材料拉伸性能包括材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度以及延伸率三大指標(biāo)。適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)材料的彈性應(yīng)力速率，能夠提高材料的拉伸強(qiáng)度，呈現(xiàn)出高于常規(guī)強(qiáng)度的特性[7]。不同的金屬材料對(duì)操作速率的敏感程度各異，各項(xiàng)性能指標(biāo)的變化也出現(xiàn)不同。在金屬材料的斷裂強(qiáng)度操作中，自身變化的規(guī)律性不強(qiáng)，基本上是在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。金屬材料的拉伸強(qiáng)度測(cè)試能夠有效提高金屬材料的使用壽命，也是金屬結(jié)構(gòu)材料加工的重要基礎(chǔ)。因此，提出了金屬材料拉伸性能及測(cè)試方法的研究。

1 金屬材料拉伸性能測(cè)試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本文實(shí)驗(yàn)主要采取對(duì)比方法，將材料性質(zhì)、大小、質(zhì)量相同的測(cè)試材料分別制作成較大型的試樣，能夠在大型的試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以及小型裝置適用的試樣兩種。本實(shí)驗(yàn)采用的大型試驗(yàn)機(jī)為某科學(xué)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。將等比例放大的金屬試樣裝放置于機(jī)器中間位置，在試樣上安裝引伸需要的儀器，主要目的在于測(cè)量試樣的運(yùn)動(dòng)變化情況，計(jì)算金屬傳動(dòng)件的理論校核參數(shù)。兩種實(shí)驗(yàn)試樣的拉伸參數(shù)如表1所示。

表1 兩種實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的拉伸參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

構(gòu)建金屬材料拉伸復(fù)合加載模型。金屬材料拉伸性能測(cè)試方法，在測(cè)試的過(guò)程中需要同時(shí)采集多種變化的元素，例如拉伸與彎曲的載荷變化、拉伸運(yùn)動(dòng)材料的位移和彎曲幅度等。金屬整體具有拉伸與彎曲兩種驅(qū)動(dòng)變化的特性。在測(cè)試過(guò)程中，整個(gè)拉伸板塊與彎曲板塊的變化是不同的，但是存在一定的規(guī)律，均發(fā)生整體平移情況。傳感器對(duì)于拉伸與彎曲的信號(hào)產(chǎn)生不同的作用，通過(guò)軸線方向的不同，分別采集不同的信號(hào)裝填。拉伸發(fā)生位移時(shí)，金屬的相對(duì)壓頭產(chǎn)生移動(dòng)，載荷信號(hào)與位移信號(hào)存在相互干擾的情況。為了降低信號(hào)之間相互干擾對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，本文構(gòu)建了拉伸性能復(fù)合加載模型，其復(fù)合加載模型兩端固定式受力結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 復(fù)合加載模型兩端固定式受力結(jié)構(gòu)

如圖1所示，在A、B之間同時(shí)具有拉伸彎曲變化時(shí)，相互干擾的作用明顯，對(duì)二者之間的距離L形成縱向拉長(zhǎng)，使其L值發(fā)生改變。由于材料兩端設(shè)置了固定端裝置，金屬的拉伸性能發(fā)生改變，拉伸載荷F也會(huì)隨之改變。即拉伸載荷受拉伸作用力與跨距的影響。

計(jì)算金屬傳動(dòng)件的理論校核針對(duì)所構(gòu)建的拉伸性能復(fù)合加載模型，對(duì)其金屬傳動(dòng)件進(jìn)行理論校核計(jì)算，應(yīng)用ANASYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析，使其剛度滿足測(cè)試方法的要求。拉伸模塊中，各級(jí)減速之后驅(qū)動(dòng)絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)的直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)原始條件的改變，對(duì)直線運(yùn)動(dòng)中各部件中的轉(zhuǎn)矩、傳動(dòng)效率進(jìn)行計(jì)算。金屬材料發(fā)生拉伸改變時(shí)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)改變轉(zhuǎn)矩，其軸向力和傳動(dòng)鏈之間的關(guān)系可以表達(dá)為：

式中，T表示絲杠與螺母的轉(zhuǎn)矩；Pm表示導(dǎo)程；η表示傳動(dòng)效率；F表示金屬工作中的軸向力。在拉伸性能加載模塊中，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)減速裝置將其轉(zhuǎn)化為滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了證明實(shí)驗(yàn)的可行性，對(duì)金屬傳動(dòng)件的理論校核進(jìn)行了計(jì)算。

控制金屬拉伸性能的速率 測(cè)試金屬材料拉伸性能可以根據(jù)金屬應(yīng)變速率和應(yīng)力速率的變化完成測(cè)試，實(shí)際操作中，根據(jù)材料的特點(diǎn)及測(cè)試方法選擇合適的速率控制方法。在金屬材料上安裝引伸計(jì)，根據(jù)引伸計(jì)的信號(hào)變化按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)控制拉伸的應(yīng)變速率，直到拉伸性能測(cè)試結(jié)束后。采用引伸計(jì)測(cè)試方法中，大多數(shù)都可以根據(jù)引伸計(jì)信號(hào)的變化控制應(yīng)變速率，能夠在一定程度上降低金屬柔韌度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，使測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性較高。

如果金屬材料不能安裝引伸計(jì)控制應(yīng)變速率，可以通過(guò)分離速率途徑控制應(yīng)變速率。拉伸測(cè)試時(shí)拉伸強(qiáng)度的極限會(huì)發(fā)生極小的變形，此時(shí)采用較精密的儀器能夠測(cè)出較小的應(yīng)變量，結(jié)合虎克定律表述應(yīng)變速率，將金屬材料的拉伸性能控制在應(yīng)變速率范圍內(nèi)，使其趨于穩(wěn)定。

綜上所述，在一定條件下采用應(yīng)力速率控制方法測(cè)試金屬材料的拉伸性能，能夠滿足金屬工程中對(duì)性能測(cè)試的要求。

2 結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中材料拉伸產(chǎn)生的位移距離的變化，可以得到材料的拉伸強(qiáng)度。本文在大型試驗(yàn)機(jī)上對(duì)同種尺寸規(guī)格的材料進(jìn)行了拉伸性能承載的測(cè)試，試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行3次拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斷裂極限如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)圖2可知，拉伸實(shí)驗(yàn)的彈性部分發(fā)生變化，其變化的曲線率存在較小差異，由于金屬材料兩端的固定裝置在夾緊時(shí)會(huì)產(chǎn)生一部分的預(yù)應(yīng)力，導(dǎo)致預(yù)載荷出現(xiàn)一定差異變化，曲線變化率在應(yīng)變方向出現(xiàn)位移現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)采用的大型試樣與小型試樣的面積是存在一定比例的，所以由于面積不同產(chǎn)生的結(jié)果差異較小，可以忽略不計(jì)。將本文提出的測(cè)試方法與傳統(tǒng)載荷拉伸方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的金屬材料拉伸性能測(cè)試方法，在拉伸強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度與延伸率測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)方法存在較大差距，測(cè)試結(jié)果的相對(duì)誤差率較小，對(duì)于測(cè)試金屬材料的拉伸性能更加準(zhǔn)確。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

金屬材料通過(guò)不同的加工制作方式得到理想的材料形態(tài)，用于工業(yè)生產(chǎn)中。溫度環(huán)境能夠影響材料分子的運(yùn)動(dòng)，金屬材料內(nèi)部的分子運(yùn)動(dòng)的能量會(huì)隨溫度升高而顯著增強(qiáng)，相互作用力會(huì)降低，能夠增強(qiáng)橫向拉伸的強(qiáng)度。溫度過(guò)高時(shí)，材料結(jié)構(gòu)中的大分子鏈發(fā)生斷裂現(xiàn)象，致使金屬材料的拉伸性能會(huì)在一定程度上減弱。加工時(shí)間過(guò)短，材料的脆性會(huì)隨之增加，導(dǎo)致金屬材料的橫向斷裂拉伸值下降。金屬材料橫向斷裂拉伸的強(qiáng)度的變化取決于受到的壓力大小，壓力較大時(shí)，金屬拉伸形態(tài)的變化較明顯，性能會(huì)明顯降低。但當(dāng)壓力超過(guò)一定范圍時(shí)，材料的斷裂拉伸會(huì)出現(xiàn)反方向改變。加工操作的速度也會(huì)對(duì)金屬材料的拉伸性能產(chǎn)生負(fù)面影響。操作速度較慢時(shí)，金屬材料能夠承受255kN的拉力，操作速度加快，金屬材料位錯(cuò)密集會(huì)造成拉伸性能下降。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)金屬材料拉伸性能及測(cè)試方法進(jìn)行了研究，可知金屬材料拉伸與彎曲之間存在相互影響；計(jì)算金屬傳動(dòng)件的理論校核，確定絲杠與傳動(dòng)鏈之間的關(guān)系以及控制金屬拉伸性能速率的方法。通過(guò)與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，本文提出的測(cè)試方法能夠有效地測(cè)試金屬材料的拉伸性能，獲取到金屬拉伸性能的特點(diǎn)以及影響因素，有利于對(duì)金屬材料的保護(hù)與使用。