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材料简析丨金属材料拉伸实验影响因素

材料简析丨金属材料拉伸实验影响因素

-引言-

拉伸测试作为表征金属材料强度、塑性和刚度的常见手段,具有操作简单、成本低等优点,在工业及科研中均大量使用。金属增材制造作为一个新兴的先进制造技术,在航空航天、医疗、汽车等行业应用越来越广泛,但也存在性能波动大、批次稳定性差的问题,因此对金属增材制造构件强度、塑性及弹性模量等力学性能的表征和分析是增材制造材料工程师的重要工作,也是改进和优化工艺技术的重要手段。鉴于此,本文对拉伸测试的影响因素,尤其是弹性模量的影响因素进行分析和探讨,以起抛砖引玉之效。

应变速率的影响

研究表明,对于2024铝合金(10组数据均值,表1),随应变速率增加,抗拉强度略有下降,屈服强度增加,断面收缩率及伸长率下降,弹性模量增加。

表1 不同应变速率下2024铝合金拉伸性能

同轴度的影响
拉伸测试中,系统的同轴度误差来源于三方面:试样同轴度、设备同轴度和工装同轴度,如表2。资料显示,系统的同轴度对弹性模量有很大影响,当同轴度存在较大误差时,拉伸过程试样不仅受到拉力,还受到一个弯矩(图1)。以图2为例,在弯矩作用下,试样发生弯曲,很显然,试样左右侧的变形量不同,左侧的伸长量>右侧,由于引伸计刀口是压在试样的一侧,当刀口压在右侧时,应变变小,测得的弹性模量偏大,当刀口压在左侧时,应变变大,弹性模量偏小。由于试样装夹位置的随机性,因此,造成弹性模量的分散性很大。需要注意的是,国标GB/T 228.1未对测试设备的同轴度和夹具的同轴度做出明确要求,且控制二者的同轴度精度亦比较困难,ISO 6892-1、GB/T 22315则对拉伸法测试弹性模量做出了详细的要求,对比见表3。因此,引伸计的装夹方式成为了提高弹性模量的重要手段,目前提高弹性模量的方法主要有:1)采用双引伸计法。即在拉伸试样轴线对称各装1个引伸计,测试两侧的变形,再在电路中取均值,这样就抵消了弯曲变形的影响,得到了纯拉伸的变形。表4~表6为相关的测试结果,可以看出,这种方法是有效的,ISO6892-1也是这么要求的。但仪器较贵,且安装比较复杂;2)在同一试样不同方向测试多个数据,取平均值。试验时,先在试样0℃方向上装夹引伸计,加力至某一弹性变形范围内,然后卸载,在同一试样的90、180、270°方向进行相同的操作,分析测试各方向上的弹性模量,取均值。
因此,对于拉伸测试出现的弹性模量离散性大的问题,可能的原因有:1)“设备+工装+试棒”同轴度差;2)引伸计的加载方式不规范,采用单引伸计进行测量;3)原始数据处理不规范。

表2 系统同轴度误差分类

 

表3 三种标准对弹性模量的测试要求对比

图1 试样定位误差表现形式

 

图2 受力变形示意图

表4 2024铝合金拉伸法弹性模量测试结果对比

表5 低碳钢弹性模量测试结果

表6 硬铝弹性模量测试结果

试样尺寸的影响
试样形状
有文献表明,机加工状态的棒状拉伸试棒和轧制状态的板状拉伸试棒测试结果存在差异(表7)。棒状试棒的伸长率高于板状的,强度则无显著规律。造成这种差异的原因有2个:1)棒状试样经过机加工,表面光滑,缺陷较少,而板状试样为轧制面,表面缺陷相对多一些;2)二者在拉伸时的应力和应变状态不同,棒状试样拉伸时四周缩变均匀,而板状试样不是。

表7 试样形状对拉伸性能的影响

试样宽度
对于冷轧板,在标距一定时,随试样宽度增加,抗拉和屈服强度均下降,伸长率上升,如表8其原因为:试样宽度增加,派生应力增加,试样由单向拉伸逐渐转向平面应力状态,从而使参加流变的材料逐渐增多。

表8标距一定时,试样宽度对拉伸性能的影响

平行长度
文献表明,平行长度对抗拉和屈服无显著影响,但对伸长率有显著影响,如表9。其影响机理为:强度指标仅取决于试样的最小截面上所承受的应力,当截面一样时,强度指标应该相同,伸长率均值先随平行长度的增加而提高,当平行长度达到一定值后,伸长率则趋于稳定且略有下降,这种情况下,试验夹具和过渡圆弧不再影响标距部分的变形,失稳点既可出现在标距内,也可出现在标距外。平行长度越长,试样在中部断裂的几率越小,伸长率离散性变大,因此,平行长度应有一个最佳范围。

表9 标距一定时,平行长度对拉伸性能的影响

提高拉伸法(静态法)弹性模量精度的方法和建议
上文已提及,GB/T228.1对抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩率的测试进行了规定,未对弹性模量的测试提出明确的要求。基于单向拉伸法测试弹性模量的规范文件是ISO6892-1和GB/T 22315中的静态法,显然,这两个文件中的测试条件和数据处理均比较严格和规范,其中,ISO 6892-1最为严格。结合加工、测试设备现状以及学者的研究,拉伸过程采用2组引伸计存在较大难度,可操作性差,因此,经济、简便、可行的方法是:拉伸测试时,测试4个方向的弹性模量,取其均值,具体操作为:
1)标记试样标距
2)沿标距线周向标记0°、90°、180°、270°方位
3)试样装夹
4)安装引伸计,刀口对应0°位置
5)加载力至材料屈服强度的50%
6)卸载力
7)改变引伸计刀口位置,分别压在90、180、270°位置,重复上述 2)~ 6)步骤
8)截取屈服强度的10%~40%之间的数据点,进行拟合,得出弹性模量,取均值作为材料的弹性模量
9)测试强度和塑性。按照正常的拉伸流程,将已测试过弹性模量的试棒拉断,测试强度和塑性(测试弹性模量的试棒对后续的拉伸测试结果无影响,已有相关研究)
 
工欲善其事,必先利其器。随着增材制造技术的发展,产品的服役环境也日益复杂恶劣,相应的对材料的性能要求也会越来越严格,因此,优化检测方法,提高测试精度对提升增材制造产品性能具有重要的指导意义,同时也会促进增材制造产品表征技术的标准化。
 
 
参考文献
1)赵麦英,陈光南,试样几何因素对拉伸性能的影响,30-32
2)侯永亮,王斌斌,江涛,刘二虎,拉伸试验机同轴度检测方法的探讨。冶金与材料,2017,37(6):40+42
3)胡国华,唐亮,艾彦,电子引伸计的反走现象,理化检测-物理分册,2009,45:586-587
4)赵元,拉伸试验的同轴度分析,工程与试验,2008,S:22-25
5)张先锋徐魁龙 杜卓同张欣耀,高灵清,国际能力验证试验结果分析及对拉伸试验的改进,中国检验检测,2020,6:113-115
6)高倩倩,胡本润,杨伟,应变速率对2024铝合金拉伸性能的影响研究,热加工工艺,2014,43(12):113-116
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