第一章 靜載拉伸試驗

第一章靜載拉伸試驗

1.1應力-應變曲線

1.2拉伸性能指標

1.3塑性指標及其意義

一方面，由靜載拉伸試驗測定的力學性能指標，可以作為工程設計、評定材料和優(yōu)選工藝的依據(jù)，具有重要的工程實際意義；

另一方面，靜載拉伸試驗可以揭示材料基本力學行為規(guī)律，也是研究材料力學性能的基本試驗方法。本章主要內(nèi)容：

介紹由靜載拉伸試驗得到的應力-應變曲線和材料的基本力學性能指標。靜載拉伸試驗：是最基本的、應用最廣的材料

力學性能試驗。

1.1

應力-應變曲線靜載拉伸試驗

試樣：光滑圓柱試樣。試樣工作長度（標長）Lo=10do,do為原始直徑。

力學載荷：單向靜拉伸,其特點是試驗機加載軸線與試樣軸線重合，載荷緩慢施加，應變與應力同步，試驗應變速率≤10-1/s。熱負荷：室溫。環(huán)境介質(zhì):大氣環(huán)境下。

其中，P為載荷，△L為試樣伸長量，△L=L-L0,L0為試樣原始標長，L為與P相對應的標長部分的長度，A0為原始截面積。在拉伸過程中，試樣長度增加，截面積減小，但在上述計算中，假設試樣截面積和長度保持不變，因此稱σ為條件應力或工程應力，δ為條件應變或工程應變。材料應力-應變曲線的應力和應變，一般用條件應力σ和條件應變δ表示：σ=P/A0δ=Δl/l01.1.1脆性材料應力-應變曲線其行為特點是應變與應力單值對應，成直線比例關系，只發(fā)生彈性變形，不發(fā)生塑性變形，在最高載荷點處斷裂，形成平斷口，斷口平面與拉力軸線垂直（斷口平齊而光亮）。σδOα╳在上圖中：應力-應變曲線與橫軸夾角的大小表示材料對彈性變形的抗力，用彈性模量E表示：

E=tanα

玻璃、陶瓷、巖石、淬火態(tài)高碳鋼、普通灰鑄鐵、橫向交聯(lián)很好的聚合物（聚合物的結(jié)構有線型、支鏈型、體型、前兩者為熱塑性材料，后者為熱固型材料、塑性很差）等均具有此類應力-應變曲線。1．1．2塑性材料應力-應變曲線下圖為工程塑性材料應力-應變曲線的幾種形式：圖b是具有明顯屈服點材料的應力-應變曲線，與a圖相比不同之處在于出現(xiàn)了明顯的屈服點aa’,這種屈服點在應力-應變曲線上有時呈屈服平臺，有時呈齒狀，相應的應變量在1%~3%范圍。退火低碳鋼和某些有色金屬具有此類應力-應變曲線。屈服現(xiàn)象：金屬材料在拉伸試驗時產(chǎn)生的屈服現(xiàn)象是開始產(chǎn)生宏觀塑性變形的一種標志。此類材料從彈性變形階段向塑性變形階段過渡是明顯的，表現(xiàn)在載荷增加到一定數(shù)值時突然下降，隨后，在載荷不增加或在某一不變載荷附近波動的情況下，試樣繼續(xù)伸長變形，這便是屈服現(xiàn)象。圖a為最常見的金屬材料應力-應變曲線，其過程可分為：

（Oa段）（m點開始）（b點開始）（在k點）斷裂彈性變形的特點：

變形是可逆的；不論是加載或卸載期內(nèi)，應力與應變之間都保持單值線性關系；變形量比較小，一般不超過0.5~1%。彈性變形的實質(zhì)：原子間作用力和原子間距的關系，即外力克服原子間作用力使原子間距發(fā)生變化的結(jié)果。彈變塑變頸縮屈服現(xiàn)象產(chǎn)生與下述三個因素有關：隨塑性變形發(fā)生，位錯能快速增值；位錯運動速率與外加應力有強烈依存關系。材料在變形前可動位錯密度很?。ɑ螂m有大量位錯但被定扎住，如鋼中的位錯為雜質(zhì)原子或第二相質(zhì)點所釘扎）；1.2拉伸性能指標

材料拉伸性能指標，又稱力學性能指標，用應力-應變曲線上反映變形過程性質(zhì)發(fā)生變化的臨界值表示。力學性能指標可分為二類：反映材料對塑性變形和斷裂的抗力的指標，稱為材料的強度指標；反映材料塑性變形能力的指標，稱為材料的塑性指標。1.2.1屈服強度原則上，材料的屈服強度應理解為開始塑性變形時的應力值。

但實際上，對于連續(xù)屈服的材料，這很難作為判定材料屈服的準則，因為工程中的多晶體材料，其各晶粒的位向不同，不可能同時開始塑性變形，當只有少數(shù)晶粒發(fā)生塑性變形時，應力-應變曲線上難以“覺察”出來。只有當較多晶粒發(fā)生塑性變形時，才能造成宏觀塑性變形的效果。因此，顯示開始塑性變形時應力水平的高低，與測試儀器的靈敏度有關。工程上采用規(guī)定一定的殘留變形量的方法，確定屈服強度。工程上常用的屈服標準有三種：（1）比例極限

應力-應變曲線上符合線性關系的最高應力值，國際上常用σP表示，超過σP時,即認為材料開始屈服。（2）彈性極限

試樣加載后再卸載，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標準，材料能夠完全彈性恢復的最高應力值，用σ

e1表示，應力超過σ

e1時即認為材料開始屈服。（3）屈服強度

以規(guī)定發(fā)生一定的殘留變形為標準，如通常以0.2%殘留變形的應力作為屈服強度，用σ

0.2或σ

ys表示。上述定義都是以殘留變形為依據(jù)的，彼此區(qū)別在于規(guī)定的殘留變形量不同。所以國家標準現(xiàn)以測量方法的不同，將屈服強度規(guī)范為三種情況：（1）規(guī)定非比例伸長應力（σp)

試樣在加載過程中，標距長度內(nèi)的非比例伸長量達到規(guī)定值（以%表示）的應力，例如σ

p0.01,σ

p0.05等。（2）

規(guī)定殘留伸長應力（σ

r）

試樣卸載后，其標距部分的殘余伸長達到規(guī)定比例時的應力，常用的為σr0.2。即規(guī)定殘余伸長率為0.2%時的應力值。

（3）規(guī)定總伸長應力（σt)

試樣標距部分的總伸長（彈性伸長加塑性伸長）達到規(guī)定比例時的應力。應用較多的規(guī)定總伸長率為0.5%、0.6%和0.7%，相應地，規(guī)定總伸長應力分別記為σt0.5,σt0.6,σto.7

。對于不連續(xù)屈服即具有明顯屈服點的材料，其應力-應變曲線上的屈服平臺就是材料屈服變形的標志，因此，屈服平臺對應的應力值就是這類材料的屈服強度，記作σys,按下式計算：

σys=Py/A0

式中，Py為物理屈服時的載荷或下屈服點對應的載荷。1.2.2抗拉強度定義：抗拉強度或極限拉伸強度（UTS）等于最大拉伸載荷除以試樣原始截面積。即式中Pb——拉伸試樣斷裂前所承受的最大載荷；

Fo

——試樣原始截面積。根據(jù)拉伸試驗求得的σb只代表金屬材料所能承受的最大拉伸應力。真實強度極限Sb應按下式計算。即式中Fb——最大載荷Pb時所對應的試樣截面積。抗拉強度的實際意義：

但這種承載能力也僅限于光滑試樣單向拉伸的受載條件。如果材料承受更復雜的應力狀態(tài)，則σb并不代表材料的實際有用強度。正由于σb代表在靜拉伸條件下實際工件的最大承載能力，

所以是工程上金屬材料的重要力學性能指標之一。加之σb易于測定、重現(xiàn)性好，所以廣泛用作產(chǎn)品規(guī)格說明質(zhì)量控制指標。標志塑性金屬材料的實際承載能力。1、對于變形不高的機件，無需靠σs來控制產(chǎn)品的變形量；還有一種在使用中對重限制很嚴而服役時間又不長的構件，為了減輕自重，有時也按σb來進行設計如火箭上的某些構件就是這樣。在有些場合，使用σb

作為設計依據(jù)。2、σb與布氏硬度HB、疲勞強度σ-1等之間有一定經(jīng)驗關系。3、

σb對脆性金屬材料而言，因為一達到最大載荷材料便迅速斷裂了，所以也就是材料的斷裂抗力。

對于塑性金屬來說，當拉伸形成頸縮時載荷最大，此后隨變形繼續(xù)進行，載荷又不斷下降。所以，塑性材料形成頸縮時相當于從均勻塑變向集中塑變過渡的臨界時刻。此時，σb并不反映斷裂抗力的變化，而是代表金屬材料的最大均勻塑變抗力。

σb和材料的疲勞極限σ-1的關系：對于淬火回火鋼來說σ-1=1/2σb；

和材料的硬度的關系：

σb=0.345HB。因此，抗拉強度被列為材料常規(guī)力學性能的五大指標（σs，σb，δ，ф，αK）之一。

1.2.3實際斷裂強度定義：拉伸斷裂時的載荷PK除以段口處的真實截面積AK所得的應力值稱為實際斷裂強度SK。注意,在這里采用的是試樣斷裂時的真實截面積，SK是真實應力，其意義是表征材料對斷裂的抗力，因此，有時也稱為斷裂真應力。1.3塑性指標及其意義塑性是指金屬斷裂前發(fā)生塑性變形的能力，可以用金屬斷裂時的最大相對塑性變形來表示，如拉伸時的伸長率（延伸率)

δ(δK)和斷面收縮率ф，它們是工程上廣泛使用的表征金屬塑性好壞的兩個力學性能指標。1)．伸長率（延伸率）伸長率δK是試樣拉斷后標距長度的相對伸長值，等于標距的絕對伸長ΔlK=lK-l0除以試樣原始標距長度l0，用百分數(shù)表示:式中

l0——試樣原始標距長度（mm）;

lK——試樣斷裂后的標距長度（mm）;

ΔlK——試樣斷裂后的絕對伸長（mm）。2)．斷面收縮率

斷面收縮率ф是拉伸斷裂后試樣標距部分截面的相對收縮值，等于截面絕對收縮ΔFK=F0-FK除以試樣原始截面積F0，也用百分數(shù)表示式中F0——試樣原始截面積(mm2);FK——試樣斷裂后的最小截面積（mm2）；

ΔFK——試樣斷裂后的絕對收縮（mm2）。我們在討論金屬材料拉伸條件應力應變圖時曾指出：當試樣被拉伸到B點之前，試樣沿標距長度上的塑性變形是均勻的，而產(chǎn)生頸縮后，塑性變形主要集中在頸縮附近，因而試樣斷裂時的塑性變形應由均勻變形和集中變形兩部分構成。

相應地,上述δK、фK應是表征金屬材料總塑性的兩個力學性能指標，其中包括均勻塑性與集中塑形兩部分，并且當材料產(chǎn)生緊縮時，后者遠大于前者。3).塑性指標間的關系根據(jù)均勻塑性變形前后金屬體積近似不變的假定：于是可以推導出均勻塑變階段條件相對伸長與條件相對斷面收縮之間的關系：或在拉伸曲線上最大點B處，上式也成立，但δ與ф分別有下腳標，即δB與ф

B。由此可見，在均勻塑性變形階段，

δ恒大于ф

。這表明，若某一材料的δK大于ф

K，則該材料不產(chǎn)生頸縮，只有均勻塑變階段。上面的討論，塑性指標都采用條件應變。在拉伸過程中每一時刻的真應變dε為:試樣從l0拉伸至l時，完成的真應變?yōu)椋河谑钦鎽兣c條件應變的關系為：4）.塑性的意義和影響因素意義1.金屬材料的塑性指標是安全力學性能指標。因為塑性變形有緩和應力集中、削減應力峰的作用。2.塑性對金屬壓力加工是很有意義的。因為金屬有了塑性才能通過軋制、擠壓等冷變形工序生產(chǎn)出合格產(chǎn)品來。3.為使機器裝配、修復工序順利完成，也需要材料有一定的塑性。4.塑性大小還能反映材料