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精密光亮管機(jī)械性能靜拉伸試驗(yàn)的特點(diǎn)與意義及詳細(xì)介紹
精密光亮管機(jī)械性能靜拉伸試驗(yàn)的特點(diǎn)與意義及詳細(xì)介紹 一、靜拉伸試驗(yàn)的特點(diǎn)與意義 注：GB/T228.1-2002及以后版本的《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)與舊標(biāo)準(zhǔn)指
精密光亮管機(jī)械性能靜拉伸試驗(yàn)的特點(diǎn)與意義及詳細(xì)介紹
一、靜拉伸試驗(yàn)的特點(diǎn)與意義
注：GB/T228.1-2002及以后版本的《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)與舊標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)、名稱(chēng)和符號(hào)差異較大，又考慮到文中引用的資料、數(shù)據(jù)形成的歷史跨度長(zhǎng)。因此，本文仍引用舊標(biāo)準(zhǔn)表述。
精密光亮管靜拉伸是一種簡(jiǎn)單的力學(xué)性能試驗(yàn)，在測(cè)試標(biāo)距內(nèi)，受力均勻，應(yīng)力應(yīng)變及其性能指標(biāo)測(cè)量穩(wěn)定、可靠、理論計(jì)算方便。通過(guò)靜拉伸試驗(yàn)，可以測(cè)定材料彈性變形、塑性變形、和斷裂過(guò)程中最基本的力學(xué)性能指標(biāo)，如正彈性模量E、屈服強(qiáng)度σ0.2、屈服點(diǎn)σs、抗拉強(qiáng)度σb、斷后延長(zhǎng)率δ及斷面收縮率ψ等。靜拉伸試驗(yàn)中獲得的力學(xué)性能指標(biāo)，如E、σ0.2、σs、σb、δ、ψ等，是材料固有的基本屬性和工程設(shè)計(jì)中的主要依據(jù)。
二、靜拉伸試樣
靜拉伸試樣分為比例試樣和非比例試樣兩種。圓截面比例試樣是按公式
l0=K?(S0)
計(jì)算而得到試樣尺寸的。式中的l0為標(biāo)距長(zhǎng)度;S0為試樣原始面積;系數(shù)K通常為5.65或11.3，前者稱(chēng)為短試樣，后者稱(chēng)為長(zhǎng)試樣。據(jù)此，長(zhǎng)、短圓試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度l0分別為 10d0和5d0 (d0為圓試樣直徑)。除圓截面試樣外還有板狀試樣，常用的試樣有六種形式，如圖1所示。灰鑄鐵和球墨鑄鐵的靜拉伸試樣如圖2所示，尺寸見(jiàn)表1和表2 。
▲圖1 圓形及板狀拉伸試樣形狀
a)~d)為圓形拉伸試樣 e)、f)為板狀拉伸試樣
▲圖2 灰鑄鐵和球磨鑄鐵拉伸試樣形狀
a)灰鑄鐵拉伸試樣 b)球墨鑄鐵拉伸試樣
▼表1 灰鑄鐵拉伸試樣尺寸(mm)
▼表2 球磨鐵拉伸試樣尺寸(mm)
三、拉伸試驗(yàn)機(jī)
計(jì)算機(jī)控制靜拉伸試驗(yàn)機(jī)
拉伸試驗(yàn)機(jī)一般由機(jī)身、加載機(jī)構(gòu)、測(cè)力機(jī)構(gòu)、載荷-伸長(zhǎng)記錄裝置和夾持機(jī)構(gòu)五部分組成。其中加載機(jī)構(gòu)和測(cè)力機(jī)構(gòu)是試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵部位，這兩部分的靈敏度及精度高低，能正確反映試驗(yàn)機(jī)質(zhì)量的優(yōu)劣。常用的拉伸試驗(yàn)機(jī)的加載機(jī)構(gòu)一般分為機(jī)械式(圖3)和液壓式(圖4)兩種。
▲圖3 機(jī)械式加載
▲圖4 液壓式加載
測(cè)力機(jī)構(gòu)一般有杠桿式測(cè)力(圖5)、擺錘式測(cè)力(圖6)或者兩者的結(jié)合。比較先進(jìn)的拉伸試驗(yàn)機(jī)大多采用電阻應(yīng)變載荷傳感器測(cè)力(圖7)。
▲圖5 杠桿式測(cè)力
▲圖6 擺錘式測(cè)力
▲圖7 電阻應(yīng)變片載荷傳感器測(cè)力
拉伸試驗(yàn)機(jī)常用的引伸儀有杠桿式(圖8)、百分表式、光學(xué)(馬丁)式(圖9)和電子式(差動(dòng)變壓器或電阻應(yīng)變片式，圖10)等。
▲圖8 杠桿式引伸儀
▲圖9 光學(xué)(馬丁)式引伸儀
▲圖10 電子式(差動(dòng)變壓器)引伸儀
比較先進(jìn)的還有電子拉伸試驗(yàn)機(jī)和自動(dòng)試驗(yàn)機(jī)。電子拉伸試驗(yàn)機(jī)采用電子技術(shù)，對(duì)載荷和變形進(jìn)行精確測(cè)控和自動(dòng)記錄，大多數(shù)采用帶有電阻應(yīng)變載荷傳感器的測(cè)力裝置和差動(dòng)變壓器引伸儀或以自整角機(jī)同步伺服方式測(cè)量變形。這種實(shí)驗(yàn)機(jī)載荷范圍都很款，由于載荷系統(tǒng)跟蹤速度很高，能夠消除一般錘擺式測(cè)力計(jì)因慣性較大而引起的測(cè)量誤差。自動(dòng)試驗(yàn)機(jī)是將電子計(jì)算機(jī)用于電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上而成的?？梢宰詣?dòng)測(cè)量試樣直徑、安裝試樣，同時(shí)自動(dòng)測(cè)定數(shù)據(jù)并將結(jié)果打印出來(lái)，全部實(shí)驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)完成。
全自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)
在液壓試驗(yàn)機(jī)上，采用靈敏度和精度都很高的電液伺服控制系統(tǒng)，可以精確控制載荷和變形，試樣性能的非線性變化也能自動(dòng)補(bǔ)償。這種試驗(yàn)機(jī)可以保證在選定的載荷狀態(tài)下或按一定的載荷變形程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
試驗(yàn)機(jī)上夾頭的對(duì)中偏差不應(yīng)超過(guò)±0.5mm，以免產(chǎn)生附加彎曲而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了在試樣拉伸過(guò)程中自動(dòng)調(diào)節(jié)上、下夾頭的同心度，一般試驗(yàn)都帶有球面支座夾頭，使用時(shí)，在球面接觸處需涂以潤(rùn)滑脂，以保證靈活自如。
四、應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其力學(xué)性能指標(biāo)
典型的的靜拉伸試樣采用標(biāo)長(zhǎng)為l0，截面積A0為光滑圓柱試棒進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn)，低碳鋼的負(fù)荷 F 與變形 Δl 曲線如圖11所示，由圖11可得應(yīng)力(σ=F/S0)和應(yīng)變(δ=Δl/l0)，σ-δ曲線圖，見(jiàn)圖12。
▲圖11 低碳鋼載荷-變形曲線
▲圖12 低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線
具有鐵素體組織或回火索氏體組織的各種結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有類(lèi)似于上述曲線的形狀。除此之外還有圖13所示的幾種類(lèi)型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
▲圖13幾種類(lèi)型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
硬化程度較高的鋼，變形時(shí)沒(méi)有物理屈服行為，如圖13a曲線所示。經(jīng)過(guò)冷變形的低、中溫回火的結(jié)構(gòu)鋼、高溫回火或退火的高碳鋼大都屬于種類(lèi)型。
受到強(qiáng)烈硬化的材料(如經(jīng)過(guò)大變形量冷拔過(guò)的鋼絲)，出現(xiàn)圖13b所示的曲線。
對(duì)于典型的脆性材料(如淬火的高碳鋼等)出現(xiàn)圖13c所示的曲線，即在拉伸過(guò)程中不出現(xiàn)明顯的塑性變形，彈性變形后立即斷裂。
對(duì)于形變強(qiáng)化能力很強(qiáng)的鋼(如高猛耐磨鋼等)，會(huì)出現(xiàn)圖13d所示的曲線，斷裂前不形成縮頸。
在圖12 所示的典型的靜拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，不同的力學(xué)性能指標(biāo)，分別用不同的符號(hào)在圖中標(biāo)注了出來(lái)。下面分別加以討論。
拉伸試驗(yàn)后的試樣形貌
4.1 彈性模量
彈性模量標(biāo)記為E。圖中Oc與橫軸的夾角為α，則：E=tanα=σ/δ。
E代表材料產(chǎn)生單位彈性變形所需應(yīng)力的大小，它代表了材料剛度的大小。彈性模量 E 反映了材料原子間結(jié)合能力(或叫鍵合力)，因此，一般合金化、熱處理、冷熱加工等強(qiáng)化手段對(duì) E 的影響不大。所以它是一個(gè)對(duì)成分、組織、狀態(tài)不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。
對(duì)于空間飛行器用材料，不僅需要考慮剛度，還要考慮密度，通常使用比彈性模量，即：
比彈性模量=彈性模量/密度
幾種常用結(jié)構(gòu)材料的比彈性模量列于表3。由表3 可以看出，大多數(shù)金屬材料的比彈性模量值相差不大，只有鈹特別大。一些陶瓷材料的比彈性模量也很大，這是近年來(lái)陶瓷在空間技術(shù)上廣泛應(yīng)用的原因之一。
▼表3 幾種常用材料的比彈性模量
彈性模量的測(cè)定可通過(guò)精確和放大的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)計(jì)算出來(lái)。但是一般是用動(dòng)力學(xué)方法(如聲學(xué)共振法)來(lái)測(cè)定。動(dòng)力學(xué)方法與靜拉伸試驗(yàn)測(cè)定的結(jié)果相差大約不超過(guò)0.5%。
4.2 屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度
有屈服效應(yīng)或者稱(chēng)物理屈服現(xiàn)象的材料，在拉伸過(guò)程中載荷不增加或有所下降，而試樣繼續(xù)變形的最小載荷所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為屈服點(diǎn)σs，或下屈服點(diǎn)σsl(圖14)。不采用載荷開(kāi)始下降的上屈服點(diǎn)σsu的原因，在于拉伸試樣的過(guò)渡圓角大小、試樣軸線與載荷軸線的重合度、試樣表面粗糙度均影響上屈服點(diǎn)的大小。在正常試驗(yàn)條件下，下屈服點(diǎn)再現(xiàn)性比較好，由于屈服應(yīng)變較大，故觀測(cè)比較方便。
屈服點(diǎn)按照定義應(yīng)該是材料開(kāi)始塑性變形的應(yīng)力，只有單晶體的屈服點(diǎn)才有物理意義。它對(duì)應(yīng)著位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)，開(kāi)始滑移的臨界應(yīng)力。而在實(shí)際多晶體中，由于晶體位向的差別，使各晶粒不可能同時(shí)發(fā)生塑性變形。當(dāng)只有少數(shù)晶粒開(kāi)始塑性變形時(shí)，宏觀并未顯示屈服，只有較多晶粒產(chǎn)生塑性變形時(shí)，在宏觀的的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上再能顯示出來(lái)。因此，工程上常用的屈服有三種：
4.2.1比例極限(σp)：
應(yīng)力-應(yīng)變曲線上符合彈性關(guān)系的最高應(yīng)力(圖12中Oa)。超過(guò)σp時(shí)即認(rèn)為開(kāi)始屈服。
4.2.2彈性極限(σel)：
試樣加載后再卸載，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標(biāo)準(zhǔn)，殘留能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力，超過(guò) σel 時(shí)，即認(rèn)為才開(kāi)始屈服。
工程上之所以要區(qū)別他們，原出于適用目的。例如槍炮材料要求高的比例極限來(lái)保證彈道的準(zhǔn)確性，彈簧材料要求有高的彈性極限以保證其可靠性。
4.2.3屈服強(qiáng)度：
以規(guī)定發(fā)生一定的殘留変形為標(biāo)準(zhǔn)，如通常以0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，符號(hào)為σ0.2。
這三種標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際測(cè)量上都是以殘留變形為依據(jù)，只不過(guò)規(guī)定的殘留變形不量同，將屈服強(qiáng)度規(guī)定為三種情況：
1)規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力(σp)，試樣在加載過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)部分的非比例達(dá)到規(guī)定比例(以%表示)的應(yīng)力，例如σp0.01、σp0.02等。
2)規(guī)定殘留伸長(zhǎng)應(yīng)力(σs)，試樣在卸載后，其標(biāo)準(zhǔn)部分的殘留伸長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定比例時(shí)的應(yīng)力，常用σs0.2。
3)規(guī)定總伸長(zhǎng)應(yīng)力(σt)，試樣標(biāo)準(zhǔn)部分的總伸長(zhǎng)(彈性伸長(zhǎng)加塑性伸長(zhǎng))達(dá)到規(guī)定比例時(shí) 的應(yīng)力如σt0.5。這時(shí)應(yīng)注意σp和σt是在試樣加載時(shí)直接從σ-ε(F-Δl)曲線上測(cè)量的，詳見(jiàn)圖15。而 σt 要求卸載測(cè)量。之所以規(guī)定里一種 σt 的測(cè)量方法，一方面是為了測(cè)量方便，另一方面是有利于材料(灰鑄鐵、黃銅等)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，本來(lái)就沒(méi)有直線部分，所以，用 σt0.5 表示其屈服強(qiáng)度。
▲圖15 用作圖法求條件屈服強(qiáng)度
屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度對(duì)材料的成分、組織、狀態(tài)、溫度和加載速度因素十分敏感，通過(guò)合金化、熱處理、冷熱加工等手段可以大幅度地加以改變。
屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度是機(jī)械設(shè)計(jì)中關(guān)于材料的最重要的性能指標(biāo)之一。對(duì)于塑性材料，強(qiáng)度設(shè)計(jì)以屈服點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力[σ ]=σs/n，n為安全系數(shù)，一般取 2 或者更大。這表示許用應(yīng)力不高于屈服強(qiáng)度的一半，或者更低。屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度不僅直接用于機(jī)械設(shè)計(jì)，在工程上也是材料的某些力學(xué)行為和工藝性能的大致度量。例如材料屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度增高，對(duì)應(yīng)力腐蝕和氫脆就敏感;材料屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度低，冷加工成型性能和焊接性能就好。
4.3 斷后伸長(zhǎng)率與斷面收縮率
斷后伸長(zhǎng)率 δ 與斷面收縮率 ψ，表示斷裂前金屬塑性變形的能力。材料塑性是工程材料的重要性能指標(biāo)。這是因?yàn)椋?/p>
?、俨牧暇哂幸欢ǖ乃苄?，當(dāng)機(jī)件或構(gòu)件偶爾受到過(guò)載荷時(shí)能發(fā)生塑性變形，它與形變強(qiáng)化相結(jié)合，保證了機(jī)件的安全而避免突然斷裂。
?、谟捎跈C(jī)械構(gòu)件不可避免地存在截面過(guò)度、油孔、溝槽及尖角等，加載后這些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，具有一定塑性的材料，可以通過(guò)應(yīng)力集中處的局部塑性變形來(lái)削減應(yīng)力峰，使應(yīng)力重新分配，從而保證零件不致早期開(kāi)裂。
?、鄄牧暇哂幸欢ǖ乃苄?，有利于某些成型工藝(如冷沖壓、冷彎、校直等)、修復(fù)工藝、和裝配工藝的順利完成。
④ 塑性指標(biāo)還是金屬生產(chǎn)的質(zhì)量標(biāo)志，它反映出材料冶金質(zhì)量的好壞(純凈度、加工質(zhì)量與熱處理水平)。
斷后伸長(zhǎng)率 δ 表示實(shí)驗(yàn)前后試樣的相對(duì)伸長(zhǎng)，計(jì)算公式為
lt-l0 δ=———×100% l0
斷面收縮率 ψ 表示試樣截面在試驗(yàn)前后的相對(duì)減縮量，計(jì)算公式為：
St-S0
ψ= - ———×100%
S0
l0、S0 分別為試驗(yàn)前試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度、原始截面積 ，lt 、St分別為試樣斷裂后標(biāo)距伸長(zhǎng)后的長(zhǎng)度和截面縮小后的截面積。
由圖16可以看出，在靜拉伸變形過(guò)程中，可以分為均勻變形(即標(biāo)距內(nèi)試樣截面均勻變化)和局部集中收縮變形兩部分。
縮頸前均勻變形階段的最大相對(duì)伸長(zhǎng)率可表示為:
ΔlB δB=———
l0
局部集中變形階段的相對(duì)伸長(zhǎng)率可以表示為
ΔlN δN=———
l0
故，總斷后伸長(zhǎng)率δK為 δK=δB+δN
▲圖16 拉伸過(guò)程中截面變形情況
在一般工程手冊(cè)與資料中，斷后伸長(zhǎng)率用 δ 表示，但由于斷后伸長(zhǎng)率不僅與試樣標(biāo)距長(zhǎng)度 l0 有關(guān)，還與試樣面積有關(guān)。因此，國(guó)際上規(guī)定， l0/√(S0)(標(biāo)距與原始截面積的平方根之比)為一常數(shù)時(shí)，測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率才可以相互比較。我國(guó)規(guī)定l0/?(S0)=5.65或11.3，他們分別代表 l0=5d0 和 l0=11d0 兩種圓形式樣，求出的斷后伸長(zhǎng)率分別用 δ5 和 δ10 表示。由于試樣局部集中變形的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于均勻變形，因此在總的斷后伸長(zhǎng)率中，隨著標(biāo)距長(zhǎng)度縮短，局部集中變形引起相對(duì)伸長(zhǎng)的δN所占的比例增大，故一般δ5大于δ10。對(duì)于不同材料，只有 δ5 和 δ5 比較或 δ10 與 δ10 比較才是正確的。
同樣，斷面收縮率也可以看成有兩部分組成，即
ψK=ψB+ψN
研究表明，均勻變形階段的 ψB 主要取決于金屬基體相的狀態(tài)，它反映了基體已被強(qiáng)化程度的大小(圖17)。ψN 代表金屬集中塑性變形能力的大小，第二相的數(shù)量等因素對(duì)它有明顯影響(圖18)。
▲圖17 不同碳含量碳鋼淬火不同溫度回火后的ψB值
▲圖18 不同碳含量剛淬火、600℃回火后ψB和ψN的變化
在試樣在 l0=10d0 條件下，斷后伸長(zhǎng)率δK中δB占的比重大于δN，因此它主要反映了材料均勻變形的能力;而斷面收縮率 ψK 中，ψN 所占比例遠(yuǎn)大于ψB，它主要反映了材料局部集中變形的能力。
五、正應(yīng)力-應(yīng)變曲線
正應(yīng)力為 ： σ=F/S
式中S——當(dāng)試樣受載荷F作用時(shí)的截面積。
應(yīng)變以相對(duì)伸長(zhǎng) e 或斷面收縮率 ψe 表示。它的定義如下，若長(zhǎng)度為 l0 的試樣受力 f 作用后伸長(zhǎng)至 l ，當(dāng)有一增量 dF 時(shí)，試樣長(zhǎng)度相應(yīng)變化 dl ，所以de=dl/l 故相對(duì)伸長(zhǎng)為：
為了避免出現(xiàn)負(fù)號(hào)通常用-ψe表示
正應(yīng)力-應(yīng)變曲線(σ—e曲線)如圖19所示。
▲圖19 正應(yīng)力-應(yīng)變曲線(σ—e曲線)
5.1 形變強(qiáng)化指數(shù)與形變強(qiáng)化模數(shù)
在圖19中，OA是彈性變形部分，AB段曲線可以表示為
σ=Ke?
式中的n為形變強(qiáng)化指數(shù)，可以表征在均勻變形階段金屬形變強(qiáng)化能力。B點(diǎn)以后開(kāi)始產(chǎn)生縮頸，DC段表示局部集中變形部分，它的斜率D=tanα 為一常數(shù)，稱(chēng)為材料的形變強(qiáng)化模數(shù)，他表示材料局部集中變形階段的形變強(qiáng)化能力。
5.2 抗拉強(qiáng)度
抗拉強(qiáng)度又稱(chēng)強(qiáng)度極限，以σb表示，它是在試驗(yàn)過(guò)程試樣所承受的最大載荷FB與試樣原始截面積S0的比值，即σb=FB/S0 。他表征著一定界面的材料所承受的最大載荷，故，它有著重大的實(shí)用價(jià)值。
六、缺口拉伸與缺口偏斜拉伸
生產(chǎn)上絕大多數(shù)機(jī)件不是截面均勻、無(wú)變化的光滑體，而是存在截面變化的，如鍵槽、油孔、臺(tái)階、螺紋及退刀槽等，這種截面的變化可以簡(jiǎn)稱(chēng)為缺口。由于缺口的存在，會(huì)使靜拉伸時(shí)的力學(xué)行為發(fā)生變化。分述如下：
6.1 缺口效應(yīng)
由于缺口的存在會(huì)引起一下一些效應(yīng)：
1)缺口引起應(yīng)力集中，使缺口頂端的最大應(yīng)力大于該截面上的平均應(yīng)力，如圖20所示。
▲圖20 缺口試樣拉伸時(shí)最小截面上的應(yīng)力分布
圖中 σl 為軸向應(yīng)力，σt為切向應(yīng)力，σr為徑向應(yīng)力。為了描寫(xiě)應(yīng)力集中情況，采用缺口截面上最大軸向應(yīng)力σLmax和該截面上的平均應(yīng)力σm之比，稱(chēng)為應(yīng)力集中系數(shù)K了，即：
Kl=σLmax/σm
2)缺口的存在，引起多軸應(yīng)力狀態(tài)。由圖20可以看出，缺口拉伸時(shí)，不僅存在軸向應(yīng)力，還存在切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，出現(xiàn)所謂多軸應(yīng)力狀態(tài)。由于這種多軸應(yīng)力的存在，使抗拉強(qiáng)度升高，并使材料向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)化。
6.2 缺口靜拉伸試驗(yàn)
為了測(cè)定金屬材料在靜拉伸下對(duì)缺口的敏感程度，要進(jìn)行缺口拉伸試驗(yàn)。缺口的形狀件圖21 。
▲圖21 缺口拉伸試樣的缺口形狀
缺口試樣在拉伸過(guò)程中，在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布如圖20所示。當(dāng)發(fā)生塑性變形后，將發(fā)生如圖22所示的變化。隨著塑性變形的發(fā)展，塑性區(qū)逐步向心部發(fā)展，在塑性區(qū)與彈性區(qū)交界處出現(xiàn)最大應(yīng)力，當(dāng)這個(gè)最大應(yīng)力超過(guò)材料斷裂強(qiáng)度時(shí)，便在該區(qū)發(fā)生斷裂。不難看出，若不發(fā)生塑性變形或很少發(fā)生塑性變形斷裂，則斷裂起源于缺口根部表面。塑性越好，斷裂源越向中心移動(dòng)。
▲圖22 缺口試樣塑性變形時(shí)的應(yīng)力分布
通常用缺口強(qiáng)度比 NSR 作為衡量靜拉伸下缺口敏感指數(shù)
NSR=σbN/σb
式中σbN——表示缺口拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度。
通常的缺口拉伸試樣形狀如圖23所示。
▲圖23 缺口拉伸試樣
一般認(rèn)為，NSR<1，即σbN<σb，說(shuō)明材料對(duì)缺口敏感。事實(shí)上，表現(xiàn)為這種情況的金屬并不多，大多為已知的所謂脆性材料，如鑄鐵、淬火加底紋回火的高碳鋼。絕大多數(shù)金屬NSR>1，這時(shí)因?yàn)橹灰笨谔幇l(fā)生少量塑性變形就可以使NSR>1，但這并不能說(shuō)明金屬對(duì)缺口不敏感。因此，單純憑缺口拉伸試驗(yàn)，按NSR>1來(lái)選材和制定工藝是不可靠的。
6.3 缺口偏斜拉伸試樣
對(duì)于一些重要的承載螺釘，在制造安裝和使用過(guò)程中，不可避免地存在因斜偏影響帶來(lái)的附加彎曲。為此，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行圖24所示的缺口斜偏拉伸試樣。
▲圖24 缺口斜偏拉伸試試驗(yàn)裝置
1-試樣 2-螺紋夾頭 3-試驗(yàn)機(jī)上夾頭 4-墊圈
圖24中墊圈4為具有一定斜角φ的墊圈，只要改變墊圈的角度即可改變?cè)嚇悠苯嵌?。最長(zhǎng)用偏斜角度為φ=4°或8°，相應(yīng)的缺口強(qiáng)度以
典型的光滑試樣的歷史端口如圖25所示。端口由三部分組成，即中心纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)。斷裂起源于中心纖維區(qū)(它呈粗糙纖維狀、暗灰色、環(huán)狀)，當(dāng)纖維區(qū)達(dá)到一定尺寸(即臨界尺寸)后，裂紋開(kāi)始快速擴(kuò)散形成放射區(qū)，最后斷裂形成剪切唇(剪切唇表面較光滑，與拉伸應(yīng)力軸的交角月45°)。中心纖維區(qū)和剪切唇區(qū)是材料任性斷裂的宏觀特征，而放射區(qū)是脆性斷裂的宏觀特征。
▲圖25 典型的光滑試樣的拉伸端口 放射區(qū)的特征是沒(méi)有放射花樣，每根放射花樣稱(chēng)為放射元。放射方向與裂紋擴(kuò)展方向平行，垂直于裂紋前言的輪廓線，并逆指向裂紋源。放射元是一種剪切撕裂脊，撕裂時(shí)的塑性變形量越大，撕裂功也越大，其放射元也將月粗大;反之，若撕裂時(shí)塑性變形量越小，則撕裂功也越小，其放射元也越細(xì)。所以隨著溫度降低、強(qiáng)度提高及塑性降低，放射元將由粗變細(xì)，對(duì)于極脆材料則放射花樣消失。
8.2 帶缺口的圓形拉伸試樣斷口
帶缺口的圓形拉伸試樣，由于缺口處應(yīng)力集中，裂紋直接在缺口或缺口附近產(chǎn)生。此時(shí)其纖維區(qū)不是在試樣端口中央而是沿圓周分布，而后向內(nèi)部擴(kuò)展(圖26)。若缺口較鈍，則裂紋仍可能在試樣中心形成。缺口裂紋也可能以不對(duì)稱(chēng)方式擴(kuò)展，形成較為復(fù)雜的斷口形貌。
▲圖26 缺口拉伸試樣的斷口形貌示意圖
8.3 矩形形拉伸試樣斷口
矩形拉伸試樣圖樣
矩形拉伸試樣的斷口，同圓形一樣，也有三個(gè)區(qū)域，如圖27所示。其中也有纖維區(qū)呈橢圓形，放射區(qū)則出現(xiàn)“人字紋” 花樣，人字紋的尖端一般來(lái)說(shuō)指向裂紋源，靠近表面的切斷區(qū)為最后破斷區(qū)。
▲圖27 矩形拉伸試樣端口形貌示意圖
一般來(lái)說(shuō)端口都可能有三個(gè)區(qū)域，但隨溫度降低，材料強(qiáng)度增高或塑性下降;缺口尖銳程度增大或應(yīng)力狀態(tài)變硬、加載速度增大，則脆性特征區(qū)(纖維區(qū)和我剪切唇)縮小;反之，則出現(xiàn)相反的情況。有時(shí)候可能只出現(xiàn)脆性特征花樣，有時(shí)候可能只出現(xiàn)人短特征花樣。
帶缺口或帶表面缺陷的矩形試樣的斷口如圖28所示。裂紋不再發(fā)生在中心部位，而發(fā)生在缺口根部或表面缺陷處。
▲圖28 帶缺口或有表面缺陷的矩形史昂斷口
九、幾種常用材料的靜拉伸數(shù)據(jù) 靜拉伸試驗(yàn)可以的帶材料最基本的力學(xué)性能(如強(qiáng)度、塑性指標(biāo))，把幾種常用鋼材的靜拉伸數(shù)據(jù)列于表4 。
▼4 幾種常用鋼材的靜拉伸數(shù)據(jù)
十、影響靜拉伸試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)的主要因素 單向拉伸試樣是應(yīng)用最廣的一種力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)可以得到材料最主要的一系列性能數(shù)據(jù)，如彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率與斷面收縮率等。這些數(shù)據(jù)是控制生產(chǎn)過(guò)程中材料質(zhì)量，評(píng)價(jià)新材料和機(jī)械設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。因此，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定準(zhǔn)確十分主要。下面討論影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的一些因素。10.1 試樣位置與方向的影響
熱加工和機(jī)械加工過(guò)程不同，材料不同部位的顯微組織不同，對(duì)性能的測(cè)定斗有較大一些。如從鑄件上取樣時(shí)，鑄件表面冷速大，近表面取樣強(qiáng)度就比較大。金屬軋制時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)晶體織構(gòu)現(xiàn)象，和夾雜物的纖維化，因此，沿纖維方向的強(qiáng)度，就高于其垂直方向。
10.2 試樣形狀與尺寸的影響
圓形試樣和方形或矩形截面試樣，其塑性指標(biāo)(伸長(zhǎng)率和斷面收縮率等)是不同的，兩者沒(méi)有可比性。由于圓形截面的試樣在拉伸加載時(shí)，截面自由收縮，不出現(xiàn)多向約束(或多向應(yīng)力)，變形相對(duì)比較自由。尺寸不同(截面積不同和長(zhǎng)度不同)的試樣，其強(qiáng)度和塑性數(shù)據(jù)也不盡相同，同樣截面尺寸的短棒拉伸試樣的伸長(zhǎng)率明顯高于長(zhǎng)試樣。過(guò)大截面的試樣，由于應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，容易形成多向應(yīng)力狀態(tài)，難以自由變形。因此試樣尺寸不同，其性能是不同的，兩者不可比較。必須嚴(yán)格按國(guó)標(biāo)(GBT228-2002)規(guī)定的試樣尺寸進(jìn)行試驗(yàn)。10.3 應(yīng)變速率、表面粗糙度和材料脆性的影響 應(yīng)變速率是材料生產(chǎn)、制造和試驗(yàn)的重要依據(jù)，常規(guī)的拉伸試驗(yàn)只規(guī)定應(yīng)變速率的上限。對(duì)大多數(shù)材料來(lái)說(shuō)，在較高的變形速率下強(qiáng)度趨于增加，塑性和延性影響較小，應(yīng)變速率影響最敏感的是屈服強(qiáng)度(或流量應(yīng)力)，隨著應(yīng)變速率增高，屈服強(qiáng)度明顯增高。表面粗糙度對(duì)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生影響，表面粗糙度值高或表面存在刀痕或碰傷，會(huì)形成局部應(yīng)力集中，使強(qiáng)度和塑性有所下降，這一趨勢(shì)對(duì)于塑性較差的高強(qiáng)度或超高強(qiáng)度鋼，或陶瓷材料等顯得特別敏感，會(huì)大幅度降低其強(qiáng)度值因此，該類(lèi)材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，要特別注意試樣的表面粗糙度。 對(duì)于韌性很差的材料(如工磨具鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷等)進(jìn)行路試試樣時(shí)，其數(shù)據(jù)分散、誤差大，難以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。這是因?yàn)?，?duì)于這類(lèi)脆性材料，要求實(shí)驗(yàn)機(jī)上下夾頭對(duì)中十分嚴(yán)格，一般情況下難以滿足，往往因?yàn)樯?、下夾頭軸線不同心而引起附加彎矩，是測(cè)定值大幅度下降。這種情況下，與其采用拉伸試驗(yàn)測(cè)定材料的力學(xué)性能，不如采用彎曲試驗(yàn)。彎曲試驗(yàn)測(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)拉伸而言，分散性小數(shù)據(jù)集中，準(zhǔn)確度高。
十一、拉伸試驗(yàn)中的計(jì)算機(jī)控制 利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以大大加強(qiáng)電子拉伸試驗(yàn)機(jī)的的各種功能。通過(guò)各種傳感器、測(cè)量通道與計(jì)算機(jī)連接，使試驗(yàn)機(jī)具有載荷、位移、應(yīng)變等多種控制模式。同一試驗(yàn)機(jī)的不同階段可以采用不同控制模式，可進(jìn)行多種控制模式間的無(wú)沖擊轉(zhuǎn)換，完成多種復(fù)雜試驗(yàn)。還使試驗(yàn)機(jī)具有安全保護(hù)功能(如上、下限位，位移限制、過(guò)載保護(hù)，急停等)、開(kāi)機(jī)自診斷功能、錯(cuò)誤出路功能、自動(dòng)化標(biāo)定和存儲(chǔ)功能。 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，不僅是試驗(yàn)機(jī)能完成拉伸、壓縮、彎曲、剪切、剝離、撕裂和等速度變形，恒試驗(yàn)力、恒變形等速率試驗(yàn)力循環(huán)、等速率變形循環(huán)等試驗(yàn);還能完成各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、處理、輸出等功能。 這樣使拉伸試驗(yàn)機(jī)不僅可以實(shí)現(xiàn)多功能的自動(dòng)控制，環(huán)能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，打印報(bào)告、存儲(chǔ)于檢索試驗(yàn)結(jié)果。圖29 為拉伸試樣機(jī)的計(jì)算機(jī)控制框圖。
圖29 拉伸試驗(yàn)機(jī)的控制框圖
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