钢铁材料拉伸实验

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河南化工

HENAN CHE M I CAL I NDU STRY 2011年4月 第28卷 第4期(下)

钢铁材料拉伸实验

侯志杰, 原志明, 万小良, 申学利

(河南省机动车铸铁零部件产品质量监督检验站, 河南林州 456561)

摘要 介绍了拉力试验的试验原理、特点和试验规范及机械性能中抗拉强度和布什强度的关系。 关键词 钢铁材料; 拉伸

中图分类号 TG 35 文献标识码 A 文章编号 1003-3467(2011) 08-0022-04

拉力试验是评价铸铁机械性能最主要的一种试

验方法。拉力试验的主要目的是测定材料的适用性, 或材料使用为目的所进行的特殊方法处理的效果。对于被检测材料而言, 强度代表在一定试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性等多种物理量的综合性能。由于通过拉力试验可以反映铸铁材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺条件下性能的差异, 因此拉力试验广泛应用于铸铁性能的检验、监督热处理工艺质量和新材料的研制。本文主要讨论生产和检验中经常使用拉力试验的方法、性能测定、测定结果数值修约等。

应力集中。拉伸试验通常采用机加工的圆形截面试

样如图1a 所示, 亦可采用矩形截面试样如图1b 所示。图中L c 为试样平行段长度, L 0为试样原始标距(或称测量伸长变形的工作长度), d 为圆形试样平行部分的原始直径, a 为矩形试样平行部分的原始厚度, b 为矩形试样平行部分的原始宽度, S 0为试样平行部分原始横截面面积, r 为过渡弧半径。拉伸试样分为比例和非比例标距两种。比例试样系按公式L 0=K

0计算确定的试样, 式中系数K 通常为

0L 0=5d , 长试样的标

5. 65或11. 3, 前者称为短试样, 后者称为长试样。短试样的标距L 0=5. 65距为L 0=11. 3

0L 0=10d , 一般都采用短比例

1 实验仪器和设备

微机控制电液伺服万能试验机; 电子引伸计; 游标卡尺; 试样打点器。

标距试样。对非比例标距试样的原始标距L 0与原始横截面面积S 0之间无上述公式表达的比例关系, 可根据GB -T 2975-1998和ISO 377-1997 钢及钢产品力学性能试验取样位置和试样制备 的要求

或金属产品供需双方商定的协议要求来确定。这里摘录国标中有关拉伸比例试样的尺寸参数和加工尺

2 实验试样

大量实验表明, 实验时所用试样的形状、尺寸、取样位置和方向、表面粗糙度等因素, 对其性能测试结果都有一定影响。为了使铸铁拉伸实验的结果具有符合性与可比性, 国家制定有统一标准。本实验按照GB /T228-2002eqv I SO6892-1998 铸铁室温拉伸试验方法 第六章试样的要求制备试样。拉伸试样由夹持、过渡和平行三部分构成。试样两端较粗段为夹持部分, 其形状和尺寸可依实验室现有使用试验机夹头情况而定; 试样两夹持段之间的均匀部分为实验测试的平行部分; 而夹持与平行两部分之间为过渡部分, 通常用圆弧进行光滑连接, 以减少

收稿日期:2011-03-21

图1 拉伸试样图

作者简介:侯志杰(1972-), 男, 从事检验工作, E -m ai :l yz m 721@163. co m, 电话:[1**********]。

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寸允许偏差分别列入表1、表2、表3中, 供读者参

考。

表1 比例试样

原始标距

试样

L 0/mm 长

圆形截面

短

10050

S 0/mm

原始横截面积圆形试样原始直径断后伸长率

2

3. 1 弹性阶段OA

d /mm 10

%A 10. A 5

.

3

78. 54

65

表2 圆形截面比例试样尺寸

一般尺寸d 20

15106

r m in 5443

L 0

短试样

L c

L 0

长试样

L c

mm

F p . 比例伸长力; F r . 弹性伸长力; F e H . 上屈服力;

F e L . 下屈服力; F m . 最大力; F k . 断裂力; L k . 断裂后塑性伸长; L c . 弹性伸长

图2 低碳钢试样拉伸图

5d

L 0+d

10d

L 0+d

表3 试样尺寸允许偏差

圆形截面试样直径d

标距部分内允许偏差d 最大与最小直径

矩形试样宽度b

mm

标距部分内允许偏差b 最大与最小宽度

5~10>10

0. 1 0. 2

0. 020. 05

10~1520~30

0. 2 0. 5

0. 10. 2

本实验采用圆形截面短比例试样, 即L 0=5d ; 亦可采用圆形截面长比例试样, 即L 0=10d 。

R p . 比例极限; R e . 弹性极限; R e H . 上屈服强度; F eL . 下屈服强度; R m . 抗拉强度; R k . 断裂应力;

A . 断裂后伸长; A e . 弹性延伸率图3 低碳钢应力延伸率图

3 实验原理

根据GB -T 228-2002和I SO 6892-1998 铸铁室温拉伸试验方法 的基本要求, 简要叙述如下:

做拉伸实验时, 利用微机控制电液伺服万能试验机的自动绘图装置或微机控制电子拉力试验机的

X -Y 函数记录仪, 可测绘出低碳钢试样的拉伸图, 即图2所示的拉力F 与伸长L u -L 0之间关系曲线。图中起始阶段呈曲线, 是由于试样头部在试验机夹具内有轻微滑动及试验机各部分存在间隙等原因造成的。分析时可将其忽略直接把图中的直线段延长与横坐标相交于O 点, 作为其坐标原点。拉伸图形象地描绘出钢材的受力变形特征以及各阶段受力与变形之间的关系, 但同一种钢材的拉伸曲线会因试样尺寸不同而异。为了使同一种钢材不同尺寸试样的拉伸过程及其特性点便于比较, 以消除试样几何尺寸的影响, 可将拉伸曲线图的纵坐标(拉力F ) 除以试样的原始横截面面积S 0, 并将横坐标(伸长 L ) 除以试样的原始标距L 0, 这样得到的曲线便与试样尺寸无关, 此曲线称为应力 应变曲线如图3所示。从曲线上可以看出, 它与拉伸图曲线相似, 更清晰表征了钢材的力学性能。拉伸实验过程分为四

在此阶段中的OP 段, 其拉力F 和伸长 L 成正比关系, 表明钢材的应力R 与延伸率(或称应变) 为线性关系, 完全遵循虎克定律, 则OP 段称为线弹性阶段。故点P 对应的应力R F 称为材料的比例极限, 如图3所示。在此弹性阶段内可以测定材料的弹性模量E , 它是材料的弹性性质优劣的重要特征之一。实验时如果当应力继续增加达到A 点所对应的应力R e 时, 则应力与应变之间的关系不再是线性关系, 但变形仍然是弹性的, 即卸除拉力后变形完全消失, 这呈现出非线性弹性性质。故A 点对应的应力R e 称为材料的弹性极限, 把PA 段称为非线性弹性阶段。工程上对材料的弹性极限(非线性阶段) 和比例极限(线弹性阶段) 并不严格区分, 而是把拉力卸掉后, 用精密仪器测定其不能恢复的塑性应变约为0. 02%, 所对应的应力值界定为规定非比例伸长应力(或称条件弹性极限) R e 0. 02, 它是控制钢材在弹性变形范围内工作的有效指标, 在工程上很有实用价值。3. 2 屈服阶段AS

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当应力超过弹性极限继续增加达到锯齿状曲线

SS 时, 在试样表面上可看到表征金属晶体滑移的迹线, 大约与试样轴线成45 方向的螺旋线。这种现象表征试样在承受的拉力不继续增加或稍微减小的情况下却继续伸长达到塑性变形发生, 这种现象称为试样材料的屈服, 其相对应的应力称为屈服应力(或屈服强度) 。试样发生屈服而力首次下降前的最高应力R e H 称为上屈服强度, 在屈服阶段不计初始瞬时效应时的最低应力R eL 称为下屈服强度。由于上屈服强度受试验速率、试样变形速率和试样形式等因素的影响不够稳定, 而下屈服强度则比较稳定, 故工程中一般要求准确测定下屈服强度R e L 作为材料的屈服极限 s 。其计算公式为R e L ( s ) =F eL /S0。如果材料没有明显的屈服现象时, 工程上常用产生规定残余延伸率为0. 2%时的应力R r 0. 2作为规定残余延伸强度, 又称条件屈服极限 r 0. 2。屈服强度(或屈服极限) 是衡量材料强度性能优劣的一个重要指标。本实验要求准确测定其屈服强度。3. 3 强化阶段S B

当过了屈服阶段后, 试样材料因发生明显塑性变形, 其内部晶体组织结构重新得到了排列调整, 其抵抗变形的能力有所增强, 随着拉力的增加, 伸长变形也随之增加, 故拉伸曲线继续上凸升高形成S B 曲线段, 称为试样材料的强化阶段。在该阶段中试样随着塑性变形量累积增大, 促使材料的力学性能也发生变化, 即材料的塑性变形性能劣化, 材料抵抗变形能力提高, 这种特征称为形变强化或冷作硬化。当拉力增加达到拉伸曲线顶点B 时, 达到最大拉力F m , 依它求得材料抗拉强度R m =F m /S 0, 它也是衡量材料强度性能优劣的又一重要指标。本实验也要准确测定其抗拉强度。3. 4 颈缩和断裂阶段BK

对于低碳钢类塑性材料来说, 在承受拉力达F m 以前, 试样发生的变形在各处基本上是均匀的。但在达到F m 以后, 则变形主要集中于试样的某一局部区域, 在该区域处横截面面积急剧缩小, 这种特征就是所谓颈缩现象。试验中试样一旦出现 颈缩 , 此时拉力随即下降, 直至试样被拉断, 则拉伸曲线由顶点B 急剧下降至断裂点K, 故称曲线B K 阶段为颈缩和断裂阶段。试样拉断后, 弹性变形消失, 而塑性变形则保留在拉断的试样上, 其断口形貌成杯锥状如图4所示。利用试样原始标距内的残余变形来

A 公式为:

断后伸长率A =断面收缩率Z =

L u -L 0

100%; L 0S u -S 0

100%。S 0

式中L 0为原始标距长度, S 0为原始横截面面积, L u 为试样断裂后标距长度, S u 为试样断裂后颈缩处最小横截面面积。

图4 低碳钢试样断口

对铸铁试样做拉伸实验时, 利用试验机的自动绘图装置可绘出铸铁试样的拉伸图, 如图5所示。实验表明, 在整个拉伸过程中试样变形很小, 无屈服和颈缩现象, 拉伸图上无明显直线段, 拉伸曲线很快达到最大拉力F m , 试样突然发生断裂, 其断口平齐粗糙, 是一种典型的脆性破坏断口如图6所示。其抗拉强度(或强度极限) R m =F m /S 0, 它远小于低碳钢材料的抗拉强度。

图5 铸铁试样拉伸图

图6 铸铁试样断口

4 实验步骤

根据试样的形状、尺寸和预估材料的抗拉强度来估算最大拉力, 使此力位于试验机量程的40%~80%内。然后选用与试样头部相适应的夹具, 以使试样安装在试验机上时夹持牢固。

在试样的原始标距长度L 0范围内, 用试样打点器细划等分10个分格线, 标距端点可做上颜色标记, 对原始标距的标记应准确到 1%, 以便观察标距范围内沿轴向变形和晶体滑移迹线的情况, 也便于试样断裂后测定断后伸长率。

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根据GB /T228-2002 铸铁室温拉伸试验方

法 中第7章的规定, 测定试样原始横截面面积。本次实验采用圆形截面试样, 应在标距的两端及中间处的两个相互垂直的方向上各测一次横截面直径d , 取其算术平均值, 选用三处中平均直径最小值, 输入电脑, 在程序运行中, 数据将自动参与运算。

安装试样, 可快速调节试验机的夹头位置, 将试样先夹持在上夹头中, 再把测力指针调零; 再升起下夹头, 将试样夹牢并使之铅直; 使试样处于完好待实验状态。经检查无误后即可开始实验。

在加载实验过程中, 可先进行位移加载, 然后进行力加载, 总的要求应是缓慢、均匀、连续地进行加载。

对低碳钢试样, 测定下屈服强度R e L , 在试样平行长度的屈服期间其应变速率应在0. 00025/s~0. 0025/s之间, 试验中平行长度内的应变速率应尽可能保持恒定; 测定抗拉强度R m 时, 试样平行长度的应变速率不应超过0. 008/s。在上述规定的应变速率的范围内选择确定一适宜的试验速率。对于铸铁试样, 测定抗拉强度R m 时, 试样平行长度的应力速率不应超过6N /mm s 。

在实验中, 对低碳钢试样, 要注意观察拉伸过程四个特征阶段中的各种现象, 观察上屈服点力F e H 值、下屈服点力F eL 值和最大力F m 值。对于铸铁试样, 观察最大力F m 值。当试样被拉断后立即停机, 并取下试样观测。

对于拉断后的低碳钢试样, 要分别量测断裂后的标距L u 和颈缩处最小直径d u 。按照GB /T228-2002中的规定测定L u 时, 将试样断裂后的两段在断口处紧密地对接起来, 尽量使其轴线位于一条直线上, 直接测量原始标距两端的距离即得L u 值。如果断口处到最邻近标距端点的距离小于或等于(1/3) L 0时, 则需要用GB /T228-2002中附录F 移位方法测定断后伸长率 的方法来计算试样断后伸长率。如图7所示, 试验前将试样原始标距L 0。细分为N (例如10) 等分, 在试验后, 以符号X 表示断裂后试样短段的标距标记, 以符号Y 表示断裂试样长段的等分标记, 此标记与断裂处的距离最接近于断裂处至标距标记X 的距离。如X 与Y 之间的分格数为n , 可按下述情况分别测定断后伸长率:

若N -n 为偶数时如图7a 所示, 测量X 与Y 之间的距离和测量从Y 至距离为(N -n ) 个分格的Z 2

-1

X Y +2YZ -L 0

100%

L 0

若N -n 为奇数时如图7b 所示, 测量X 与Y 之A =

间的距离, 和测量从Y 至距离分别为(N -n -1) 和(N -n +1) 个分格的Z 和Z 标记之间的距离, 则计算断裂伸长率公式为

X Y +2YZ +YZ -L 0

A = 100%

L 0

图7 移位方法的图示说明

5 实验性能数值修约

根据实验测定的数据, 可分别计算出材料的强度指标和塑性指标。

表4 性能数值修约

测试项目R F 、R e 、R r 、R e H 、R e L 、R m

A Z

范围>200~1000N /mm2

>1000N /mm2

10%

>10% 25%>25%

修约到1N /mm5N /mm210N /mm2

0. 5%1. 0%0. 5%1. 0%

按照GB /T228-2002中的规定, 对于上述实验中的实验结果数据要进行修约, 以便使整理出的实验数据资料简明、清晰。具体修约的数据内容按照GB /T8170-1987 数值修约规则 的规定处理。对于试样原始横截面面积的计算应修约到四位有效数字; 对于短比例试样的原始标距计算值应修约到最接近5mm 的倍数; 对于长比例试样的原始标距计算值应修约到最接近10mm 的倍数, 如为中间数值则向较大一方修约; 对于所测定性能数值的修约按表4规定执行。