2.2.1　金屬材料的拉伸試驗(yàn)

圖2-1　拉伸試樣圖

強(qiáng)度是材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。金屬在靜載單向應(yīng)力、雙向應(yīng)力和三向應(yīng)力條件下會(huì)得到差別很大的試驗(yàn)結(jié)果。由于單向應(yīng)力條件下測(cè)得的材料指標(biāo)比較穩(wěn)定，具有廣泛的可比性，所以被科技、生產(chǎn)及貿(mào)易部門(mén)采用，而且各國(guó)都通過(guò)制定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這個(gè)問(wèn)題做了嚴(yán)格規(guī)定。

拉伸試驗(yàn)是測(cè)量材料靜態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)用最普遍的方法，我國(guó)對(duì)拉伸試驗(yàn)也制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。拉伸試驗(yàn)的試樣按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可以加工成圓形截面的棒狀試樣，對(duì)板材也可以制成矩形截面的試樣。如圖2-1所示，試樣由三部分組成。一是工作部分，它在原材料或部件中的取向、部位及自身形狀，各種精度、粗糙度及加工工序等在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中都有詳細(xì)的規(guī)定。二是過(guò)渡部分，它是工作部分向外過(guò)渡的部分。這部分拉伸時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，處理不好會(huì)在此斷裂，導(dǎo)致試驗(yàn)的失敗，尤其對(duì)脆性材料。三是夾持部分，這部分既要保證自身的承載能力，在整個(gè)試驗(yàn)中不能斷裂；又要保證把載荷正確地加載到工作部分上去。

室溫下在拉伸試驗(yàn)機(jī)上拉伸標(biāo)準(zhǔn)試樣，記錄下來(lái)的拉伸載荷F和試樣的工作部分的絕對(duì)伸長(zhǎng)ΔL之間的關(guān)系曲線稱為拉伸圖，也稱力——伸長(zhǎng)曲線（F-ΔL曲線）。如圖2-2是退火低碳鋼的拉伸圖，圖的縱坐標(biāo)表示載荷F，單位是N（力），橫坐標(biāo)表示絕對(duì)伸長(zhǎng)ΔL，單位是mm（長(zhǎng)度）。試樣從加載到斷裂的全過(guò)程經(jīng)歷彈性變形、滯彈性變形、屈服前微塑性變形、屈服變形均勻變形、均勻塑性變形與局部塑性變形六個(gè)階段。

圖2-2　低碳鋼的拉伸圖

第Ⅰ階段（oa）：彈性變形

在此階段，試樣是彈性變形，變形完全可逆，而且力與伸長(zhǎng)成比例的線性關(guān)系，正因如此，也稱為線彈性變形。

第Ⅱ階段（ab）：滯彈性階段

此階段仍為彈性變形，變形仍然是可逆的。但ab階段的彈性變形滯后，而且是非線性的，應(yīng)力不與應(yīng)變成比例。對(duì)于金屬，此階段很短。

第Ⅲ階段（bc）：屈服前微塑性變形

當(dāng)超過(guò)b點(diǎn)進(jìn)入bc階段時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)連續(xù)的、均勻的微小塑性變形。此階段也不長(zhǎng)，而且不易與滯彈性變形階段準(zhǔn)確區(qū)分。

第Ⅳ階段（cde）：屈服變形

在此階段，塑性變形不連續(xù)，在試樣表面可以觀察到滑移帶。c點(diǎn)為不連續(xù)屈服開(kāi)始，從c到d為第一條滑移帶產(chǎn)生。由于突然塑性伸長(zhǎng)，其伸長(zhǎng)速率超過(guò)試驗(yàn)機(jī)橫梁移動(dòng)的速率，因而使力降低，使之從c點(diǎn)降到d點(diǎn)。de為下屈服區(qū)，e點(diǎn)為屈服階段的結(jié)束點(diǎn)，也是光滑硬化階段的開(kāi)始點(diǎn)。

第Ⅴ階段（ef）：均勻塑性變形

進(jìn)入此階段，隨著變形量的增加，金屬不斷強(qiáng)化，成為應(yīng)變強(qiáng)化。表現(xiàn)為ef曲線光滑單調(diào)地上升，但在宏觀上試樣是均勻的。這由于應(yīng)變硬化而使微小縮頸擴(kuò)散不能形成局部化縮頸所致。f點(diǎn)為最大拉力點(diǎn)，就是拉伸圖的最高點(diǎn)，這一點(diǎn)也是拉伸縮頸開(kāi)始點(diǎn)，也稱拉伸失穩(wěn)點(diǎn)。

第Ⅵ階段（fg）局部塑性變形

拉伸達(dá)到最高時(shí)，此時(shí)試樣最弱且橫截面中心處附近產(chǎn)生微小裂紋，并很快擴(kuò)展，導(dǎo)致試樣變形集中于縮頸處。而力很快下降，直至達(dá)到g點(diǎn)試樣斷裂。

拉伸圖上的載荷與伸長(zhǎng)量不僅與試驗(yàn)的材料性能有關(guān)，還與試樣的尺寸有關(guān)。為了消除尺寸的影響，應(yīng)采用應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

試樣拉伸在橫截面上所產(chǎn)生的應(yīng)力（正應(yīng)力）等于載荷除以試樣原始橫截面積，用σ表示。即

式中　σ——應(yīng)力，單位為MPa；

F——試樣拉伸時(shí)所受的載荷，單位為N；

S₀——試樣原始橫截面積，單位為mm²。

拉伸時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變（正應(yīng)變）為試樣伸長(zhǎng)量除以原始長(zhǎng)度，用符號(hào)ε表示。即

式中　ε——應(yīng)變；

ΔL——試樣伸長(zhǎng)量，單位為m；

L₀——試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度，單位為mm。

圖2-3　低碳鋼的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

以σ和ε為坐標(biāo)，繪出的曲線為應(yīng)力—應(yīng)變曲線，如圖2-3所示。從圖中可以直接獲得金屬材料的一些力學(xué)性能。

最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228-2002中對(duì)以前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中使用的一些性能名稱和符號(hào)做了修改。目前有些文獻(xiàn)仍在使用舊標(biāo)準(zhǔn)的名稱和符號(hào)，參閱時(shí)應(yīng)加以區(qū)分。一些常見(jiàn)室溫性能的名稱在新舊標(biāo)準(zhǔn)中的對(duì)比如表2-1所示。

表2-1　性能名稱對(duì)照

1．強(qiáng)度

（1）比例極限

應(yīng)力應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力值為比例極限，用σ_P表示。超過(guò)σ_P時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變不再滿足線性關(guān)系。

（2）彈性極限

材料產(chǎn)生完全彈性變形時(shí)所承受的最大應(yīng)力值即為彈性極限，也就是應(yīng)力—應(yīng)變曲線中b點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，用σ_A表示。

（3）屈服強(qiáng)度和規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度

強(qiáng)度是材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。

曲線上的cde階段為不連續(xù)屈服階段。c點(diǎn)是屈服應(yīng)變爆發(fā)性增加的點(diǎn)，屈服應(yīng)變突然增加，致使應(yīng)變速率高于試驗(yàn)機(jī)位移速率，導(dǎo)致應(yīng)力減少。在de范圍內(nèi)應(yīng)力并不增加，但塑性應(yīng)變?cè)谠黾?，直至e點(diǎn)這種狀態(tài)結(jié)束。c點(diǎn)的應(yīng)力是性能判據(jù)，成為上屈服強(qiáng)度R_eH，在de范圍內(nèi)的最低應(yīng)力也是性能判據(jù)，成為下屈服強(qiáng)度R_eL。

屈服強(qiáng)度是具有屈服現(xiàn)象材料所特有的性能指標(biāo)。但是某些金屬材料（如高碳鋼或某些經(jīng)過(guò)熱處理后的鋼等），在拉伸試驗(yàn)中并沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象發(fā)生，故無(wú)法確定其屈服強(qiáng)度。因此，提出“規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度”作為相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)。國(guó)標(biāo)規(guī)定：當(dāng)試驗(yàn)卸載拉伸力后，其標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力，作為規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力R_r。表明此應(yīng)力的符號(hào)應(yīng)附以角標(biāo)說(shuō)明，例如R_r0.2表示規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力。

式中　F_r——材料產(chǎn)生規(guī)定殘余伸長(zhǎng)時(shí)的拉伸力，單位為N；

S₀——試樣的原始橫截面積，單位為mm²。

4．抗拉強(qiáng)度

材料在試樣斷裂前所受的最大應(yīng)力值，即

式中　F_f——試樣在斷裂前所承受的最大載荷，單位為N；

抗拉強(qiáng)度是零件設(shè)計(jì)時(shí)的重要依據(jù)，同時(shí)也是評(píng)定金屬材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一。

2．塑性

斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力稱為塑性。常用的塑性判據(jù)是材料斷裂時(shí)的最大相對(duì)塑性變形，如拉伸時(shí)的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。

1．?dāng)嗪笊扉L(zhǎng)率A

A是指試樣拉斷后標(biāo)距的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距之百分比，即

式中　L_u——試樣拉斷后的標(biāo)距，單位為mm；

L₀——試樣原始全稱，單位為mm。

試樣標(biāo)距長(zhǎng)度對(duì)材料的A是有影響的，試樣標(biāo)距分比例標(biāo)距和非比例標(biāo)距兩類(lèi)。對(duì)比例標(biāo)距，滿足

L₀=，k為比例系數(shù)

標(biāo)距中，k取5.65和11.3的值。根據(jù)k值的不同，可以分為長(zhǎng)、短兩種試樣：長(zhǎng)試樣標(biāo)距滿足L₀=10d₀；短試樣標(biāo)距滿足L₀=5d₀。式中d₀為試樣原始直徑。對(duì)于同一種材料，長(zhǎng)試樣伸長(zhǎng)率小于短試樣伸長(zhǎng)率，長(zhǎng)試樣伸長(zhǎng)率用A_11.3表示，短試樣伸長(zhǎng)率用A_5.65表示。

2．?dāng)嗝媸湛s率Z

Z是指試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，即

式中　S_u——試樣斷裂處的最小橫截面積，單位為mm²。

任何零件都要求具有一定的塑性。零件在使用中偶然會(huì)發(fā)生過(guò)載，但由于有一定塑性，會(huì)產(chǎn)生一定塑像變形而防止了零件的突然脆斷。另外，塑性變形還有緩和應(yīng)力集中、削減應(yīng)力峰的作用，因而在一定程度上保證了零件工作安全。