2.1 金属材料拉伸试验

1. 2.1金属材料拉伸试验

2. 2.1.1拉伸试验的特点和分类 （1）拉伸试验的特点： • 单向应力、温度恒定、静载 • 力学性能测试中最常用方法、简单易行、试样制备简单、测量数据精确。 • 可反映材料所发生的弹性、塑性与断裂三个变形阶段的基本特性。 • 工程设计及合理选材、优选工艺、研制新材料、合理使用现有材料 • 采购、验收、质量控制、安全评估都有着很重要的应用价值和参考价值。

3. 2.1.1拉伸试验的特点和分类 （2）拉伸试验分类： 按温度分： • 室温拉伸试验10℃～35℃ • 高温拉伸试验＞35℃～1000℃ • 低温拉伸试验-196℃～＜10℃ • 液氦拉伸试验-269℃

4. 2.1.1拉伸试验的特点和分类 按产品分： • 标准样品的拉伸试验 • 金属细丝的拉伸试验 • 金属箔材的拉伸试验 • 金属紧固件的拉伸试验

5. 2.1.1拉伸试验的特点和分类 按试验环境分： • 温湿度下的拉伸试验 • 腐蚀气氛下的拉伸试验 • 腐蚀液体中的慢速拉伸试验

6. 2.2.1金属材料拉伸试验相关的拉伸试验机 （1）试验机的分类 • 机械式试验机 • 电子式万能试验机 • 液压式万能试验机 • 电液伺服试验机

7. （1）力 物体间的相互作用叫力。力有三个要素，即力的大小、方向和作用点 • （2）力学性能 材料在力作用下显示的与弹性和非弹性反应相关或包含应力-应变关系的性能 • （3）力学试验 测定力学性能的试验

8. （4）弹性模量：轴向拉伸应力与轴向拉伸应变成线性比例关系阶段中，拉伸应力与拉伸应变之比。（低于比例极限的应力与相应应变的比值）（4）弹性模量：轴向拉伸应力与轴向拉伸应变成线性比例关系阶段中，拉伸应力与拉伸应变之比。（低于比例极限的应力与相应应变的比值） • （5）横向应变 垂直于施加力方向的线性应变量 • （6）轴向应变 施加力方向的线性应变量

9. （7）轴向应力 施加力方向的应力分量 • （8）应变 由外力所引起的试样尺寸和形状的单位变化量 • （9）工程应变 按照原始长度的轴向变化量除以原始长度计算的轴向应变 • （10）线性应变 给定线性方向的应变分量 • （11）真应变 在缩颈开始之前，瞬时长度与原始长度之比的自然对数 • （12）应力 试验期间任一时刻的力除以试样原始横截面积So之商

10. （13）工程应力：拉伸力与试样原始横截面积的比值（13）工程应力：拉伸力与试样原始横截面积的比值 • （14）正应力 垂直于给定平面的应力分量 • （15）真应力 按照瞬时横截面积计算的轴向应力 • （16）试件/试样：具有合格尺寸且满足试验要求的样品 • （17）测量不确定度 表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数

11. （18）比例极限 材料能够承受的没有偏离应力-应变比例特性的最大应力 • （19）应力-应变曲线 表示正应力和试样平行部分相应的应变在整个试验过程中的关系曲线。

12. （20）塑性应变比： • 在单轴拉伸应力作用下，试样宽度方向真实塑性应变与厚度方向真实塑性应变之比。 • （21）应变硬化指数： • 在单轴拉伸应力作用下，真实应力与真实应变数学方程式中的真实应变指数。

13. A．电子万能试验机的基本结构、 • 主机的动力源是一个电动机，通过减速装置和丝杠带动活动横梁向上或向下运动，使试件产生拉伸变形。安装在活动横梁或框架上的力传感器测量试件变形过程中的力值，即载荷值；同时，丝杠的转动带动主机内部一个光电编码器，通过控制器换算成活动横梁的位移值。载荷及位移信号，通过计算机显示或者进行相关计算。电子式万能试验机是以电测法测量并指示力和变形的机械型试验机，其主要特点是速度范围宽，且易于准确控制，显示全数字化，操作简便，配用计算机可按界面提示实施对试验机的操作，自动进行数据处理。

14. 电子万能试验机 1．加力部分： • 试验机加力机构装于主机机架内，两球形丝杠垂直分装于主机左右两侧，横梁两侧内的丝杠副与相应的球形丝杠，工作时，交流伺服电机经齿形皮带减速后，驱动左右两侧丝杠同步原地转动，横梁内与之合的螺母便带动横梁下降或上升 • 主要由上横梁、移动横梁、台面及光杠组成框架式结构，球形丝杠固定在台面及上横梁之间，两球形丝杠之丝母及两光杠之导套固定在移动横梁上。 • 电机通过三级同步带轮减速后带动丝杠旋转，从而推动移动横梁在选定的速度下作直线运动，以实现各种试验功能。

15. 电子万能试验机 2．测量部分 • 试验机力与变形的测量均采用电阻传感器，测力传感器固定在上横梁或十字横梁上，并与上夹头或下夹头连接，变形传感器（引伸计）则安装在试样上，二者的信号电压通过放大单元输至计算机进行采集处理。

16. 电子万能试验机 • 3.控制单元 • 控制试验机的速度，方向

17. 电子万能试验机 • 4．显示部分 • 绘拉伸图 • 显示力值及变形值及计算

18. 电子万能试验机

19. 电子万能试验机

20. B．液压万能试验机的基本结构、工作环境、操作技术与维修保养 1．加力部分： • 试验机底座1装有两根固定立柱2，立柱支撑着固定横梁3及工作油缸4。开动油泵电机后，电动机带动油泵5，将油箱里的油经送油阀22送至工作油缸4，推动工作活塞6，使上横梁7、活动立柱8和活动平台9向上移动。如将拉伸试样装于上夹头10和下夹头11内，当活动平台向上移动时，因下夹头不动，上夹头随着平台向上移动，则试样受到拉伸，如将试样放在平台的承压座12内，平台上升时，试样则受到压缩。 • 做拉伸试验时，为了适应不同长度的试样，可开动下夹头的电机使之带动蜗杆，蜗杆带动涡轮，涡轮再带动丝杠，可控制下夹头上、下移动，调整适当的拉伸空间。

21. 液压万能试验机 2．测力部分 • 装在试验机上的试样受力后，其受力大小可在测力度盘上直接读出，试样受到拉力作用，工作油缸的油就具有了一定的压力，这压力的大小与试样受到的拉力大小成比例。而测力油管将工作油缸与测力油缸14连通，则测力油缸就受到与工作油缸相等的油压。此油压推动测力活塞15，带动测力拉杆，使摆杆21和摆锤16绕支点转动。力越大摆的转角也越大。摆杆转动时，上面的推杆便推动水平齿条17，从而使齿轮带动测力指针转动，这样便可从测力盘上读出试样受力的大小。摆锤的重量可以更换，一般试验机可以更换三种摆锤，所以测力盘上相应有三种刻度，这三种刻度对应着试验机三种不同的量程。

22. 电液式材料试验机

23. D．引伸计（手动夹持式、光学式、全自动、高温、低温）D．引伸计（手动夹持式、光学式、全自动、高温、低温） • 在拉伸试验时测量试样变形的装置称作引伸计。引伸计有机械式、电子式、光学式、全自动式、高温、低温等。用的最多的是电子式中电阻应变式。它主要由电阻应变片、弹性元件、刀口、变形传动杆几部分组成。测量变形时，将引伸计安装在试样上，刀口与试样接触而感受变形，通过变形传动杆使弹性元件产生应变ε，然后再通过粘贴在弹性元件上的电阻应变片把应变量ΔL转换成电阻的变化量ΔR，由应变电测原理可知：ΔL与ε和ε与ΔR均成线性关系，因此测得ΔR后，即可得到所测变形ΔL。

24. E．高温炉 • 高温拉伸试验需要配置加热试样的高温电炉，与各种材料试验机，如电子万能试验机、液压万能试验机等相配合，进行高温下的力学性能试验。 • 一般为对开式圆筒型高温电阻炉，加热温度约为200℃-1000℃

25. E．高温炉 • 采用内置式加热体，升温速度快，调节灵敏，精度高。 • 有较高的温度精度与稳定性。 • 采用PID温度控制仪，用电炉支架安装在试验机上，电炉方便进出主机。

26. F．环境箱 • 进行-70℃～250℃中低温拉伸试验时，有时也会用到高低温试验箱，它由加热源、制冷源、工作室、温控单元组成。高温采用硅碳棒加热，低温采用液氮或压缩机制冷。工作室空气用风扇鼓风循环，强制空气对流，使之室内温度得到均匀。 • 环境箱主要用于金属材料在高温或低温下的机械性能试验。可配于电子万能试验机。

27. F．环境箱 主要技术指标 • 温度范围：-70℃～250℃ • 恒温区长：300mm • 温度波动：±2℃ • 温度梯度：4℃ • 外形尺寸（长×宽×高）：490×870×800mm • 工作室尺寸（长×宽×高）：270×270×600mm

28. G．低温恒温器或杜瓦瓶 • 进行深低温拉伸试验时，需要将试样冷却，应配有可放置冷却液的低温恒温器或杜瓦瓶。试验时，根据试验温度配置冷却液，（-196℃用液氮，-269℃用液氦）并将其与试样一起置于低温恒温器或杜瓦瓶中，并与材料试验机连接就可以进行拉伸试验。

29. 拉伸试验机准确度级别的误差要求

30. 2）试验机的检测/校准项目及相关要求 • 1级精度的试验机示值相对误差 • q=（Fi-F）/F ≤±1.0% • F—测力仪指示力， Fi—试验机指示力， • 如果1级试验机，标定时测力计标准值为1000N，则： • （1010-1000）/1000=0.01= 1.0% • （990-1000）/1000=-0.01 = -1.0% • 即试验机力值在990N～1010N内才合格

31. 试验机的检测/校准项目及相关要求 • 示值重复性相对误差 • b=（Fimax-Fimin）/F ≤1.0% • Fi max、 Fi min—试验机指示最大、最小力，F—测力仪指示力 • 如果1级试验机，标定时测力计标准值为1000N，试验机力值为1010N，则其他几次标定在1000N ～1010N以内才合格。 如果低于此范围，例如998N，则 • （1010-998）/1000=0.012= 1.2%＞ 1.0%不合格

32. 试验机的检测/校准项目及相关要求 • 1级试验机示值进回程相对误差u • u=（ Fi′-Fi）/F ≤1.5% • F—测力仪指示力， Fi—试验机指示力， Fi′—卸载时试验机指示力， • 如果1000N的1级试验机，标定时测力计标准值为1000N，进程为1010N，回程必须在995N ～1010N以内才合格。 • （995-1010）/1000=-0.015

33. 试验机的检测/校准项目及相关要求 • 零点相对误差f0 • 1级试验机F0=（Fio/FN）×100%≤ ± 0.1% • Fio试验机卸载后零点示值 • FN-试验机相应档次的最大力值 • 如用1000N档，卸载后零点示值在±1N内合格。

34. 试验机的检测/校准项目及相关要求 • 相对分辨力α • 1级试验机α =（γ/F ） ×100%≤0.5% • γ-分辨力 • F-试验机相应档次的最大力值 • 如用1000N档，相对分辨力α≤0.5%，则分辨力γ应为5N。刻度值应为10N。

35. 引伸计分类 • 1.机械式（千分表） • 2.光学式 • 3.电子式（电阻式、电感式、电容式） • 4.非接触式（激光、摄像头、光栅式）

36. （3）引伸计的检测/校准项目及相关要求 • 1级精度的引伸计标距相对误差≤±1.0%； • qLe=(Le′-Le）/ Le • Le—引伸计标距标称值， Le′—引伸计标距测量值，li—引伸计指示的位移， lt—标定器给出的真实位移 • 如果引伸计标距标称值为50mm，引伸计标距测量值为50.5mm，则qLe=(Le′-Le）/ Le=（50.5-50）/50=1.0%

37. 引伸计的检测/校准项目及相关要求 • 引伸计分辨力（从仪器上能读取的最小量值或读数的百分比）或1.0μm； • 1级精度的引伸计分辨力≥0.5% • 读数为1mm时，分辨力至少为0.005mm，刻度值为0.01mm。

38. 引伸计的检测/校准项目及相关要求 • 1级引伸计系统相对误差≤±1.0%或±3μm • q=（Li-Lt）/Lt • Li—引伸计指示位移，Lt—标定器给出的真实位移 • 如果标定器给出的真实位移为1mm，引伸指示位移应在0.99mm～1.01mm之内。

39. 引伸计的检测/校准项目及相关要求 • 引伸计量程 • 50mm引伸计，量程有5mm，25mm，50mm（10%，50%，100%）

40. （4）试验机的期间核查 • 试验机在两次检定期间，需进行期间核查，用测力计检查试验机的示值相对误差，示值重复性相对误差

41. （5）温度测量装置的检测/校准项目及相关要求（5）温度测量装置的检测/校准项目及相关要求 温度偏差 • ≤600℃ ±3℃； • ＞600～800℃ ±4℃； • ＞800-1100℃ ±5 ℃； 温度梯度 • ≤600℃ 3℃； • ＞600～800℃ 4℃； • ＞800-1100℃ 5 ℃

42. 2.3.1金属材料室温拉伸试验 • 2.3.1.1试验标准 • 2.3.1.2适用范围 • 2.3.1.3试验原理 • 2.3.1.4试验方法

43. 2.3.1.1试验标准 • 中国标准 GB/T228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分 室温试验方法》, • 国际标准 ISO6892-1：2009 Metallic materials-Tensile testing-Method of test at ambient temperature • 美国ASTM标准 ASTM E8M-2008 Standard Test Method for Tensile testing of Metallic materials(Metric)

44. 2.3.1.2 GB/T228.1-2010适用范围 • 适用于金属材料室温拉伸性能的测定，但对于小横截面尺寸的金属产品，例如金属箔、超细丝和毛细管等的拉伸试验需要相关方的协议。

45. 2.3.1.3试验原理 • 试验系用拉力拉伸试样，一般拉至断裂，测定拉伸标准中定义的一项或几项力学性能

46. 2.3.1.4 试验方法（1）术语、符号及相关说明 • 1)标距 L 测量伸长用的试样圆柱或棱柱部分的长度 • 2)原始标距 L0室温下施力前的试样标距。 • 3)断后标距 Lu在室温下将断后的两部分试样紧密地对接在一起，保证两部分的轴线位于同一条直线上，测量试样断裂后的标距。 • 4)平行长度 Lc 试样平行缩减部分的长度。 • 5)伸长 试验期间任一时刻原始标距的增量。

47. 2.3.1.4 试验方法（1）术语、符号及相关说明 • 6) 伸长率 原始标距的伸长与原始标距Lo之比的百分率。 • 7) 残余伸长率 卸除指定的应力后，伸长相对于原始标距Lo的百分率。 • 8) 断后伸长率 A 断后标距的残余伸长（Lu-L0）与原始标距(L0)之比的百分率。 对于比例试样，若原始标距不为5.65 S0 (S0为平行长度的原始横截面积)，符号A应附以下脚注说明所使用的比例系数，例如，A11.3表示原始标距为11.3 的断后伸长率。对于非比例试样，符号A应附以下脚注说明所使用的原始标距，以毫米（mm）表示，例如，A80mm表示原始标距为80mm的断后伸长率。

48. 2.3.1.4 试验方法（1）术语、符号及相关说明 • 9) 引伸计标距Le 用引伸计测量试样延伸时所使用试样引伸计起始标距长度。 注：对于测定屈服强度和规定强度性能，建议Le应尽可能跨越试样平行长度。理想的 Le应大于L0/2但小于约0.9Lc。这将保证引伸计能检测到发生在试样上的全部屈服。最大力时或在最大力之后的性能，推荐Le等于L0或近似等于L0，但测定断后伸长率时Le应等于L0。 • 10) 延伸 试验期间任一给定时刻引伸计标距Le的增量。 • 11) 延伸率 用引伸计标距Le表示的延伸百分率

49. 2.3.1.4 试验方法（1）术语、符号及相关说明 • 12) 残余延伸率 试样施加并卸除应力后引伸计标距的增量与引伸计标距Le之比的百分率。 • 13) 屈服点延伸率 Ae 呈现明显屈服（不连续屈服）现象的金属材料，屈服开始至均匀加工硬化开始之间引伸计标距的延伸与引伸计标距Le之比的百分率。见图3.7。 • 14) 最大力总延伸率 Agt 最大力时原始标距的总延伸（弹性延伸加塑性延伸）与引伸计标距Le之比的百分率。见图3.1。 • 15) 最大力塑性延伸率 Ag 最大力时原始标距的塑性延伸与引伸计标距Le之比的百分率。见图3.1。 • 16) 断裂总延伸率 At 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Le之比的百分率。见图3.1。

50. 图3.1 延伸的定义 R-应力 e-延伸率 Δe-平台范围 A：断后伸长率（从引伸计的信号测得或直接从试样上测得） Ag：最大力塑性延伸率 Agt：最大力总延伸率 At：断裂总延伸率 Rm：抗拉强度 mE：应力-延伸率曲线上弹性部分的斜率