機械性能試驗:靜拉伸試驗的特點與意義及詳細(xì)介紹
一、靜拉伸試驗的特點與意義
靜拉伸是一種簡單的力學(xué)性能試驗，在測試標(biāo)距內(nèi)，受力均勻，應(yīng)力應(yīng)變及其性能指標(biāo)測量穩(wěn)定、可靠、理論計算方便。通過靜拉伸試驗，可以測定材料彈性變形、塑性變形、和斷裂過程中最基本的力學(xué)性能指標(biāo)，如正彈性模量E、屈服強度σ0.2、屈服點σs、抗拉強度σb、斷后延長率δ及斷面收縮率ψ等。靜拉伸試驗中獲得的力學(xué)性能指標(biāo)，如E、σ0.2、σs、σb、δ、ψ等，是材料固有的基本屬性和工程設(shè)計中的主要依據(jù)。
二、靜拉伸試樣
靜拉伸試樣分為比例試樣和非比例試樣兩種。圓截面比例試樣是按公式
計算而得到試樣尺寸的。式中的l0為標(biāo)距長度；S0為試樣原始面積；系數(shù)K通常為5.65或11.3，前者稱為短試樣，后者稱為長試樣。據(jù)此，長、短圓試樣的標(biāo)距長度l0分別為 10d0和5d0 （d0為圓試樣直徑）。除圓截面試樣外還有板狀試樣，常用的試樣有六種形式，如圖1所示。灰鑄鐵和球墨鑄鐵的靜拉伸試樣如圖2所示，尺寸見表1和表2 。
▲圖1 圓形及板狀拉伸試樣形狀
▼表1 灰鑄鐵拉伸試樣尺寸（mm）
▼表2 球磨鐵拉伸試樣尺寸（mm）
三、拉伸試驗機
拉伸試驗機一般由機身、加載機構(gòu)、測力機構(gòu)、載荷-伸長記錄裝置和夾持機構(gòu)五部分組成。其中加載機構(gòu)和測力機構(gòu)是試驗機的關(guān)鍵部位，這兩部分的靈敏度及精度高低，能正確反映試驗機質(zhì)量的優(yōu)劣。常用的拉伸試驗機的加載機構(gòu)一般分為機械式（圖3）和液壓式（圖4）兩種。
▲圖3 機械式加載
▲圖4 液壓式加載
測力機構(gòu)一般有杠桿式測力（圖5）、擺錘式測力（圖6）或者兩者的結(jié)合。比較先進(jìn)的拉伸試驗機大多采用電阻應(yīng)變載荷傳感器測力（圖7）。
▲圖5 杠桿式測力
▲圖6 擺錘式測力
▲圖7 電阻應(yīng)變片載荷傳感器測力
拉伸試驗機常用的引伸儀有杠桿式（圖8）、百分表式、光學(xué)（馬丁）式（圖9）和電子式（差動變壓器或電阻應(yīng)變片式，圖10）等。
▲圖8 杠桿式引伸儀
▲圖9 光學(xué)（馬丁）式引伸儀
▲圖10 電子式（差動變壓器）引伸儀
比較先進(jìn)的還有電子拉伸試驗機和自動試驗機。電子拉伸試驗機采用電子技術(shù)，對載荷和變形進(jìn)行精確測控和自動記錄，大多數(shù)采用帶有電阻應(yīng)變載荷傳感器的測力裝置和差動變壓器引伸儀或以自整角機同步伺服方式測量變形。這種實驗機載荷范圍都很款，由于載荷系統(tǒng)跟蹤速度很高，能夠消除一般錘擺式測力計因慣性較大而引起的測量誤差。自動試驗機是將電子計算機用于電子拉伸試驗機上而成的。可以自動測量試樣直徑、安裝試樣，同時自動測定數(shù)據(jù)并將結(jié)果打印出來，全部實驗過程自動完成。
全自動拉伸試驗機
在液壓試驗機上，采用靈敏度和精度都很高的電液伺服控制系統(tǒng)，可以精確控制載荷和變形，試樣性能的非線性變化也能自動補償。這種試驗機可以保證在選定的載荷狀態(tài)下或按一定的載荷變形程序進(jìn)行實驗。
試驗機上夾頭的對中偏差不應(yīng)超過±0.5mm，以免產(chǎn)生附加彎曲而影響實驗結(jié)果。為了在試樣拉伸過程中自動調(diào)節(jié)上、下夾頭的同心度，一般試驗都帶有球面支座夾頭，使用時，在球面接觸處需涂以潤滑脂，以保證靈活自如。
四、應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其力學(xué)性能指標(biāo)
典型的的靜拉伸試樣采用標(biāo)長為l0，截面積A0為光滑圓柱試棒進(jìn)行軸向拉伸試驗，低碳鋼的負(fù)荷 F 與變形 Δl 曲線如圖11所示，由圖11可得應(yīng)力（σ=F/S0）和應(yīng)變（δ=Δl/l0），σ-δ曲線圖，見圖12。
▲圖11 低碳鋼載荷-變形曲線
▲圖12 低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線
具有鐵素體組織或回火索氏體組織的各種結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有類似于上述曲線的形狀。除此之外還有圖13所示的幾種類型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
▲圖13幾種類型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
硬化程度較高的鋼，變形時沒有物理屈服行為，如圖13a曲線所示。經(jīng)過冷變形的低、中溫回火的結(jié)構(gòu)鋼、高溫回火或退火的高碳鋼大都屬于種類型。
受到強烈硬化的材料（如經(jīng)過大變形量冷拔過的鋼絲），出現(xiàn)圖13b所示的曲線。
對于典型的脆性材料（如淬火的高碳鋼等）出現(xiàn)圖13c所示的曲線，即在拉伸過程中不出現(xiàn)明顯的塑性變形，彈性變形后立即斷裂。
對于形變強化能力很強的鋼（如高猛耐磨鋼等），會出現(xiàn)圖13d所示的曲線，斷裂前不形成縮頸。
在圖12 所示的典型的靜拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，不同的力學(xué)性能指標(biāo)，分別用不同的符號在圖中標(biāo)注了出來。下面分別加以討論。
拉伸試驗后的試樣形貌
4.1 彈性模量
彈性模量標(biāo)記為E。圖中Oc與橫軸的夾角為α，則：E=tanα=σ/δ。
E代表材料產(chǎn)生單位彈性變形所需應(yīng)力的大小，它代表了材料剛度的大小。彈性模量 E 反映了材料原子間結(jié)合能力（或叫鍵合力），因此，一般合金化、熱處理、冷熱加工等強化手段對 E 的影響不大。所以它是一個對成分、組織、狀態(tài)不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。
對于空間飛行器用材料，不僅需要考慮剛度，還要考慮密度，通常使用比彈性模量，即：
比彈性模量=彈性模量/密度
幾種常用結(jié)構(gòu)材料的比彈性模量列于表3。由表3 可以看出，大多數(shù)金屬材料的比彈性模量值相差不大，只有鈹特別大。一些陶瓷材料的比彈性模量也很大，這是近年來陶瓷在空間技術(shù)上廣泛應(yīng)用的原因之一。
▼表3 幾種常用材料的比彈性模量
彈性模量的測定可通過精確和放大的應(yīng)力-應(yīng)變曲線來計算出來。但是一般是用動力學(xué)方法（如聲學(xué)共振法）來測定。動力學(xué)方法與靜拉伸試驗測定的結(jié)果相差大約不超過0.5%。
4.2 屈服點、屈服強度
有屈服效應(yīng)或者稱物理屈服現(xiàn)象的材料，在拉伸過程中載荷不增加或有所下降，而試樣繼續(xù)變形的最小載荷所對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服點σs，或下屈服點σsl（圖14）。不采用載荷開始下降的上屈服點σsu的原因，在于拉伸試樣的過渡圓角大小、試樣軸線與載荷軸線的重合度、試樣表面粗糙度均影響上屈服點的大小。在正常試驗條件下，下屈服點再現(xiàn)性比較好，由于屈服應(yīng)變較大，故觀測比較方便。
▲圖14 物理屈服現(xiàn)象與上、下屈服點
屈服點按照定義應(yīng)該是材料開始塑性變形的應(yīng)力，只有單晶體的屈服點才有物理意義。它對應(yīng)著位錯源開動，開始滑移的臨界應(yīng)力。而在實際多晶體中，由于晶體位向的差別，使各晶粒不可能同時發(fā)生塑性變形。當(dāng)只有少數(shù)晶粒開始塑性變形時，宏觀并未顯示屈服，只有較多晶粒產(chǎn)生塑性變形時，在宏觀的的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上再能顯示出來。因此，工程上常用的屈服有三種：
4.2.1比例極限（σp）：
應(yīng)力-應(yīng)變曲線上符合彈性關(guān)系的最高應(yīng)力（圖12中Oa）。超過σp時即認(rèn)為開始屈服。
4.2.2彈性極限（σel）：
試樣加載后再卸載，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標(biāo)準(zhǔn)，殘留能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力，超過 σel 時，即認(rèn)為才開始屈服。
工程上之所以要區(qū)別他們，原出于適用目的。例如槍炮材料要求高的比例極限來保證彈道的準(zhǔn)確性，彈簧材料要求有高的彈性極限以保證其可靠性。
4.2.3屈服強度：
以規(guī)定發(fā)生一定的殘留変形為標(biāo)準(zhǔn)，如通常以0.2%殘留變形的應(yīng)力作為屈服強度，符號為σ0.2。
這三種標(biāo)準(zhǔn)在實際測量上都是以殘留變形為依據(jù)，只不過規(guī)定的殘留變形不量同，將屈服強度規(guī)定為三種情況：
1）規(guī)定非比例伸長應(yīng)力（σp），試樣在加載過程中，標(biāo)準(zhǔn)部分的非比例達(dá)到規(guī)定比例（以%表示）的應(yīng)力，例如σp0.01、σp0.02等。
2）規(guī)定殘留伸長應(yīng)力（σs），試樣在卸載后，其標(biāo)準(zhǔn)部分的殘留伸長達(dá)到規(guī)定比例時的應(yīng)力，常用σs0.2。
3）規(guī)定總伸長應(yīng)力（σt），試樣標(biāo)準(zhǔn)部分的總伸長（彈性伸長加塑性伸長）達(dá)到規(guī)定比例時 的應(yīng)力如σt0.5。這時應(yīng)注意σp和σt是在試樣加載時直接從σ-ε（F-Δl）曲線上測量的，詳見圖15。而 σt 要求卸載測量。之所以規(guī)定里一種 σt 的測量方法，一方面是為了測量方便，另一方面是有利于材料（灰鑄鐵、黃銅等）的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，本來就沒有直線部分，所以，用 σt0.5 表示其屈服強度。
▲圖15 用作圖法求條件屈服強度
屈服點或屈服強度對材料的成分、組織、狀態(tài)、溫度和加載速度因素十分敏感，通過合金化、熱處理、冷熱加工等手段可以大幅度地加以改變。
屈服點或屈服強度是機械設(shè)計中關(guān)于材料的最重要的性能指標(biāo)之一。對于塑性材料，強度設(shè)計以屈服點為標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定許用應(yīng)力［σ ]=σs/n，n為安全系數(shù)，一般取 2 或者更大。這表示許用應(yīng)力不高于屈服強度的一半，或者更低。屈服點或屈服強度不僅直接用于機械設(shè)計，在工程上也是材料的某些力學(xué)行為和工藝性能的大致度量。例如材料屈服點或屈服強度增高，對應(yīng)力腐蝕和氫脆就敏感；材料屈服點或屈服強度低，冷加工成型性能和焊接性能就好。
4.3 斷后伸長率與斷面收縮率
斷后伸長率 δ 與斷面收縮率 ψ，表示斷裂前金屬塑性變形的能力。材料塑性是工程材料的重要性能指標(biāo)。這是因為：
①材料具有一定的塑性，當(dāng)機件或構(gòu)件偶爾受到過載荷時能發(fā)生塑性變形，它與形變強化相結(jié)合，保證了機件的安全而避免突然斷裂。
②由于機械構(gòu)件不可避免地存在截面過度、油孔、溝槽及尖角等，加載后這些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，具有一定塑性的材料，可以通過應(yīng)力集中處的局部塑性變形來削減應(yīng)力峰，使應(yīng)力重新分配，從而保證零件不致早期開裂。
③材料具有一定的塑性，有利于某些成型工藝（如冷沖壓、冷彎、校直等）、修復(fù)工藝、和裝配工藝的順利完成。
④ 塑性指標(biāo)還是金屬生產(chǎn)的質(zhì)量標(biāo)志，它反映出材料冶金質(zhì)量的好壞（純凈度、加工質(zhì)量與熱處理水平）。
斷后伸長率 δ 表示實驗前后試樣的相對伸長，計算公式為
斷面收縮率 ψ 表示試樣截面在試驗前后的相對減縮量，計算公式為：
St-S0
ψ= - ———×100%
S0
l0、S0 分別為試驗前試樣的原始標(biāo)距長度、原始截面積 ，lt 、St分別為試樣斷裂后標(biāo)距伸長后的長度和截面縮小后的截面積。
由圖16可以看出，在靜拉伸變形過程中，可以分為均勻變形（即標(biāo)距內(nèi)試樣截面均勻變化）和局部集中收縮變形兩部分。
縮頸前均勻變形階段的最大相對伸長率可表示為:
l0
局部集中變形階段的相對伸長率可以表示為
l0
ψK=ψB+ψN
研究表明，均勻變形階段的 ψB 主要取決于金屬基體相的狀態(tài)，它反映了基體已被強化程度的大小（圖17）。ψN 代表金屬集中塑性變形能力的大小，第二相的數(shù)量等因素對它有明顯影響（圖18）。
▲圖17 不同碳含量碳鋼淬火不同溫度回火后的ψB值
▲圖18 不同碳含量剛淬火、600℃回火后ψB和ψN的變化
在試樣在 l0=10d0 條件下，斷后伸長率δK中δB占的比重大于δN，因此它主要反映了材料均勻變形的能力；而斷面收縮率 ψK 中，ψN 所占比例遠(yuǎn)大于ψB，它主要反映了材料局部集中變形的能力。
五、正應(yīng)力-應(yīng)變曲線
正應(yīng)力為 ： σ=F/S
式中S——當(dāng)試樣受載荷F作用時的截面積。
應(yīng)變以相對伸長 e 或斷面收縮率 ψe 表示。它的定義如下，若長度為 l0 的試樣受力 f 作用后伸長至 l ，當(dāng)有一增量 dF 時，試樣長度相應(yīng)變化 dl ，所以de=dl/l 故相對伸長為：
為了避免出現(xiàn)負(fù)號通常用-ψe表示
正應(yīng)力-應(yīng)變曲線（σ—e曲線）如圖19所示。
▲圖19 正應(yīng)力-應(yīng)變曲線（σ—e曲線）
5.1 形變強化指數(shù)與形變強化模數(shù)
在圖19中，OA是彈性變形部分，AB段曲線可以表示為
σ=Ke?
式中的n為形變強化指數(shù)，可以表征在均勻變形階段金屬形變強化能力。B點以后開始產(chǎn)生縮頸，DC段表示局部集中變形部分，它的斜率D=tanα 為一常數(shù)，稱為材料的形變強化模數(shù)，他表示材料局部集中變形階段的形變強化能力。
5.2 抗拉強度
抗拉強度又稱強度極限，以σb表示，它是在試驗過程試樣所承受的最大載荷FB與試樣原始截面積S0的比值，即σb=FB/S0 。他表征著一定界面的材料所承受的最大載荷，故，它有著重大的實用價值。
六、缺口拉伸與缺口偏斜拉伸
生產(chǎn)上絕大多數(shù)機件不是截面均勻、無變化的光滑體，而是存在截面變化的，如鍵槽、油孔、臺階、螺紋及退刀槽等，這種截面的變化可以簡稱為缺口。由于缺口的存在，會使靜拉伸時的力學(xué)行為發(fā)生變化。分述如下：
6.1 缺口效應(yīng)
由于缺口的存在會引起一下一些效應(yīng)：
1）缺口引起應(yīng)力集中，使缺口頂端的最大應(yīng)力大于該截面上的平均應(yīng)力，如圖20所示。
▲圖20 缺口試樣拉伸時最小截面上的應(yīng)力分布
圖中 σl 為軸向應(yīng)力，σt為切向應(yīng)力，σr為徑向應(yīng)力。為了描寫應(yīng)力集中情況，采用缺口截面上最大軸向應(yīng)力σLmax和該截面上的平均應(yīng)力σm之比，稱為應(yīng)力集中系數(shù)K了，即：
Kl=σLmax/σm
2)缺口的存在，引起多軸應(yīng)力狀態(tài)。由圖20可以看出，缺口拉伸時，不僅存在軸向應(yīng)力，還存在切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，出現(xiàn)所謂多軸應(yīng)力狀態(tài)。由于這種多軸應(yīng)力的存在，使抗拉強度升高，并使材料向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)化。
6.2 缺口靜拉伸試驗
為了測定金屬材料在靜拉伸下對缺口的敏感程度，要進(jìn)行缺口拉伸試驗。缺口的形狀件圖21 。
▲圖21 缺口拉伸試樣的缺口形狀
缺口試樣在拉伸過程中，在彈性狀態(tài)下的應(yīng)力分布如圖20所示。當(dāng)發(fā)生塑性變形后，將發(fā)生如圖22所示的變化。隨著塑性變形的發(fā)展，塑性區(qū)逐步向心部發(fā)展，在塑性區(qū)與彈性區(qū)交界處出現(xiàn)最大應(yīng)力，當(dāng)這個最大應(yīng)力超過材料斷裂強度時，便在該區(qū)發(fā)生斷裂。不難看出，若不發(fā)生塑性變形或很少發(fā)生塑性變形斷裂，則斷裂起源于缺口根部表面。塑性越好，斷裂源越向中心移動。
▲圖22 缺口試樣塑性變形時的應(yīng)力分布
通常用缺口強度比 NSR 作為衡量靜拉伸下缺口敏感指數(shù)
NSR=σbN/σb
式中σbN——表示缺口拉伸試樣的抗拉強度。
通常的缺口拉伸試樣形狀如圖23所示。
▲圖23 缺口拉伸試樣
一般認(rèn)為，NSR＜1，即σbN＜σb，說明材料對缺口敏感。事實上，表現(xiàn)為這種情況的金屬并不多，大多為已知的所謂脆性材料，如鑄鐵、淬火加底紋回火的高碳鋼。絕大多數(shù)金屬NSR＞1，這時因為只要缺口處發(fā)生少量塑性變形就可以使NSR＞1，但這并不能說明金屬對缺口不敏感。因此，單純憑缺口拉伸試驗，按NSR＞1來選材和制定工藝是不可靠的。
6.3 缺口偏斜拉伸試樣
對于一些重要的承載螺釘，在制造安裝和使用過程中，不可避免地存在因斜偏影響帶來的附加彎曲。為此，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行圖24所示的缺口斜偏拉伸試樣。
▲圖24 缺口斜偏拉伸試試驗裝置
1-試樣 2-螺紋夾頭 3-試驗機上夾頭 4-墊圈
表示。
8.2 帶缺口的圓形拉伸試樣斷口
帶缺口的圓形拉伸試樣，由于缺口處應(yīng)力集中，裂紋直接在缺口或缺口附近產(chǎn)生。此時其纖維區(qū)不是在試樣端口中央而是沿圓周分布，而后向內(nèi)部擴展（圖26）。若缺口較鈍，則裂紋仍可能在試樣中心形成。缺口裂紋也可能以不對稱方式擴展，形成較為復(fù)雜的斷口形貌。
矩形拉伸試樣圖樣
10.2 試樣形狀與尺寸的影響
圖29 拉伸試驗機的控制框圖
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