引伸計(jì)在金屬拉力試驗(yàn)中的作用

引伸計(jì)在金屬拉力試驗(yàn)中的作用如果需要做σ0.2，就需要引伸計(jì)。一般結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械性能試驗(yàn)不用引伸計(jì)。引伸計(jì)一般用于屈服強(qiáng)度臺階不明顯的材料。不要引伸計(jì)的拉伸曲線，是把標(biāo)距以外的變形等干擾都包含進(jìn)曲線了。試驗(yàn)的可靠性或稱準(zhǔn)確性值得商榷。用引伸計(jì)才是最準(zhǔn)確的。引申計(jì)的量程小，一般用在屈服和屈服之前使用，如在屈服后繼續(xù)使用，會(huì)損壞引申計(jì)，引申計(jì)用來測量彈性模量，如用一般的差動(dòng)編碼器測量，計(jì)算結(jié)果會(huì)和真實(shí)的彈性模量差一個(gè)數(shù)量級，由標(biāo)距造成的，引伸計(jì)在測量中精度高，但是量程小，所以一般試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸壓縮試驗(yàn)都不用引伸計(jì)，除非測量彈性模量和要求很高的精度時(shí)，而一般試驗(yàn)，一般的差動(dòng)編碼器測位移精度足夠,引申計(jì)是用來測量變形部分延伸率的，如果不用引伸計(jì)就不能得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，因?yàn)榇藭r(shí)得到的應(yīng)變把拉伸機(jī)齒輪空轉(zhuǎn)及位移和非測試部分的位移都算上了。但是不用引伸計(jì)還是可以得到抗拉強(qiáng)度的，另外對于有屈服平臺的材料也能得到屈服強(qiáng)度，但是對于沒有屈服平臺就是連續(xù)屈服的材料就沒辦法得到屈服強(qiáng)度了。關(guān)于引伸計(jì)除了通產(chǎn)所見的機(jī)械引伸計(jì)外，目前比較流行的是激光引伸計(jì)，測試時(shí)有激光打在樣品上作為測量位移的標(biāo)定。這樣就能測試機(jī)械引伸計(jì)所無法測的叫做post-uniformelongation的參量，即試樣發(fā)生頸縮后到斷裂前的延伸率。這個(gè)參量在表征帶孔件沖壓時(shí)擴(kuò)孔率時(shí)非常重要。

拉伸試驗(yàn),金屬雖然說每一個(gè)試驗(yàn)機(jī)廠家對金屬拉伸都很熟悉，但是真正完全能夠把標(biāo)準(zhǔn)以及標(biāo)準(zhǔn)后面的理由吃透的廠家并不多，所以現(xiàn)在每一個(gè)試驗(yàn)機(jī)廠家在指導(dǎo)用戶完成金屬拉伸試驗(yàn)的時(shí)候一般是從他們自己設(shè)備的能力出發(fā)，以最簡單的方式來完成試驗(yàn)，比如全部以橫梁位移的速度來完成整個(gè)試驗(yàn)過程。金屬拉伸試驗(yàn)還是有很多細(xì)節(jié)問題非常值得我們重視。

首先是拉伸速度的問題。在彈性變形階段，金屬的變形量很小而拉伸載荷迅速增大。這時(shí)候如果以橫梁位移控制來做拉伸試驗(yàn)，那么速度太快會(huì)導(dǎo)致整個(gè)彈性段很快就被沖過去。以彈性模量為200Gpa的普通鋼材為例，如果標(biāo)距為50mm的材料，在彈性段內(nèi)如以10mm/min的速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，那么實(shí)際的應(yīng)力速率為200000N/mm2S-1×10mm/min×1min/60S×1/50mm=666N/mm2S-1

一般的鋼材屈服強(qiáng)度就小于600Mpa，所以只需要1秒鐘就把試樣拉到了屈服，這個(gè)速度顯然太快。所以在彈性段，一般都選擇采用應(yīng)力速率控制或者負(fù)荷控制。塑性較好的材料試樣過了彈性段以后，載荷增加不大，而變形增加很快，所以為了防止拉伸速度過快，一般采用應(yīng)變控制或者橫梁位移控制。所以在GB228-2002里面建議了，“在彈性范圍和直至上屈服強(qiáng)度，試驗(yàn)機(jī)夾頭的分離速率應(yīng)盡可能保持恒定并在規(guī)定的應(yīng)力速率的范圍內(nèi)(材料彈性模量E/(N/mm2)＜150000，應(yīng)力速率控制范圍為2—20(N/mm2)?s-1、材料彈性模量E/(N/mm2)≥150000，應(yīng)力速率控制范圍為6—60(N/mm2)?s-1。若僅測定下屈服強(qiáng)度，在試樣平行長度的屈服期間應(yīng)變速率應(yīng)在0.00025/s～0.0025/s之間。平行長度內(nèi)的應(yīng)變速率應(yīng)盡可能保持恒定。在塑性范圍和直至規(guī)定強(qiáng)度(規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、規(guī)定總延伸強(qiáng)度和規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度)應(yīng)變速率不應(yīng)超過0.0025/s?！?。這里面有一個(gè)很關(guān)鍵的問題，就是應(yīng)力速度與應(yīng)變速度的切換點(diǎn)的問題。最好是在彈性段結(jié)束的點(diǎn)進(jìn)行應(yīng):力速度到應(yīng)變速度的切換。在切換的過程中要保證沒有沖擊、沒有掉力。這是拉力試驗(yàn)機(jī)的一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)。其次是引伸計(jì)的裝夾、跟蹤與取下來的時(shí)機(jī)。對于鋼材的拉伸的試驗(yàn)，如果要求取最大力下的總伸長(Agt)，那么引伸計(jì)就必須跟蹤到最大力以后再取下。對于薄板等拉斷后沖擊不大的試樣，引伸計(jì)可以直接跟蹤到試樣斷裂；但是對于拉力較大的試樣，最好的辦法是試驗(yàn)機(jī)拉伸到最大力以后開始保持橫梁位置不動(dòng)，等取下引伸計(jì)以后在把試樣拉斷。有的夾具在夾緊試樣的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一個(gè)初始力，一定要把初始力消除以后再夾持引伸計(jì)，這樣引伸計(jì)夾持的標(biāo)距才是試樣在自由狀態(tài)下的原始標(biāo)距。能夠這么做試驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)不多，請您在選購和使用的時(shí)候注意這幾點(diǎn)。任何的材料在受到外力作用時(shí)都會(huì)產(chǎn)生變形。在受力的初始階段，一般來說這種變形與受到的外力基本成線性的比例關(guān)系，這時(shí)若外力消失，材料的變形也將消失，恢復(fù)原狀，這一階段通常稱為彈性階段，物理學(xué)中的虎克定律，就是描述這一特性的基本定律。但當(dāng)外力增大到一定程度后，變形與受到的外力將不再成線性比例關(guān)系，這時(shí)當(dāng)外力消失后，材料的變形將不能完全消失，外型尺寸將不能完全恢復(fù)到原狀，這一階段稱為塑性變形階段。由于材料種類繁多，性能差異很大，彈性階段與塑性階段的過渡情況很復(fù)雜，通過和殘余應(yīng)力等指標(biāo)作為材料彈性階段與塑性階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的指標(biāo)來反應(yīng)材料的過渡過程的性能，其中屈服點(diǎn)與非比例應(yīng)力是最常用的指標(biāo)。雖然屈服點(diǎn)與非比例應(yīng)力同是反應(yīng)材料彈性階段與塑性階段“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”的指標(biāo)，但它們反應(yīng)了不同過渡階段特性的材料的特點(diǎn)，因此它們的定義不同，求取方法不同，所需設(shè)備也不完全相同。因此筆者將分別對這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。本文首先分析屈服點(diǎn)的情況：

一切的產(chǎn)品與設(shè)備都是由各種不同性能的材料構(gòu)成，它們在使用中會(huì)受到各種各樣的外力作用，自然就會(huì)產(chǎn)生各種各樣的變形，，但這種變形必須被限制在彈性范圍之內(nèi)，否則產(chǎn)品的形狀將會(huì)發(fā)生永久變化，影響繼續(xù)使用，設(shè)備的形狀也將發(fā)生變化，輕則造成加工零部件精度等級下降，重則造成零部件報(bào)廢，產(chǎn)生重大的質(zhì)量事故。那么如何確保變形是在彈性范圍內(nèi)呢？從上面的分析已知材料的變形分為彈性變形與塑性變形兩個(gè)階段，只要找出這對已知材料的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)與理論分析，人們總結(jié)出了采用屈服點(diǎn)、非比例應(yīng)力兩個(gè)階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)人員就可確保產(chǎn)品與設(shè)備的可靠運(yùn)行。

從上面的描述，可以看出準(zhǔn)確求取屈服點(diǎn)在材料力學(xué)性能試驗(yàn)中是非常重要的，在許多的時(shí)候，它的重要性甚至大于材料的極限強(qiáng)度值(極限強(qiáng)度是所有材料力學(xué)性能必需求取的指標(biāo)之一)，然而非常準(zhǔn)確的求取它，在許多的時(shí)候又是一件不太容易的事。它受到許多因素的制約，歸納起來有：

＊夾具的影響；

＊試驗(yàn)機(jī)測控環(huán)節(jié)的影響；

＊結(jié)果處理軟件的影響；

＊試驗(yàn)人員理論水平的影響等。

這其中的每一種影響都包含了不同的方面。下面逐一進(jìn)行分析

一、夾具的影響

這類影響在試驗(yàn)中發(fā)生的幾率較高，主要表現(xiàn)為試樣夾持部分打滑或試驗(yàn)機(jī)某些力值傳遞環(huán)節(jié)間存在較大的間隙等因素，它在舊機(jī)器上出現(xiàn)的概率較大。由于機(jī)器在使用一段時(shí)間后，各相對運(yùn)動(dòng)部件間會(huì)產(chǎn)生磨損現(xiàn)象，使得摩擦系數(shù)明顯降低，最直觀的表現(xiàn)為夾塊的鱗狀尖峰被磨平，摩擦力大幅度的減小。當(dāng)試樣受力逐漸增大達(dá)到最大靜摩擦力時(shí)，試樣就會(huì)打滑，從而產(chǎn)生虛假屈服現(xiàn)象。如果以前使用該試驗(yàn)機(jī)所作試驗(yàn)屈服值正常，而現(xiàn)在所作試驗(yàn)屈服值明顯偏低，且在某些較硬或者較脆的材料試驗(yàn)時(shí)現(xiàn)象尤為明顯，則一般應(yīng)首先考慮是這一原因。這時(shí)需及時(shí)進(jìn)行設(shè)備的大修，消除間隙，更換夾塊。

二、試驗(yàn)機(jī)測控環(huán)節(jié)的影響

試驗(yàn)機(jī)測控環(huán)節(jié)是整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的核心，隨著技術(shù)的發(fā)展，目前這一環(huán)節(jié)基本上采用了各種電子電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測控。由于自動(dòng)測控知識的深?yuàn)W，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，原理的不透明，一旦在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中考慮不周，就會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，并且難以分析其原因。針對材料屈服點(diǎn)的求取最主要的有下列幾點(diǎn)：

1、傳感器放大器頻帶太窄

由于目前試驗(yàn)機(jī)上所采用的力值檢測元件基本上為載荷傳感器或壓力傳感器，而這兩類傳感器都為模擬小信號輸出類型，在使用中必須進(jìn)行信號放大。眾所周知，在我們的環(huán)境中，存在著各種各樣的電磁干擾信號，這種干擾信號會(huì)通過許多不同的渠道偶合到測量信號中一起被放大，結(jié)果使得有用信號被干擾信號淹沒。為了從干擾信號中提取出有用信號，針對材由于金屬材料與塑料的性能相差很大，其屈服的定義也有所不同。如金屬材料定義有屈服、上屈服、下屈服的概念。而塑料只定義有屈服的概念。另外，金屬材料的屈服強(qiáng)度一定小于極限強(qiáng)度，而塑料的屈服可能小于極限強(qiáng)度，也可能等于極限強(qiáng)度(兩者在曲線上為同一點(diǎn))。由于對標(biāo)準(zhǔn)的不熟悉，往往在試驗(yàn)結(jié)果的輸出方面產(chǎn)生一些不應(yīng)有的錯(cuò)誤，如將塑料的屈服概念(上屈服)作為金屬材料的屈服概念(一般為下屈服)輸出，或?qū)o屈服的金屬材料的最大強(qiáng)度按塑料的屈服強(qiáng)度定義類推作為金屬材料屈服值輸出，產(chǎn)生金屬材料屈服值與最大值一致的笑話。

2、將非比例應(yīng)力與屈服混為一談

雖然非比例應(yīng)力與屈服都是反應(yīng)材料彈性階段與塑性階段的過渡狀態(tài)的指標(biāo)，但兩者有著本質(zhì)的不同。屈服是材料固有的性能，而非比例應(yīng)力是通過人為規(guī)定的條件計(jì)算的結(jié)果，當(dāng)材料存在屈服點(diǎn)時(shí)是無需求取非比例應(yīng)力的，只有材料沒有明顯的屈服點(diǎn)時(shí)才求取非比例應(yīng)力。部分試驗(yàn)人員對此理解不深，以為屈服點(diǎn)、上屈服、下屈服、非比例應(yīng)力對每一個(gè)試驗(yàn)都存在，而且需全部求取。

3、將具有不連續(xù)屈服的趨勢當(dāng)作具有屈服點(diǎn)

國標(biāo)對屈服的定義指出，當(dāng)變形繼續(xù)發(fā)生，而力保持不變或有波動(dòng)時(shí)叫做屈服。但在某些材料中會(huì)發(fā)生這樣一種現(xiàn)象，雖然變形繼續(xù)發(fā)生，力值也繼續(xù)增大，但力值的增大幅度卻發(fā)生了由大到小再到大的過程。從曲線上看，有點(diǎn)象產(chǎn)生屈服的趨勢，并不符合屈服時(shí)力值恒定的定義。正如在第三類影響中提到的，由于對“力值恒定”的條件沒有定量指標(biāo)規(guī)定，這時(shí)經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生這一現(xiàn)象是否是屈服，屈服值如何求取等問題的爭論。

綜上所述，屈服值在材料力學(xué)性能試驗(yàn)中有著非常重要的作用，但同時(shí)在求取時(shí)又面臨著許多問題，因此無論是國標(biāo)的制定部門，還是試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)廠商、試驗(yàn)機(jī)的使用部門，都應(yīng)從各自的角度出發(fā)，努力解決所存在的問題，才能實(shí)現(xiàn)屈服點(diǎn)的準(zhǔn)確、快速、方便的求取，為材料的安全使用創(chuàng)造良好的條件。微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)使用說明

三、對試驗(yàn)機(jī)和引伸計(jì)的要求

1、試驗(yàn)機(jī)應(yīng)符合GB/T16825-1997規(guī)定的準(zhǔn)確度級,并按照該標(biāo)準(zhǔn)要求檢驗(yàn)。

2、測定各強(qiáng)度性能均應(yīng)采用1級或優(yōu)于1級準(zhǔn)確度的試驗(yàn)機(jī)。

3、引伸計(jì)是測延伸用的儀器。應(yīng)把引伸計(jì)看成是一個(gè)測量系統(tǒng)(包括位移傳感器、記錄器和顯示器)。4、引伸計(jì)應(yīng)符合GB/T12160-2002規(guī)定的準(zhǔn)確度級,并按照該標(biāo)準(zhǔn)要求定期進(jìn)行檢驗(yàn)。

四、原始橫截面積的測量和計(jì)算值

1、測量部位和方法

(1)對于圓形橫截面的試樣,在其標(biāo)距的兩端及中間三處橫截面上相互垂直的兩個(gè)方向測量直徑,取其平均直徑計(jì)算面積,取三處測得的最小值為試樣的原始橫截面積

2、原始橫截面積的計(jì)算值

因?yàn)樵紮M截面積數(shù)值是中間數(shù)據(jù),不是試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù),所以,如果必須要計(jì)算出原始橫截面積的值時(shí),其值至少保留4位有效數(shù)字。計(jì)算時(shí),常數(shù)π應(yīng)至少取4位有效數(shù)字。

五、原始標(biāo)距的標(biāo)記

試樣比例標(biāo)距的計(jì)算值應(yīng)修約到最接近5mm的倍數(shù),中間數(shù)值向較大一方修約，標(biāo)記原始標(biāo)距的準(zhǔn)確度應(yīng)在±1%以內(nèi)。由于標(biāo)記試樣標(biāo)距裝置的檢驗(yàn)尚無相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),因此,建議試驗(yàn)室應(yīng)自行檢查其準(zhǔn)確度?？梢杂眯_點(diǎn)、細(xì)劃線或細(xì)墨線做標(biāo)記,標(biāo)記應(yīng)清晰,試驗(yàn)后能分辨,不影響性能的測定。對于帶頭試樣,原始標(biāo)距應(yīng)在平行長度的居中位置上標(biāo)出。

六、上屈服強(qiáng)度ReH和下屈服強(qiáng)度ReL的測定

(1)圖解方法(包括自動(dòng)方法)

引伸計(jì)標(biāo)距應(yīng)≥1/2Lo。引伸計(jì)和試驗(yàn)機(jī)應(yīng)不劣于1級準(zhǔn)確度。試驗(yàn)速率按13.1和13.2的要求。記錄力-延伸曲線或力-位移曲線,或采集力-延伸(位移)數(shù)據(jù),直至超過屈服階段。按照定義在曲線上判定上屈服力和下屈服力的位置點(diǎn),判定下屈服力時(shí)要排除初始瞬時(shí)效應(yīng)的影響。

上、下屈服力判定的基本原則如下:

①屈服前的第一個(gè)峰值力(第一個(gè)極大力)判為上屈服力,不管其后的峰值力比它大或小。

②屈服階段中如呈現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的谷值力,舍去第一個(gè)谷值力(第一個(gè)極小值力),取其余谷值力中之最小者判為下屈服力。如只呈現(xiàn)一個(gè)下降谷值力,此谷值力判為下屈服力。

③屈服階段中呈現(xiàn)屈服平臺,平臺力判為下屈服力。如呈現(xiàn)多個(gè)而且后者高于前者的屈服平臺,判第一個(gè)平臺力為下屈服力。

④正確的判定結(jié)果應(yīng)是下屈服力必定低于上屈服力。

七、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp的測定

常規(guī)平行線方法：此方法僅適用于具有彈性直線段的材料測定Rp,使用的試驗(yàn)機(jī)和引伸計(jì)均應(yīng)不劣于1級準(zhǔn)確度,引伸計(jì)標(biāo)距≮1/2Lo,試驗(yàn)時(shí)彈性應(yīng)力速率按標(biāo)準(zhǔn)中的表4要求,在進(jìn)入塑性范圍和直至Fp應(yīng)變速率不超過0.0025/s。試驗(yàn)時(shí),記錄力-延伸曲線或采集力-延伸數(shù)據(jù),直至超過Rp對應(yīng)的力Fp。在記錄得到的曲線圖上圖解確定規(guī)定非比例延伸力Fp,進(jìn)而計(jì)算Rp。

八、抗拉強(qiáng)度Rm的測定

1、圖解方法(包括自動(dòng)方法)：圖解方法要求試驗(yàn)機(jī)不劣于1級準(zhǔn)確度,引伸計(jì)為不劣于2級準(zhǔn)確度,引伸計(jì)標(biāo)距不小于試樣標(biāo)距的一半,試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)變速率不超過0.008/s(相當(dāng)于兩夾頭分離速率0.48Lc/min)。

2、試驗(yàn)時(shí),記錄力-延伸曲線或力-位移曲線或采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。在記錄得到的曲線圖上按定義判定最大力。

3、對于連續(xù)屈服類型,試驗(yàn)過程中的最大力判為最大力Fm;

4、對于不連續(xù)屈服類型,過了屈服階段之后的最大力判為最大力Fm,由最大力計(jì)算抗拉強(qiáng)度Rm。

九、斷后伸長率A的測定

(1)人工方法：試驗(yàn)前在試樣平行長度上標(biāo)記出原始標(biāo)距(誤差≤±1%)和標(biāo)距內(nèi)等分格標(biāo)記(一般標(biāo)記10個(gè)等分格)。試驗(yàn)拉斷后,將試樣的斷裂處對接在一起,使其軸線處于同一直線上,通過施加適當(dāng)?shù)膲毫σ允箤訃?yán)密。用分辨力不劣于0.1mm的量具測量斷后標(biāo)距,準(zhǔn)確到±0.25mm以內(nèi)。

1、建議:斷后標(biāo)距的測量應(yīng)讀到所用量具的分辨力,數(shù)據(jù)不進(jìn)行修約,然后計(jì)算斷后伸長率。

2、如果試樣斷在標(biāo)距中間1/3Lo范圍內(nèi),則直接測量兩標(biāo)點(diǎn)間的長度;

3、如果斷在標(biāo)距內(nèi),但超出中間1/3Lo范圍,可以采用移位方法(見標(biāo)準(zhǔn)中附錄F)測定斷后標(biāo)距。

4、如果斷在標(biāo)距外,而且斷后伸長率未達(dá)到規(guī)定最小值,則結(jié)果無效,需用同樣的試樣重新試驗(yàn)。

(2)圖解方法(包括自動(dòng)方法)

用引伸計(jì)系統(tǒng)記錄力-延伸曲線,或采集力-延伸數(shù)據(jù),直至試樣斷裂。讀取或判讀斷裂點(diǎn)的總延伸,扣除彈性延伸部分后得到的非比例延伸作為斷后伸長。扣除的方法是,過斷裂點(diǎn)作平行于曲線的彈性直線段的平行線交于延伸軸,交點(diǎn)即確定了非比例延伸,見標(biāo)準(zhǔn)中的圖1。

1、引伸計(jì)的標(biāo)距應(yīng)等于試樣的原始標(biāo)距,可以不在試樣上標(biāo)出原始標(biāo)距(但建議標(biāo)出)。

2、建議,當(dāng)斷后伸長率<5