张力是一种简单的机械性能测试。在试验标距内,应力均匀,应力、应变和性能指标的测量稳定可靠,便于理论计算。通过拉伸试验,可以测量弹性变形、塑性变形和断裂过程中最基本的力学性能指标,如正弹性模量E和屈服强度σ0.2。屈服点 σ s。抗拉强度 σ b。断裂伸长率 δ 和断面收缩率 ψ 等拉伸试验得到的力学性能指标,如 e σ 0.2、 σ s、 σ b、 δ、ψ 等是材料固有的基本性能和主要依据在工程设计中。

金属塑性变形与抗拉强度的关系

对于大多数金属材料,在弹性变形区域,应力和应变成正比。当应力或应变继续增加时,在某一点,应变将不再与施加的应力成比例。

此时,与相邻初始原子的键开始断裂,并被一组新原子修饰。发生这种情况时,材料在去除应力后不会恢复到原来的状态,即变形是永久的、不可恢复的,然后材料进入塑性变形区(图1)。

什么是金属材料的抗拉强度及其测量方法2
图1 塑性变形示意图

事实上,很难确定材料从弹性区变为塑性区的确切点。如图 2 所示,绘制了一条应变为 0.002 的平行线。应力-应变曲线被这条线截断,屈服应力被确定为屈服强度。屈服强度等于发生显着塑性变形的应力。大多数材料并不统一,也不是完美的理想材料。材料的良率是一个过程,通常伴随着加工硬化,所以不是一个具体的点。

什么是金属材料的抗拉强度及其测量方法3
图2 应力-应变曲线

对于大多数金属材料,应力-应变曲线类似于图 3 所示。加载开始时,应力从零开始增加,应变线性增加。在材料屈服之前,曲线开始偏离线性。

继续增加应力,曲线达到最大值。最大值对应抗拉强度,即曲线的最大应力值,图中用m表示。断裂点是材料最终断裂的点,在图中用 F 表示。

什么是金属材料的抗拉强度及其测量方法 4
图3 工程应力-应变曲线示意图

典型的应力-应变测试装置和测试样品的几何形状如图 4 所示。在拉伸测试过程中,样品被缓慢拉动,并记录长度和施加力的变化。记录力位移曲线。利用试样的原长、标距和截面积可以绘制应力-应变曲线。

什么是金属材料的抗拉强度及其测量方法 5
图4 应力应变测试

图4 应力应变测试

对于能发生拉伸塑性变形的材料,最常用的有两种曲线:工程应力-工程应变曲线和真应力-应变曲线。它们之间的区别在于计算应力所用的面积不同。前者使用样品的初始面积,后者使用拉伸过程中的实时横截面积。因此,在应力-应变曲线上,真实应力一般高于工程应力。

什么是金属材料的抗拉强度及其测量方法 6
图5 典型拉伸曲线示意图

什么是金属材料的抗拉强度及其测量方法 7

图6 各种真实金属材料的真应力真应变曲线

最常见的拉伸曲线有两种:一种是屈服点明显的拉伸曲线;二是拉伸曲线无明显屈服点。屈服点代表金属对初始塑性变形的抵抗力。这是工程技术中最重要的机械性能之一。

什么是金属材料的抗拉强度及其测量方法 8
图 7 典型的应变硬化拉伸曲线

如何测量金属塑性变形的拉伸强度?

残余塑性变形是一个重要依据。一般人为将工程金属在一定的残余塑性变形时所对应的抗力作为屈服强度,也称为条件屈服强度。即没有明显的塑性屈服点,也没有明显的屈服强度。要想知道实际金属的屈服强度,需要一个判断条件,所以就有了条件屈服强度。对于不同的金属成分,条件屈服强度对应的残余变形是不同的。对于一些苛刻的金属构件,其残余变形应该很小,而普通金属构件在条件下屈服时相应的残余变形较大。常用的残余变形有0.01%、0.05%、0.1%、0.2%、0.5%和1.0%。

什么是金属材料的抗拉强度及其测量方法 9
图 8 条件收益率

金属的屈服是位错运动的结果,所以金属的屈服是由位错运动的阻力决定的。对于纯金属,它包括晶格电阻、位错相互作用阻力和位错与其他缺陷或结构的相互作用阻力。

什么是金属材料的抗拉强度及其测量方法 10
图 9 实际金属铝中的位错

拉伸曲线上直线段对应的面积,即弹性部分,就是弹性特性。从开始弹性变形到断裂过程,试样吸收的总能量称为断裂功,金属在断裂前吸收的能量称为断裂韧性。真实金属的力学性能通常在拉伸过程中发生变化,其中最突出的现象是加工硬化。金属的加工硬化有助于避免实际工程部件在过载时突然断裂,造成灾难性后果。

金属塑性变形和变形硬化是保证金属均匀塑性变形的先决条件。也就是说,在多晶金属中,发生塑性变形的地方被强化,然后塑性变形被抑制,这样变形可以更容易地转移到其他地方。

根据实际拉伸曲线,大多数金属在室温下屈服后,在屈服应力的作用下不会继续变形,必须增加阻力才能继续变形。在真实应力-应变曲线上,流变应力不断上升,出现加工硬化现象。这样的曲线称为加工硬化曲线。加工硬化指数n是一个重要的塑性指标,它代表了材料抵抗连续变形的能力。

什么是金属材料的抗拉强度及其测量方法 11
图 10 金属塑性变形中的加工硬化

最后,我们来谈谈应变率。通常,金属材料的拉伸曲线是通过在较低的应变率下测试得到的。只有一些特殊的金属构件需要在高应变率下测试其力学性能,即高速变形的构件。在常温下,材料的变形主要是位错滑移或孪晶。

什么是金属材料的抗拉强度及其测量方法 12
图11 铝合金高速变形曲线

拉伸曲线上的最大工程应力,即工程应变曲线,称为极限拉伸应力,即抗拉强度。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。