金属材料室温拉伸.ppt
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1、金属材料 拉伸试验 第一部分:室温试验方法,蒙世合 2013-08,金属力学性能试验方法,1.金属力学性能试验方法标准概述 在力学、化学、金相、无损检验中,金属力学性能试验方法标准是冶金产品质量检测标准中重要的一部分。 力学性能是指材料在外加载荷与环境因素联合作用下表现的行为,也就是材料抵抗外加载荷引起变形和断裂的能力。,按国际标准化组织对本部分的分类,有如下5部分:,拉伸 屈服 压缩 弯曲 剪切 蠕变,延伸率 断面收缩率 弯曲曲率,模量 弯曲模量,冲击强度 缺口敏感性,磨损阻力 疲劳强度,金属的服役性能与力学性能相关,2.金属力学性能基本概念,3.拉伸试验,在试样两端缓慢地施加载荷,使试样的
2、工作部分受轴向拉力,引起试样沿轴向伸长,直至拉断为止。 金属材料拉伸试验技术包含:室温拉伸、高温拉伸、低温拉伸、液氦拉伸、弹性模量和泊松比(静态法)与薄板和薄带塑性应变比、拉伸应变硬化指数七项标准试验方法。GB/T 228分为以下四个部分:,金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法,国标标准号:GB/T 228.1-2010 内容与国际标准ISO 6892-1:2009基本一致,增加了方法A应变速率控制方法; 修改了试验结果的数值修约方法; 将原始横截面积的最小值改为平均值; 符号变更; 增加了对于上、下屈服强度位置判定的基本原则; 增加了拉伸试验测量不确定度的评定方法; 增加了资料性附录A
3、计算机控制拉伸试验机使用时的建议; 增加了资料性附录F考虑试验机刚度后估算的横梁位移速率方法,GB/T228.1-2010与GB/T228-2002主要区别,符号变化,符号变化,拉伸试验概述 金属拉伸试验准备 试验速率模式 主要技术内容,学习讨论内容,一、拉伸试验概述,1.单向拉伸试验特点 应力状态:单向拉应力,应力状态简单,最常用的力学性能试验方法 拉伸试验反映的信息:弹性变形、塑性变形和断裂(三种基本力学行为),能综合评定力学性能。 通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延伸率、加工硬化和韧性等重要的力学性能指标,它是材料的基本力学性能。 a.在工程应用中,拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之
4、一。 b.提供预测材料的其它力学性能的参量,如抗疲劳、断裂性能。 c.研究新材料,或合理使用现有材料和改善其力学性能时,都要测定材料的拉伸性能。 注意:拉伸试验的应力状态、加载速率、温度、试样等都有严格规定。,2.拉伸试验中的基本概念,1)应力 每单位面积上承受的的力,用千帕(KPa)或兆帕(MPa)表示。 工程构件可能受到的应力类型有:拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲 等,四种形式的应力,所有的应力,不论有多复杂,都可以描述成两个或多个基本应力的组合。,应力 变形方式 应力类型,单向应力,剪切应力,扭转力矩,弯曲力矩,应变是被测试材料尺寸的变化率,它是加载后应力引起的尺寸变化。 由于应变是一个变
5、化率,所以它没有单位。,2)应变,应变的计算,3.基本术语,1、平行长度 Lc 试样两头部或两夹持部分(不带头试样)之间的平行长度。 俗称:可工作段。(名义截面积相等) 2、试样标距 原始标距 L0:试验前,测量试样伸长所标记的长度。 引伸计标距 Le:用引伸计测量试样延伸所使用的试样部分的长度。 断后标距 Lu:试样拉断后,将断口对接在一起时,试样的标距长度 3、断面收缩率 Z 试样拉断后,缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分率。,与应力有关的术语 1、屈服强度 上屈服强度 ReH:试样发生屈服,并且外力首次下降前的最高应力。 下屈服强度 ReL:不记初始瞬时效应时,屈服阶段中的最
6、低应力。 2、规定延伸强度 规定塑性延伸强度 Rp:试样标距部分的塑性延伸率等于规定的引伸计标距百分率 时对应的应力。 规定总延伸强度 Rt:试样标距部分的总延伸等于规定的引伸计标距百分率时的应力。 规定残余延伸强度 Rr:试样卸除应力后,标距部分的残余延伸率等于规定的原始标距或引伸计标距百分率时的应力。 3、抗拉强度 Rm 相应最大力对应的应力。,伸长率延伸率术语 断后伸长率 A:试样拉断后,原始标距部分的残余伸长与原始标距的百分率。 断裂总延伸率 At: 试样在断裂时刻,原始标距的总延伸(弹性延伸加塑性延伸)与引伸计标距之比的百分率。 最大力塑性延伸率 Ag:试样拉至最大力时,原始标距的塑
7、性延伸与引伸计标距之比的百分率。 最大力总延伸率 Agt:试样拉至最大力下时,原始标距的总延伸(弹性延伸加塑性延伸)与引伸计标距之比的百分率。 残余延伸率:试样施加并卸除外力后,引伸计标距的延伸与引伸计标距的百分率。 屈服点延伸率 : 试样自屈服开始到屈服阶段结束之间,引伸计标距的伸长与引伸计标距的百分率。,4、拉伸应力-应变曲线,使用电子万能试验机对材料进行拉伸,由电脑记录下实验过程中的应力与应变,并绘制成曲线。 对于不同的材料,有不同的拉伸曲线。,比例变形阶段(oa); 弹性变形阶段(ob); 微塑性应变阶段(bc); 屈服塑性变形阶段(cd); 应变硬化阶段(de); 局部缩颈变形断裂阶
8、段(ef)。,应力-应变曲线的几种形式,脆性断裂,韧性断裂,二、拉伸试验准备,1.拉伸试验设备,2.拉伸试验试样,3.量具,4.试样的检查、标记,5.试样尺寸的测量,1.拉伸试验设备,1)拉力试验机,分类: 机械式、液压式、电子万能以及电液式 组成: 加载机构、夹样机构、记录或输出机构、测力机构 要求: 达到1级或以上精度 有加载调速装置 有数据记录或显示装置 由计量部门定期进行检定,分级,拉力试验机图例,电子式,液压式,夹持装置,作用:使不同形状、尺寸和材质的试样能顺利进行试验 分类: 手工夹头,气动夹头,液压夹头 楔形夹头,螺纹夹头,台阶夹头,薄板夹头,线材夹头,夹具图例,气动夹具,液压夹
9、具,平板夹具,试验的同轴度,定义:最大弯曲应变与轴向应变的百分比 引起不同轴度因素: 试验机的不同轴 试样夹偏 试样不平直 同轴度对试验的影响: 影响弹性段的线形 影响屈服特性,使明显屈服变成不明显屈服,2)引伸计,国家标准:GB/T 12160-2002 定义:用于测量线变形的仪器。 按照国际标准的意见:“应把引伸计看成是测量位移的装置和指示或记录位移的系统。”即是一种测量系统而不是简单的器具。 组成: 变形部分(与试样表面接触,感受试样的微量变形); 传递和放大部分(将接受到的变形放大); 指示部分(记录或显示变形量)。 分类: 机械式 电子式(如电阻式、电感式、电容式) 光学式 按照测量
10、方式可以是接触式或非接触式(引伸计的研发方向)。,引伸计图例,光学式,电阻式,引伸计分级,引伸计选用,2.拉伸试验试样,1)分类,按产品形状分类,比例试样:拉伸试样的原始标距与原始横截面积的平方根的比值k为常数,这样的拉伸试样称为比例试样。 k=5.65的试样称为短比例试样,其断后伸长率为A; k=11.3的试样称为长比例试样,其断后伸长率为A11.3; 试验时,一般优先选用短比例试样,但要保证原始标距不小于15mm,否则,建议选用长比例试样或其他类型试样。 非比例试样:它的标距与试样截面不存在比例关系,称为非比例试样。 对于截面较小的薄带试样以及某些异型截面试样,可以采用非比例试样(定标距试
11、样):L0为50mm、80mm、100mm、200mm,按L0与S0的关系分类,2)拉伸试样的一般形状,3.量具,量具或尺寸测量仪器准确度的选择,应满足原始横截面积测定准确度的要求。量具或尺寸测量仪器的分辨力是影响测定准确度的主要因素之一。,注意:量具和尺寸测量装置应经检验合格方能使用。,4.试样的检查、标记,试验前应先检查试样外观是否符合要求。经加工的试样如发现表面有明显的横向刀痕,或有扭曲变形或淬火裂缝的,应重新取样加工成合格试样。 试样原始标距一般采用细划线或墨线进行标定,所采用的方法不能影响试样过早断裂。 对于特薄或脆性材料,可在试样平行段内涂上快干着色涂料,再轻轻划上标线,可避免试样
12、在刻线上断裂而影响试验结果。 当平行长度远长于原始标距时,可标记相互重叠的几组标距。,5.试样尺寸的测量,测量计算试样的原始横截面积。 圆形截面试样: 在标距两端及中间三处横截面上相互垂直两个方向测量直径,以各处两个方向测量的直径的算术平均值计算横截面积; 取三处测得横截面积的平均值作为试样原始横截面积。 矩形截面试样: 在标距两端及中间三处横截面上测量宽度和厚度,取三处测得横截面积的平均值作为试样原始横截面积。,三、试验速率模式,我国历次拉伸试验标准有关试验速率的理论规定都是以应变速率为标准,但在实际操作中又都是以等效的应力速率为标准;而在新标准中GB/T228.1-2010中,则从理论规定
13、到实际操作均实现了以应变速率为标准的方法。 2010版室温拉伸试验方法试验速率模式 应变速率控制:试验中变形信号与控制信号构成闭环回路来控制马达的工作。 横梁位移控制:试验中马达的角度传感器的信号与控制信号构成闭环回路来控制马达的工作。 应力速率控制:试验中力值传感器的信号与控制信号构成闭环回路来控制马达的工作。,引言 两种试验速率的控制方法。第一种方法A为应变速率(包括横梁位移速率),第二种方法B为应力速率。方法A旨在减小测量应变速率敏感参数时试验速率的变化和减小试验结果的测量不确定度。,方法A阐述了两种不同类型的应变速率控制模式: 第一种应变速率 是基于引伸计的反馈而得到的。 第二种 是根
14、据平行长度估计的应变速率,即通过控制平行长度与需要的应变速率相乘得到的横梁位移速率来实现。,消除试验机刚度对ReH、ReL、RP0.2不确定度的影响; 可确保试样标距在试验中实现恒应变速率加载,消除材料塑性抗力指标不确定度的影响; 减小测定应变速率敏感参数(性能)时的试验速率变化和试验结果的测量不确定度。 是ReH、ReL、RP0.2比对试验统一规范的依据。,应变速率控制的试验速率(方法A)优势:,拉伸试验中测定ReH 、ReL、Rp、Rt和Rm时应选用的应变速率范围,新旧标准对试验速率的规定,所谓拉伸力学性能实质为拉伸应力-应变曲线各变形阶段的特征点对应的特征应力和应变值。,四、拉伸试验主要
15、技术内容,本标准定义了12种可测拉伸性能,这些性能是:,强度性能: 上屈服强度(ReH) 下屈服强度(ReL) 规定塑性延伸强度(RP) 规定总延伸强度(Rt) 规定残余延伸强度(Rr) 抗拉强度(Rm),塑性性能: 屈服点延伸率(Ae) 最大力总延伸率(Agt) 最大力塑性延伸率(Ag) 断裂总延伸率(At) 断后伸长率(A) 断面收缩率(Z),拉伸应力-应变曲线分析,使用电子万能试验机对材料进行拉伸,由电脑记录下实验过程中的应力与应变,并绘制成曲线。 对于不同的材料,有不同的拉伸曲线。下面举个例子:,屈服强度:yield strength,当金属材料呈现屈服现象时,在试验期间达到塑性变形发
16、生而力不增加的应力点,应区分上屈服强度和下屈服强度。,上屈服强度(ReH):upper yield strength,试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。,下屈服强度(ReL):lower yield strength,相应最大力(Fm)的应力。,抗拉强度(Rm):tensile strength,在屈服期间,不计初始瞬时效应时的最低应力。,根据应力-应变曲线不同阶段的变形特征,整个拉伸过程依次分为: 弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段、断裂。,名词解释,金属材料在所有的载荷从试样上撤除后,在不出现永久拉伸量时所能承受的最大应力。在弹性极限范围内,任何应变都很小并且都可以恢复。,在应力-
17、应变曲线中直线部分(即应力-应变成比例情况下),材料所能承受的最大应力。在实际应用中,弹性极限和比例极限由同一个应力产生。,比例极限,弹性极限,比例极限和弹性极限的概念不同,但两者数值非常接近,工程中不作严格区分。,弹性阶段:当外力解除后变形能够全部消除、恢复原状,为弹性变形。,屈服阶段:开始产生塑性变形,即当外力解除后,变形不能完全恢复,而残留下一部分变形。,强化阶段:经过屈服阶段后,材料又恢复了抵抗变形的能力,要使它继续变形必须增加拉力。,颈缩阶段:在试件某一薄弱的横截面处发生急剧的局部收缩,横截面面积迅速减小,塑性变形迅速增加。,颈缩,a)试样 b)拉伸 c)颈缩 d)断裂,从以上典型的
18、拉伸曲线上,可以测定金属材料如下性能: 1 上屈服强度:试样发生屈服而力首次下降前的最高应力 2 下屈服强度:屈服期间的最低应力,要注意这里要排除初始瞬时效应最低应力点所对应的应力。 3 抗拉强度:在最大力点所对应的应力。 4 屈服点延伸率:对于呈现明显屈服现象的材料,从屈服开始至均匀硬化开始之间的延伸率。要注意起点和终点的判定。 5 最大力总延伸率:f点处作一垂线,横座标原点与交点长度对应的伸长率(包括在此条件下的弹性伸长和塑性伸长率)。 6 最大力塑性延伸率:f点处作一平行于弹性段的直线,横座标原点与交点对应的伸长率。 7 断裂总延伸率:断裂时刻的试样总伸长率(包括弹性伸长和塑性伸长率)。
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