拉伸试验的目的和原理

拉伸试验的目的和原理

拉伸试验是材料力学性能试验中最常见、最重要的试验方法之一。

拉伸试验是在三个外界条件：温度、加载速度、应力状态都恒定的条件下进行的。温度条件指常温、低温、和高温。加载速度是在静载荷下进行的,应变速率一般为~s 。应力状态为单向沿轴拉伸，即简单应力状态。它具有简单易行、试样便于制备等特点。通过拉伸试验可以得到材料的基本力学性能指标，如弹性模量、屈服强度、规定非比例延伸强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率、应变硬化指数和塑性应变比等。缺口拉伸试验可以衡量材料的脆性破坏倾向。高温拉伸试验可以了解材料在高温下的失效情况；而低温拉伸试验则不但可以测定材料在低温下的强度和塑性指标，而且还可以用于评定材料在低温下的脆性。

拉伸试验所得到的材料强度和塑性性能数据，对于设计和选材、新材料的研制、材料的采购和验收、产品的质量控制、设备的安全和评估，都有很重要的应用价值和参考价值，有些则直接以拉伸试验的结果为依据。例如：进行强度计算时，材料所受的应力应小于屈服强度，否则会因塑性变形而导致破坏。材料的强度越高，能承受的外力就越大，所用的材料也越少。又如：断后伸长率和断面收缩率大的材料，轧制和锻造的可塑性也越大，反之，可塑必就越小。此外，拉伸试验指标还和其他的力学性能指标建立了经验关系。如：热轧软钢的抗拉强度与布氏硬度之间有Rm =1/3HB 等。

我国2002年颁布了国家标准GB/T228——2002《金属材料室温拉伸试验方法》。按照金属力学性能试验方法标准体系逐步与国际接轨的方针，该标准等效采用了ISO6892：1998《金属材料室温拉伸试验》。将原GB/T228——1987《金属拉抻试验方法》、GB/T6397——1986《金属拉伸试验试样》和GB/T3076——1982《金属薄板（带）拉伸试验方法》合并，不但技术内容、要求和规定采用国际标准，而且相关术语、性能名称、符号也采用国际标准。

拉伸试验原理

物体因外力作用产生变形,其内部各部分之间因相对位置的变化而引起的相互作用称为内力.众所周知,即使不受外力,物体各质点间也存在相互作用力.我们所称的内力,是在外力作用下,上述各作用力的变化量,随着该变化量的逐渐加大,物体内部发生一系列的物理变化,当到达某一极限时,物体就会被破坏,该极限与物体的强度有直接关系.

将物体简化为杆件.杆件受到外力F 作用,在其任意横截面上均产生内力F.一般,截面上的内力并不是均匀分布的,因此,用单位横截面上的内力,即应力来表示材料抗破坏与变形的能力.由于横截面积S o 随着构件不断被拉伸而逐渐减小,

故而一般用初始截面积S O 来计算应力σ,该σ称为工程应力:

σ＝O

F

S

在材料性能测试中，除了要测出应力，经常还要了解材料经拉伸后的变形程

度。设杆件的初始长度为o l ,则工程应变ε为：

ε=1o o

l lo l l l -=

ε和σ是拉伸试验中两个最基本的参数，它们相互之间有一定的联系。

对于不同材料的试样，由于其化学成分及组织的不同，在拉伸过程中会体现

出不同的物理现象及力学性质，

但从外表看来，一般分为以下几个基本过程。以金属试样为例，将试样装夹在材料试验机上，按照有关标准规定选择合适的速率，均匀地对试样施加作用力F ，可以观察试样由开始到破坏（一般是断裂）的几个阶段。

试样初始受力，宏观上逐渐被均匀拉长，然后在某一点横截面渐渐变细（缩颈），直至在该处断裂。塑性较好的材料一般有明显的缩颈现象。但也有例外，如奥氏体钢、铝青铜等塑性金属材料不发生缩颈，这类材料通常有圈套的加工硬化能力。而对于较脆弱的材料，一般由伸长到最终断裂前，通常无明显缩颈现象发生。

拉伸过程中，材料试验机上的自动记录装置也可自动绘出拉伸曲线图，该图以力F/N 作为纵坐标，试样的伸长量l ?/mm 为横坐标，即F-l ?曲线，习惯上称为拉伸图。现在以20低碳钢为例，具体说明拉伸过程中的几个阶段。

第一阶段为弹性阶段（ob 段）。试样变形为弹性变形，一旦取消外力，试样完全恢复原状，不会产生残余伸长，b 点对应的外力F 。为试样产生弹性变形的极限外力，超过b 点，便会产生塑性变形。在该阶段的一定范围内（oa 段），试样伸长与载荷之间符合虎克定律，即成正比关系，称为比例变形阶段，a 点对应的外力F p 分为产生比例变形的极限外力，一旦超过此外力，变形与外力之间比

例关系也即破坏。ab 段为弹性变形的非比例阶段，时间很短，要靠很精密的仪器才能测量得出。

伸

试

样

横

截

面

为S

o ，

第二阶段为屈服阶段（cd 段），即试样屈服于外力产生较大塑性变形阶段。此时试样伸长急剧增加，但载荷却在很小的范围内波动，若忽略这一微小的波动，F-l ?曲线上该段可见一水平线段，该段对应的外力Fs 以表示，这是由弹性变形阶段到塑性变形阶段的分界点。

第三阶段为强化阶段（de ）（均匀塑性变形阶段）。试样屈服变形阶段结束后，要使之继续变形，就要继续施加外力，克服试样内部不断增加的抗变形力。因为材料本身在塑性变形中会产生强化，也称为加工硬化。该阶段的塑性变形比弹性变形大得多，所以曲线上可见l ?有很大增加。由d 点开始，屈服结束，试样某部位产生塑性变形，截面变小，但加工硬化使该部位抗变形力增加，这样，下一步变形就转移到试样的其它部位。由此，在de 段试样各部位产生较均匀的塑性变形之间近似遵循直线关系，且此直径gh 与弹性现阶段内直线oa 近似平行。由此可见，试样的变形包括了弹性变形l ?e 和塑性变形l ?p 。如卸载时的载荷，此 原始 标距L 0

5mm

拉伸前试样 装有引伸计试样 颈缩现象 断裂后对接

试样拉伸过程的物理现象

引伸计

后原则上遵循着原来的拉伸曲线。

第四阶段为局部塑性变形阶段（ef段）。在前一阶段，试样的变形量越来越大，其强化能力也逐渐减小，到了e点，由于其强化能力跟不上变形，终于在某个最薄弱处产生局部塑性变形，这时，该处横截面积显著收缩，载荷读数迅速下降，出现前述的“缩颈”现象。此时虽然力F不断下降，但缩颈部位仍不断被拉长，直至断裂。出现局部塑性变形的开始点（e点）所对应的力Fb为试样在拉伸过程中所能随的最大外力。

对于不同的材料，其拉伸时所表现出的物理现象和力学性质不尽相同，因面有着不同的σ—ε曲线。下面列举几种常见的σ—ε曲线。

图a是一般低碳钢的σ—ε曲线。有锯齿状的屈服阶段，分上下屈服点，产生缩颈现象后，试样断裂。

图b是中碳钢的σ—ε曲线。有屈服阶段，但波动微小，几乎成一直线，产生缩颈现象后，试样断裂。

图c是淬火后低、中温回火钢的σ—ε，无可见屈服阶段，试样产生缩颈变形后断裂。

图d是铸铁、淬火钢等较脆材料的σ—ε曲线。不仅无屈服阶段，且在产生少量均匀塑性变形后就突然断裂。