拉伸曲线分析

试验原理：拉伸曲线分析拉伸试验的本质是对试样施加轴向拉力，测量试样在变形过程中直至断裂的各项力学性能。试验材料的全面性能反映在拉伸曲线上，因此为了对拉伸试验透彻了解，首先复习一下拉伸曲线，根据试验材料的特性，拉伸曲线可分为两种类型，典型的拉伸曲线（低碳钢）。第1阶段：弹性变形阶段（oa）两个特点：a从宏观看，力与伸长成直线关系，弹性伸长与力的大小和试样标距长短成正比，与材料弹性模量及试样横截面积成反比。b变形是完全可逆的。加力时产生变形，卸力后变形完全恢复。从微观上看，变形的可逆性与材料原子间作用力有直接关系，施加拉力时，在力的作用下，原子间的平衡力受到破坏，为达到新的平衡，原子的位置必须作新的调整即产生位移，使外力、斥力和引力三者平衡，外力去除后，原子依靠彼此间的作用力又回到平衡位置，使变形恢复，表现出弹性变形的可逆性，即在弹性范围保持力一段时间，卸力后仍沿原轨迹回复。Oa段变形机理与高温条件下变形机理不同，在高温保持力后会产生蠕变，卸力后表现出不可逆性。由于在拉伸试验中无论在加力或卸力期间应力和应变都保持单值线性关系，因此试验材料的弹性模量是oa段的斜率，用公式求得：E＝σ/εoa线段的a点是应力－应变呈直线关系的最高点，这点的应力叫理论比例极限，超过a点，应力－应变则不再呈直线关系，即不再符合虎克定律。比例极限的定义在理论上很有意义，它是材料从弹性变形向塑性变形转变的，但很难准确地测定出来，因为从直线向曲线转变的分界点与变形测量仪器的分辨力直接相关，仪器的分辨力越高，对微小变形显示的能力越强，测出的分界点越低，这也是为什麽在最近两版国家标准中取消了这项性能的测定，而用规定塑性（非比例）延伸性能代替的原因。第2阶段：滞弹性阶段（ab）在此阶段，应力－应变出现了非直线关系，其特点是：当力加到b点时然后卸除力，应变仍可回到原点，但不是沿原曲线轨迹回到原点，在不同程度上滞后于应力回到原点，形成一个闭合环，加力和卸力所表现的特性仍为弹性行为，只不过有不同程度的滞后，因此称为滞弹性阶段，这个阶段的过程很短。这个阶段也称理论弹性阶段，当超过b点时，就会产生微塑性应变，可以用加力和卸力形成的闭合环确定此点，当加卸力环第1此形成开环时所对应的点为b点。第3阶段：微塑性应变阶段（bc）是材料在加力过程中屈服前的微塑性变形部分，从微观结构角度讲，就是多晶体材料中处于应力集中的晶粒内部，低能量易动位错的运动。塑性变形量很小，是不可回复的。大小仍与仪器分辨力有关。第4阶段：屈服阶段（cde）这个阶段是金属材料的不连续屈服的阶段，也称间断屈服阶段，其现象是当力加至c点时，突然产生塑性变形，由于试样变形速度非常快，以致试验机夹头的拉伸速度跟不上试样的变形速度，试验力不能完全有效的施加于试样上，在曲线这个阶段上表现出力不同程度的下降，而试样塑性变形急剧增加，直至达到e点结束，当达到c点，在试样的外表面能观察到与试样轴线呈45度的明显的滑移带，这些带称为吕德斯带，开始是在局部位置产生，逐渐扩展至试样整个标距内，宏观上，一条吕德斯带包含大量滑移面，当作用在滑移面上的切应力达到临界值时，位错沿滑移方向运动。在此期间，应力相对稳定，试样不产生应变硬化。C点是拉伸试验的一个重要的性能判据点，de范围内的最低点也是重要的性能判据点，分别称上屈服点和下屈服点。e点是屈服的结束点，所对应的应变是判定板材成型性能的重要指标。第5阶段：塑性应变硬化阶段（ef）屈服阶段结束后，试样在塑性变形下产生应变硬化，在e点应力不断上升，在这个阶段内试样的变形是均匀和连续的，应变硬化效应是由于位错密度增加而引起的，在此过程中，不同方向的滑移系产生交叉滑移，位错大量增殖，位错密度迅速增加，此时必须不断继续施加力，才能使位错继续滑移运动，直至f点。f点通常是应力－应变曲线的最高点（特殊材料除外），此点所对应的应力是重要的性能判据。第6阶段：缩颈变形阶段（fg）力施加至f点时，试验材材料的应变硬化与几何形状导致的软化达到平衡，此时力不再增加，试样最薄弱的截面中心部分开始出现微小空洞，然后扩展连接成小裂纹，试样的受力状态由两向变为三向受力状态。裂纹扩展的同时，在试样表面可看到产生缩颈变形，在拉伸曲线上，从f点到g点力是下降的，但是在试样缩颈处，由于截面积已变小，其真应力要大大高于工程应力。试验达到g点试样完全断裂。从以上典型的拉伸曲线上，可以测定金属材料如下性能：1上屈服强度：（c点）试样发生屈服而力首次下降前的最高应力2下屈服强度：（e点）屈服期间的最低应力，要注意这里要排除初始瞬时效应最低应力点所对应的应力。（标准中3页图2a和b）。初始瞬时效应是表现于上屈服过后，力的突然降低的现象，其大小与试验机加力系统的柔度、试样的柔度、拉伸速度、试样屈服特性以及测力系统的惯性守恒各种因素有关。3抗拉强度：（f点）在最大力点所对应的应力。注意：新标准最大力的定义与GB/T228－87不同，新标准规定：最大力是指屈服阶段之后的最大力，当材料无明显屈服时，是试验期间的最大力。4屈服点延伸率：（ae）对于呈现明显屈服现象的材料，从屈服开始至均匀硬化开始之间的延伸率。要注意起点和终点的判定。5最大力总伸长率：f点处作一垂线，横座标原点与交点长度对应的伸长率（包括在此条件下的弹性伸长和塑性伸长率）。6最大力非比例伸长率：f点处作一平行于弹性段的直线，横座标原点与交点对应的伸长率。7断裂总伸长率：（g点）断裂时刻的试样总伸长率（包括弹性伸长和塑性伸长率），这里要注意的是断裂瞬间的判定，根据自动测试系统采样频率作合理测定。当扣除断裂瞬间的弹性伸长率时，则是断后伸长率A。拉伸过程中无明显屈服脆性材料（如淬火钢和高强钢）的拉伸曲线：许多脆性材料在拉伸过程中不出现明显屈服现象，只有3～4阶段：oa－弹性变形阶段ab－滞弹变形阶段bf－应变硬化阶段（对淬火钢，到f断裂，对中强钢有缩颈）在此情况下，用规定条件强度表示屈服强度：8规定塑性延伸强度Rp：规定非比例延伸率对应的应力，即在代表伸长的横坐标上取规定的伸长量，平行于弹性线段作一直线。在与曲线交点处作一水平线与力轴的交点力值所对应的应力为Rp。一般称平行线法，适用于弹性段为直线的拉伸曲线。对于弹性段不是直线的拉伸曲线，上述方法无法用，此时要用滞后环法或逐步逼近法进行测定。。9规定残余延伸强度Rr：是对于拉伸过程中不出现明显屈服现象材料，用规定条件强度表示屈服强度另一性能，包括规定残余延伸强度Rr的测定（附录I）和验证（17条）后面谈。10规定总延伸强度Rt：规定总延伸率对应的应力，即在代表伸长的横坐标上取规定的伸长量，平行于力轴作一直线。在与曲线交点处作一水平线与力轴的交点力值所对应的应力为Rt。