金屬材料六種伸長率的對(duì)比與分析

1、- - 金屬材料六種伸長率的分析摘要金屬材料伸長率分為6 種:斷后伸長率、斷裂總延伸率、最大力總延伸率、最大力非比例延伸率、 殘余伸長率和屈服點(diǎn)延伸率。本文介紹國標(biāo)中各伸長率的測定方法，揭示各種伸長率的含義、用途、區(qū)別、影響因素以及換算關(guān)系。關(guān)鍵詞伸長率 ; 延伸率；1 前言伸長率是衡量金屬材料塑形的一項(xiàng)參數(shù), 其種類、定義及換算執(zhí)行國標(biāo)gb/228 的規(guī)定。國標(biāo) gb t228. -20 0 金屬材料拉伸試驗(yàn)第部分：室溫實(shí)驗(yàn)方法 參照國際標(biāo)準(zhǔn)iso682-1: 009 進(jìn)行了修訂 ,整體結(jié)構(gòu)、層次劃分等均與i o6892-:2009 基本一致 ,代替了原國標(biāo) bt28- 002金屬材料室溫實(shí)

2、驗(yàn)方法。 bt228. 2010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分 : 室溫實(shí)驗(yàn)方法將伸長率分為6 種：斷后伸長率(a) 、殘余伸長率( ?) 、斷裂總延伸率 ( ?） 、最大力總延伸率( ?） 、最大力非比例延伸率( ?）和屈服點(diǎn)延伸率( ?） 。其中 4 項(xiàng)延伸率均為在應(yīng)力狀態(tài)下測定的指標(biāo),2 項(xiàng)伸長率為卸載應(yīng)力后測定的指標(biāo)。（在原國標(biāo) gb t228- 02金屬材料室溫實(shí)驗(yàn)方法中, 殘余伸長率在應(yīng)力下測定）。2 伸長率種類、定義和用途gb/t228.- 010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分： 室溫實(shí)驗(yàn)方法 定義伸長時(shí)采用了兩個(gè)近義術(shù)語 : 伸長和延伸。拉伸試驗(yàn)期間任一時(shí)刻, 試樣原始標(biāo)距(?0）的增

3、量稱為“伸長” ；延伸可以理解為拉伸試驗(yàn)期間任一給定時(shí)刻, 引伸計(jì)上標(biāo)距( ?) 的增量。試驗(yàn)中用測量延伸的方法測定伸長, 兩者并無本質(zhì)區(qū)別。2.1 斷后伸長率國標(biāo)中定義斷后伸長率: 斷后標(biāo)距的殘余伸長（?- ?）與原始標(biāo)距 ( ?0)之比的百分率。斷后伸長率是在拉斷后的試樣上測取得, 國標(biāo)規(guī)定 :為了測定斷后伸長率，應(yīng)將試樣斷裂的部分仔細(xì)地配接在一起使其軸線處于同一直線上，并采取特別措施確保試樣斷裂部分適當(dāng)接觸后測量試樣斷后標(biāo)距。計(jì)算方法如下 : a =?- ?0100%- - 式中： ?0試樣原始標(biāo)距,m ；?斷后試樣拼接后的標(biāo)距，mm 。如規(guī)定的最小斷后伸長率小于5%,建議采取特殊方法進(jìn)

4、行測定試驗(yàn)前在平行長度的兩端處做一很小的標(biāo)記, 使用調(diào)節(jié)到標(biāo)距的分規(guī)，分別以標(biāo)記為圓心畫一圓弧。拉斷后 , 將斷裂的試樣置于一裝置上, 最好借助螺絲施加軸向力, 以使其在測量時(shí)牢固地對(duì)接在一起。以最接近斷裂的原圓心為圓心, 以相同的半徑劃第二個(gè)圓弧。用工具顯微鏡或其他合適的儀器測量兩個(gè)圓弧之間的距離即為斷后伸長。如斷裂處與最接近的標(biāo)距標(biāo)記的距離小于原始標(biāo)距的三分之一時(shí)，可采用移位法測定斷后伸長率試驗(yàn)前將試樣原始標(biāo)距細(xì)分為5mm 到 0m的 n等份 , 試驗(yàn)后， 以符號(hào) x 表示斷裂后試樣短段的標(biāo)距標(biāo)記，以符號(hào)y 表示試樣長段的等分標(biāo)記。如x與 y之間的分格數(shù)為n，按如下測定斷后伸長率: a =

5、? + 2? - ?0?0100a =? + ?+ ?-?0?0100斷后伸長率也可以通過引伸計(jì)測得, 見圖。圖中?實(shí)際上代表塑性伸長與局部- - 縮頸伸長，計(jì)算方法如下：a =?100%圖 1 用圖解法測定斷后延伸和斷裂總延伸2.2 斷裂總延伸率國標(biāo)定義：斷裂時(shí)刻原始標(biāo)距的總延伸（彈性延伸加塑性延伸) 與引伸計(jì)標(biāo)距 ?之比的百分率。斷裂總延伸率是在應(yīng)力下測定的伸長率。試驗(yàn)時(shí)記錄應(yīng)力- 延伸曲線 , 確定圖 1中的c點(diǎn)，為斷裂總伸長( ?）, 則斷裂總延伸率計(jì)算方法如下: ?=?100%2.3 最大力塑形延伸率國標(biāo)定義：最大原始標(biāo)距的塑性延伸?與引伸計(jì)上標(biāo)距?之比的百分率。在用引伸計(jì)測得的應(yīng)力

6、應(yīng)變曲線圖上, 從最大總延伸?中扣除彈性延伸部分即為塑性延伸 ?。最大力塑性延伸率實(shí)際反映了試樣塑性變形伸長率。其計(jì)算公式如下：?= (?-?) 100%式中， ?引伸計(jì)標(biāo)距; ?應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線上彈性變形部分的斜率; ?抗拉強(qiáng)度；?最大力下總延伸。- - 也可用圖解法測定最大延伸率,見下圖：當(dāng)最大力出現(xiàn)平臺(tái)時(shí), 取平臺(tái)中點(diǎn)的最大力對(duì)應(yīng)的塑性延伸為?。此時(shí)，最大力塑性延伸率的計(jì)算如下：?=?100%圖 2 用圖解法測定最大力延伸率方法2.4 最大力總延伸率國標(biāo)定義：最大力時(shí)原始標(biāo)距的總延伸?與引伸計(jì)標(biāo)距 ?之比的百分率。最大力總延伸率是在應(yīng)力下測定的延伸率，見圖, 將最大力點(diǎn)的總延伸?除以引

7、伸計(jì)標(biāo)距 ?，即為最大力總延伸率, 即?=?100%25 殘余伸長率殘余伸長率是在引伸計(jì)上測定的伸長率，指試樣施加并卸除指定應(yīng)力后，引伸計(jì)標(biāo)距的殘余伸長量與引伸計(jì)標(biāo)距( ?) 之比的百分率, 曾稱為永久伸長率。2.6 屈服點(diǎn)延伸率屈服點(diǎn)延伸率是在應(yīng)力下測定的伸長率，對(duì)呈現(xiàn)不連續(xù)屈服的材料, 指從應(yīng)力應(yīng)變曲線圖上，均勻加工硬化開始點(diǎn)的延伸減去上屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的延伸得到的延伸?,再用 ?除以引伸計(jì)標(biāo)距?即得到屈服點(diǎn)延伸率，即?=?100%如圖 , 均勻加工硬化開始點(diǎn)的確定方法為: 根據(jù)經(jīng)過不連續(xù)屈服階段的最后的最小值點(diǎn)做一條水平線，或經(jīng)過均勻加工硬化前屈服范圍的回歸線, 與均勻加工硬化開始- - 處

8、曲線的最高斜率線相交點(diǎn)確定。圖 3 屈服點(diǎn)延伸率的不同評(píng)估方法( 左為水平線法 , 右為回歸線法 ) .7 小結(jié)從上述對(duì)國標(biāo)gb/281-20 0 相關(guān)內(nèi)容的解讀中不難發(fā)現(xiàn)斷后伸長率（a） 、殘余伸長率（?) 、斷裂總延伸率( ?) 、最大力總延伸率( ?) 、最大力非比例延伸率( ?）和屈服點(diǎn)延伸率( ?) 這六種伸長率 ( 延伸率 )不同而互有聯(lián)系, 總結(jié)起來就是 : 1） 概念不同 ,所代表的含義不同。2) 對(duì)于同一件試樣，這六種伸長（延伸) 率的試驗(yàn)結(jié)果有顯著性的差別。2) 這六種伸長 ( 延伸 ) 率呈線性正相關(guān)。- - 圖 4 斷后伸長率、斷裂總延伸率、最大力總延伸率、最大力非比例

9、延伸率對(duì)比影響伸長率的因素3.1 金屬材料錠內(nèi)部存在各種冶金缺陷現(xiàn)有金屬材料,無論板材還是棒料，幾乎都要經(jīng)過壓力加工，而在壓力加工過程中,金屬晶粒沿主變形方向拉長,夾雜也沿變形方向排列，行程金屬纖維,造成材料各向異性，即使同一批產(chǎn)品，取樣部位和取樣方向不同,伸長率往往有一定的差異。因此在制備試樣時(shí),必須按照規(guī)定進(jìn)行切取樣坯和制備試樣,國標(biāo) b/ 22.1-20 0金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分： 室溫實(shí)驗(yàn)方法 中對(duì)此沒有詳細(xì)說明，詳細(xì)規(guī)定制定在國標(biāo)gb t 75 中 , 有特殊需求的也可按照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。3.2 拉伸試驗(yàn)速率拉伸試驗(yàn)時(shí)的拉伸速率對(duì)金屬材料的伸長率有明顯影響，伸長率的值一般隨拉伸

10、速度增加而降低。不同鋼種對(duì)速率變化的敏感程度各異,到目前為止尚未找到一個(gè)公式或一個(gè)固定的數(shù)值來表示拉伸速率對(duì)伸長率的影響。因此 g /t21-2010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：- - 室溫實(shí)驗(yàn)方法根據(jù)鋼鐵材料的特性, 規(guī)定測定屈服點(diǎn)延伸率( ?）時(shí) , 應(yīng)變速度控制在0.0025s-0.0 25范圍內(nèi)；測定其他伸長率( 或延伸率 ) 時(shí), 應(yīng)變速率應(yīng)控制在不大于0.008/s范圍內(nèi)，以此來排除速率的影響。如果試驗(yàn)以應(yīng)力速率為基準(zhǔn)，國標(biāo)中亦有對(duì)應(yīng)速率標(biāo)準(zhǔn)。3 試樣的幾何形狀、標(biāo)距、直徑同一材料 , 其試樣外形、 規(guī)格不同， 性能亦有所差異,比如圓形橫截面試樣比矩形橫截面試樣具有更高的斷后伸長率

11、和斷面收縮率。因此 gb/t28.1-2 10 中對(duì)試樣的幾何形狀、標(biāo)距等進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。將試樣標(biāo)距分為比例標(biāo)距和非比例標(biāo)距兩種, 凡試樣原始標(biāo)距 （?0) 與原始橫截面積 （ ?0)存在 ?0= ? ?0關(guān)系的稱為比例試樣, 不存在上述關(guān)系的稱為非比例試樣。常用比例系數(shù)有k=5.65 和 k=11.3兩種，分別稱為短（標(biāo)距) 試樣和長 ( 標(biāo)距 ) 試樣。國標(biāo)gb/t228.1 優(yōu)先推薦k=56的短試樣, 同時(shí)規(guī)定原始標(biāo)距不得小于15mm 。當(dāng)原始截面積太小，短試樣標(biāo)距不足15時(shí)， 可選用長試樣 (優(yōu)先考慮）或非比例試樣。對(duì)于同一材料, 選用不同標(biāo)距測得的伸長率數(shù)值不一樣, 用短試樣和長試

12、樣測得的伸長率分別用 ?5.65和?11.3表示。僅當(dāng)標(biāo)距（引伸計(jì)標(biāo)距）、橫截面形狀和面積相同、或比例系數(shù)相同時(shí)，斷后伸長率才具有可比性。3. 試樣表面光潔度、拉力試驗(yàn)機(jī)的夾具、引伸計(jì)精度、試樣對(duì)中狀況和熱耗等。b/t22.1 在試樣加工、試驗(yàn)設(shè)備的精準(zhǔn)度、實(shí)驗(yàn)速率、加持方法等相關(guān)條款中均有明確的規(guī)定，以此來保證試驗(yàn)結(jié)果具有可比性。比如 ,g/t228.1規(guī)定制備試樣應(yīng)不影響其力學(xué)性能, 應(yīng)通過機(jī)加工方法除去由于剪切或沖切而產(chǎn)生的加工硬化部分材料。這些材料優(yōu)先從板材或帶材上制備，如果可能,應(yīng)保留原軋制面。而通過沖切制備的試樣，在材料性能方面會(huì)產(chǎn)生明顯變化, 尤其是屈服強(qiáng)度或規(guī)定延伸強(qiáng)度 , 會(huì)

13、由于加工硬化而發(fā)生明顯變化，對(duì)于這類呈現(xiàn)明顯加工硬化的材料，通常通過銑或磨削等手段加工。4 伸長率之間的換算41 包氏關(guān)系式包氏在分析斷后伸長時(shí)提出, 塑性均勻變形伸長是整個(gè)試樣的均勻伸長, 可表示為?塑= ?0；局部縮頸伸長是局部伸長?？杀硎緸? ?縮頸= ? ?0, 則斷后伸長率a=塑性均- - 勻變形伸長率 +局部縮頸伸長率，即a = + ?0?0式中 與 是與材料特性相關(guān)的常數(shù)。從關(guān)系式中可以看到: 隨原始標(biāo)距增加, 斷后伸長率減小 ; 同一材料 , 試樣截面積不同, 即使采用同一標(biāo)距測得的斷后伸長率也不同；只有采用同一比例系數(shù)的試樣, 檢測結(jié)果才有可比性。包氏關(guān)系式所反映的斷后伸長率

14、與試樣尺寸的關(guān)系不那么準(zhǔn)確，所以有修正公式：a = + ?0?0-?0?0?0式中 s為縮頸處最小截面積。4.2 奧式公式一般認(rèn)為奧式公式比包氏公式更準(zhǔn)確、更適用, 其基本表達(dá)式為: a = r(?0?0)?式中 r和是與材料特性相關(guān)的常數(shù)。對(duì)于某種材料, 取不同標(biāo)距和不同截面積的試樣測定斷后伸長率, 然后對(duì)測得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理分析，求出常數(shù)r和 n, 即可得到該材料斷后伸長率的計(jì)算公式。4.3 同牌號(hào)、不同標(biāo)距鋼材斷后伸長率換算國標(biāo) gb t760-19 鋼的伸長率換算第1 部分以及鋼的伸長率換算第2 部分對(duì)此有詳細(xì)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)中所用公式以奧氏公式為基礎(chǔ)確定, 在此不再贅述。 各伸長率的應(yīng)用在斷后

15、伸長率（） 、殘余伸長率（?） 、斷裂總延伸率（?) 、最大力總延伸率( ?） 、最大力非比例延伸率（?）和屈服點(diǎn)延伸率（?）這種伸長率中, 斷后伸長率（ a)、殘余伸長率（ ?） 、斷裂總延伸率（?） 、最大力總延伸率( ?) 、最大力非比例延伸率( ?）是成品金屬材料常選用的檢測項(xiàng)目, 屈服點(diǎn)延伸率(?）一般不被選用。目前，絕大多數(shù)金屬材料試驗(yàn)中都選擇測定的伸長率是斷后伸長率，原因可能是斷后伸長率是在斷裂后的試樣上測得，操作簡單 , 對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求低, 數(shù)據(jù)處理容易， 同時(shí)在伸長率的換算方面斷后伸長率已有較為完備的體系。選用其它伸長率的實(shí)例如：gb/11182-2006 橡膠管增強(qiáng)用鋼絲中要求鋼絲斷裂總延伸率不小于2. ( ?0= 250?） ，預(yù)應(yīng)力應(yīng)小于10%?; /t5 23-2 02預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲中要求冷拉鋼絲最大總延伸率不小于15%,消除應(yīng)力光圓及螺旋肋鋼絲最- - 大力總