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质料简析丨金属质料拉伸实验影响因素

宣布时间：

2022-09-23 13:35

-引言-

拉伸测试作为表征金属质料强度、塑性和刚度的常见手段，具有操作简单、本钱低等优点，在工业及科研中均大宗使用。金属增材制造作为一个新兴的先进制造技术，在航空航天、医疗、汽车等行业应用越来越广泛，但也保存性能波动大、批次稳定性差的问题，因此对金属增材制造构件强度、塑性及弹性模量等力学性能的表征和剖析是增材制造质料工程师的重要事情，也是革新和优化工艺技术的重要手段。鉴于此，本文对拉伸测试的影响因素，尤其是弹性模量的影响因素进行剖析和探讨，以起抛砖引玉之效。

应变速率的影响

研究标明，关于2024铝合金（10组数据均值，表1），随应变速率增加，抗拉强度略有下降，屈服强度增加，断面收缩率及伸长率下降，弹性模量增加。

表1 差别应变速率下2024铝合金拉伸性能

同轴度的影响

拉伸测试中，系统的同轴度误差来源于三方面：试样同轴度、设备同轴度和工装同轴度，如表2。资料显示，系统的同轴度对弹性模量有很大影响，当同轴度保存较大误差时，拉伸历程试样不但受到拉力，还受到一个弯矩（图1）。以图2为例，在弯矩作用下，试样爆发弯曲，很显然，试样左右侧的变形量差别，左侧的伸长量＞右侧，由于引伸计刀口是压在试样的一侧，当刀口压在右侧时，应变变小，测得的弹性模量偏大，当刀口压在左侧时，应变变大，弹性模量偏小。由于试样装夹位置的随机性，因此，造成弹性模量的疏散性很大。需要注意的是，国标GB/T 228.1未对测试设备的同轴度和夹具的同轴度做出明确要求，且控制二者的同轴度精度亦比较困难，ISO 6892-1、GB/T 22315则对拉伸法测试弹性模量做出了详细的要求，比照见表3。因此，引伸计的装夹方法成为了提高弹性模量的重要手段，目前提高弹性模量的要领主要有：1）接纳双引伸计法。即在拉伸试样轴线对称各装1个引伸计，测试两侧的变形，再在电路中取均值，这样就抵消了弯曲变形的影响，获得了纯拉伸的变形。表4~表6为相关的测试结果，可以看出，这种要领是有效的，ISO6892-1也是这么要求的。但仪器较贵，且装置比较庞大；2）在同一试样差别偏向测试多个数据，取平均值。试验时，先在试样0℃偏向上装夹引伸计，加力至某一弹性变形规模内，然后卸载，在同一试样的90、180、270°偏向进行相同的操作，剖析测试各偏向上的弹性模量，取均值。

因此，关于拉伸测试泛起的弹性模量离散性大的问题，可能的原因有：1）“设备+工装+试棒”同轴度差；2）引伸计的加载方法不规范，接纳单引伸计进行丈量；3）原始数据处理不规范。

表2 系统同轴度误差分类

表3 三种标准对弹性模量的测试要求比照

图1 试样定位误差体现形式

图2 受力变形示意图

表4 2024铝合金拉伸法弹性模量测试结果比照

表5 低碳钢弹性模量测试结果

表6 硬铝弹性模量测试结果

试样尺寸的影响

试样形状

有文献标明，机加工状态的棒状拉伸试棒和轧制状态的板状拉伸试棒测试结果保存差别（表7）。棒状试棒的伸长率高于板状的，强度则无显著纪律。造成这种差别的原因有2个：1）棒状试样经过机加工，外貌平滑，缺陷较少，而板状试样为轧制面，外貌缺陷相对多一些；2）二者在拉伸时的应力和应变状态差别，棒状试样拉伸时四周缩变均匀，而板状试样不是。

表7 试样形状对拉伸性能的影响

试样宽度

关于冷轧板，在标距一准时，随试样宽度增加，抗拉和屈服强度均下降，伸长率上升，如表8其原因为：试样宽度增加，派生应力增加，试样由单向拉伸逐渐转向平面应力状态，从而使加入流变的质料逐渐增多。

表8标距一准时，试样宽度对拉伸性能的影响

平行长度

文献标明，平行长度对抗拉和屈服无显著影响，但对伸长率有显著影响，如表9。其影响机理为：强度指标仅取决于试样的最小截面上所蒙受的应力，当截面一样时，强度指标应该相同，伸长率均值先随平行长度的增加而提高，当平行长度抵达一定值后，伸长率则趋于稳定且略有下降，这种情况下，试验夹具和过渡圆弧不再影响标距部分的变形，失稳点既可泛起在标距内，也可泛起在标距外。平行长度越长，试样在中部断裂的几率越小，伸长率离散性变大，因此，平行长度应有一个最佳规模。

表9 标距一准时，平行长度对拉伸性能的影响

提高拉伸法（静态法）弹性模量精度的要领和建议

上文已提及，GB/T228.1对抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩率的测试进行了划定，未对弹性模量的测试提出明确的要求�；诘ハ蚶旆ú馐缘阅Ａ康墓娣段募荌SO6892-1和GB/T 22315中的静态法，显然，这两个文件中的测试条件和数据处理均比较严格和规范，其中，ISO 6892-1最为严格。结合加工、测试设备现状以及学者的研究，拉伸历程接纳2组引伸计保存较浩劫度，可操作性差，因此，经济、简便、可行的要领是：拉伸测试时，测试4个偏向的弹性模量，取其均值，具体操作为：

1）标记试样标距

2）沿标距线周向标记0°、90°、180°、270°方位

3）试样装夹

4）装置引伸计，刀口对应0°位置

5）加载力至质料屈服强度的50%

6）卸载力

7）改变引伸计刀口位置，划分压在90、180、270°位置，重复上述 2）~ 6）办法

8）截取屈服强度的10%~40%之间的数据点，进行拟合，得出弹性模量，取均值作为质料的弹性模量

9）测试强度和塑性。凭据正常的拉伸流程，将已测试过弹性模量的试棒拉断，测试强度和塑性（测试弹性模量的试棒对后续的拉伸测试结果无影响，已有相关研究）

工欲善其事，必先利其器。随着增材制造技术的生长，产品的服役情况也日益庞大卑劣，相应的对证料的性能要求也会越来越严格，因此，优化检测要领，提高测试精度对提升增材制造产品性能具有重要的指导意义，同时也会增进增材制造产品表征技术的标准化。

参考文献

1）赵麦英，陈光南，试样几何因素对拉伸性能的影响，30-32