金属材料的拉伸试验

2.2.1　金属材料的拉伸试验

图2-1　拉伸试样图

强度是材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。金属在静载单向应力、双向应力和三向应力条件下会得到差别很大的试验结果。由于单向应力条件下测得的材料指标比较稳定，具有广泛的可比性，所以被科技、生产及贸易部门采用，而且各国都通过制定标准对这个问题做了严格规定。

拉伸试验是测量材料静态力学性能指标应用最普遍的方法，我国对拉伸试验也制定了国家标准。拉伸试验的试样按国家标准可以加工成圆形截面的棒状试样，对板材也可以制成矩形截面的试样。如图2-1所示，试样由三部分组成。一是工作部分，它在原材料或部件中的取向、部位及自身形状，各种精度、粗糙度及加工工序等在国家标准中都有详细的规定。二是过渡部分，它是工作部分向外过渡的部分。这部分拉伸时会产生严重的应力集中，处理不好会在此断裂，导致试验的失败，尤其对脆性材料。三是夹持部分，这部分既要保证自身的承载能力，在整个试验中不能断裂；又要保证把载荷正确地加载到工作部分上去。

室温下在拉伸试验机上拉伸标准试样，记录下来的拉伸载荷F和试样的工作部分的绝对伸长ΔL之间的关系曲线称为拉伸图，也称力——伸长曲线（F-ΔL曲线）。如图2-2是退火低碳钢的拉伸图，图的纵坐标表示载荷F，单位是N（力），横坐标表示绝对伸长ΔL，单位是mm（长度）。试样从加载到断裂的全过程经历弹性变形、滞弹性变形、屈服前微塑性变形、屈服变形均匀变形、均匀塑性变形与局部塑性变形六个阶段。

图2-2　低碳钢的拉伸图

第Ⅰ阶段（oa）：弹性变形

在此阶段，试样是弹性变形，变形完全可逆，而且力与伸长成比例的线性关系，正因如此，也称为线弹性变形。

第Ⅱ阶段（ab）：滞弹性阶段

此阶段仍为弹性变形，变形仍然是可逆的。但ab阶段的弹性变形滞后，而且是非线性的，应力不与应变成比例。对于金属，此阶段很短。

第Ⅲ阶段（bc）：屈服前微塑性变形

当超过b点进入bc阶段时，开始出现连续的、均匀的微小塑性变形。此阶段也不长，而且不易与滞弹性变形阶段准确区分。

第Ⅳ阶段（cde）：屈服变形

在此阶段，塑性变形不连续，在试样表面可以观察到滑移带。c点为不连续屈服开始，从c到d为第一条滑移带产生。由于突然塑性伸长，其伸长速率超过试验机横梁移动的速率，因而使力降低，使之从c点降到d点。de为下屈服区，e点为屈服阶段的结束点，也是光滑硬化阶段的开始点。

第Ⅴ阶段（ef）：均匀塑性变形

进入此阶段，随着变形量的增加，金属不断强化，成为应变强化。表现为ef曲线光滑单调地上升，但在宏观上试样是均匀的。这由于应变硬化而使微小缩颈扩散不能形成局部化缩颈所致。f点为最大拉力点，就是拉伸图的最高点，这一点也是拉伸缩颈开始点，也称拉伸失稳点。

第Ⅵ阶段（fg）局部塑性变形

拉伸达到最高时，此时试样最弱且横截面中心处附近产生微小裂纹，并很快扩展，导致试样变形集中于缩颈处。而力很快下降，直至达到g点试样断裂。

拉伸图上的载荷与伸长量不仅与试验的材料性能有关，还与试样的尺寸有关。为了消除尺寸的影响，应采用应力—应变曲线。

试样拉伸在横截面上所产生的应力（正应力）等于载荷除以试样原始横截面积，用σ表示。即

式中　σ——应力，单位为MPa；

F——试样拉伸时所受的载荷，单位为N；

S₀——试样原始横截面积，单位为mm²。

拉伸时所产生的应变（正应变）为试样伸长量除以原始长度，用符号ε表示。即

式中　ε——应变；

ΔL——试样伸长量，单位为m；

L₀——试样原始标距长度，单位为mm。

图2-3　低碳钢的应力－应变曲线

以σ和ε为坐标，绘出的曲线为应力—应变曲线，如图2-3所示。从图中可以直接获得金属材料的一些力学性能。

最新国家标准GB/T228-2002中对以前相关标准中使用的一些性能名称和符号做了修改。目前有些文献仍在使用旧标准的名称和符号，参阅时应加以区分。一些常见室温性能的名称在新旧标准中的对比如表2-1所示。

表2-1　性能名称对照

1．强度

（1）比例极限

应力应变曲线上符合线性关系的最高应力值为比例极限，用σ_P表示。超过σ_P时，应力应变不再满足线性关系。

（2）弹性极限

材料产生完全弹性变形时所承受的最大应力值即为弹性极限，也就是应力—应变曲线中b点所对应的应力值，用σ_A表示。

（3）屈服强度和规定残余延伸强度

强度是材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

曲线上的cde阶段为不连续屈服阶段。c点是屈服应变爆发性增加的点，屈服应变突然增加，致使应变速率高于试验机位移速率，导致应力减少。在de范围内应力并不增加，但塑性应变在增加，直至e点这种状态结束。c点的应力是性能判据，成为上屈服强度R_eH，在de范围内的最低应力也是性能判据，成为下屈服强度R_eL。

屈服强度是具有屈服现象材料所特有的性能指标。但是某些金属材料（如高碳钢或某些经过热处理后的钢等），在拉伸试验中并没有明显的屈服现象发生，故无法确定其屈服强度。因此，提出“规定残余延伸强度”作为相应的强度指标。国标规定：当试验卸载拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力，作为规定残余伸长应力R_r。表明此应力的符号应附以角标说明，例如R_r0.2表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。

式中　F_r——材料产生规定残余伸长时的拉伸力，单位为N；

S₀——试样的原始横截面积，单位为mm²。

4．抗拉强度

材料在试样断裂前所受的最大应力值，即

式中　F_f——试样在断裂前所承受的最大载荷，单位为N；

抗拉强度是零件设计时的重要依据，同时也是评定金属材料强度的重要指标之一。

2．塑性

断裂前材料发生不可逆永久变形的能力称为塑性。常用的塑性判据是材料断裂时的最大相对塑性变形，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。

1．断后伸长率A

A是指试样拉断后标距的伸长与原始标距之百分比，即

式中　L_u——试样拉断后的标距，单位为mm；

L₀——试样原始全称，单位为mm。

试样标距长度对材料的A是有影响的，试样标距分比例标距和非比例标距两类。对比例标距，满足

L₀=，k为比例系数

标距中，k取5.65和11.3的值。根据k值的不同，可以分为长、短两种试样：长试样标距满足L₀=10d₀；短试样标距满足L₀=5d₀。式中d₀为试样原始直径。对于同一种材料，长试样伸长率小于短试样伸长率，长试样伸长率用A_11.3表示，短试样伸长率用A_5.65表示。

2．断面收缩率Z

Z是指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，即

式中　S_u——试样断裂处的最小横截面积，单位为mm²。

任何零件都要求具有一定的塑性。零件在使用中偶然会发生过载，但由于有一定塑性，会产生一定塑像变形而防止了零件的突然脆断。另外，塑性变形还有缓和应力集中、削减应力峰的作用，因而在一定程度上保证了零件工作安全。