金屬材料及其制品拉伸試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)

一、 檢測(cè)原理

金屬拉伸試驗(yàn)是測(cè)定材料在軸向靜拉力作用下一系列力學(xué)性能指標(biāo)的基本方法。其核心原理在于通過(guò)緩慢施加遞增的軸向拉力，使標(biāo)準(zhǔn)形狀的試樣發(fā)生彈性變形、塑性變形直至終斷裂，并同步記錄載荷與變形量，從而計(jì)算出材料的各項(xiàng)強(qiáng)度與塑性指標(biāo)。

科學(xué)依據(jù)主要基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和材料科學(xué)理論：

1. 胡克定律：在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，即 σ = Eε，其中E為彈性模量，是材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)。

2. 均勻塑性變形與頸縮理論：當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度后，材料發(fā)生不可逆的塑性變形，初期變形沿試樣標(biāo)距均勻進(jìn)行。當(dāng)載荷達(dá)到大值后，塑性變形集中于局部區(qū)域，形成“頸縮”，此時(shí)應(yīng)力狀態(tài)由單向轉(zhuǎn)為三向，承載能力下降。

3. 真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線：工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線基于試樣的初始尺寸，而真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線考慮了變形過(guò)程中截面積的瞬時(shí)變化，能更真實(shí)地反映材料在塑性變形階段的硬化行為。

4. 位錯(cuò)理論：從微觀層面解釋塑性變形的機(jī)理。屈服現(xiàn)象與位錯(cuò)的啟動(dòng)和滑移密切相關(guān)，而加工硬化則源于位錯(cuò)密度的增加及其相互作用。

二、 檢測(cè)項(xiàng)目

拉伸試驗(yàn)測(cè)定的項(xiàng)目可分為強(qiáng)度指標(biāo)、塑性指標(biāo)和彈性指標(biāo)。

1. 強(qiáng)度指標(biāo)

   • 規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度 (Rp)：如Rp0.2，表示非比例延伸率達(dá)到引伸計(jì)標(biāo)距0.2%時(shí)的應(yīng)力。這是評(píng)價(jià)沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象金屬材料屈服行為的核心指標(biāo)。

   • 屈服強(qiáng)度 (ReL/ReH)：對(duì)于具有明顯物理屈服現(xiàn)象的材料，上屈服強(qiáng)度(ReH)是試樣首次下降前的高應(yīng)力；下屈服強(qiáng)度(ReL)是在屈服期間不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的低應(yīng)力。

   • 抗拉強(qiáng)度 (Rm)：試樣在斷裂前所能承受的大工程應(yīng)力，對(duì)應(yīng)于大載荷除以原始橫截面積。

   • 斷裂強(qiáng)度：試樣斷裂時(shí)的真實(shí)應(yīng)力。

2. 塑性指標(biāo)

   • 斷后伸長(zhǎng)率 (A)：試樣拉斷后，標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比。它反映了材料均勻塑性變形和集中塑性變形的能力。

   • 斷面收縮率 (Z)：試樣拉斷后，頸縮處橫截面積的大縮減量與原始橫截面積的百分比。它更純粹地反映了材料產(chǎn)生集中塑性變形的能力。

3. 彈性指標(biāo)

   • 彈性模量 (E)：在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值，也稱為楊氏模量，是材料剛度的度量。

三、 檢測(cè)范圍

拉伸試驗(yàn)廣泛應(yīng)用于幾乎所有涉及金屬材料的工業(yè)領(lǐng)域：

• 冶金行業(yè)：用于新材料的研發(fā)、冶煉工藝優(yōu)化、出廠檢驗(yàn)和質(zhì)量監(jiān)控。

• 航空航天：對(duì)高溫合金、鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等關(guān)鍵材料進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，要求高精度和高可靠性，常涉及高溫環(huán)境下的拉伸測(cè)試。

• 汽車制造：用于車身鋼板、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、懸掛系統(tǒng)等材料的性能評(píng)估，關(guān)注材料的成形性、強(qiáng)度和輕量化潛力。

• 石油化工：對(duì)管線鋼、壓力容器用鋼、鉆桿等進(jìn)行測(cè)試，要求良好的強(qiáng)度和韌性配合，尤其在低溫環(huán)境下。

• 建筑工程：鋼筋、型鋼、預(yù)應(yīng)力鋼絞線等建筑鋼材的強(qiáng)制性檢驗(yàn)項(xiàng)目，確保結(jié)構(gòu)安全。

• 軌道交通：車體材料、轉(zhuǎn)向架部件等，要求高強(qiáng)度、高疲勞性能和良好的沖擊韌性。

• 電線電纜：測(cè)定銅、鋁等導(dǎo)線的抗拉強(qiáng)度，是保證其機(jī)械性能的重要依據(jù)。

• 核電領(lǐng)域：對(duì)反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器傳熱管等材料進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，常涉及輻照后的性能評(píng)估。

四、 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)組織制定了詳盡的拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，核心在于規(guī)范試樣形狀、尺寸、試驗(yàn)速率、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果修約。

• 標(biāo)準(zhǔn)

  • ASTM E8/E8M：美標(biāo)，廣泛應(yīng)用于北美和許多貿(mào)易中。其對(duì)試樣類型、尺寸和試驗(yàn)速率的規(guī)定具有廣泛影響力。

  • ISO 6892-1：標(biāo)準(zhǔn)，在范圍內(nèi)（尤其是歐洲）被廣泛采用。它詳細(xì)規(guī)定了基于應(yīng)變速率控制和方法B（速率無(wú)關(guān)方法）的試驗(yàn)方法，旨在減小試驗(yàn)速率對(duì)結(jié)果的影響。

  • ISO 6892-2：適用于高溫環(huán)境下的拉伸試驗(yàn)。

• 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)

  • GB/T 228.1：技術(shù)上等效于ISO 6892-1，是中國(guó)境內(nèi)的金屬室溫拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。它同樣引入了應(yīng)變速率控制和方法B。

  • GB/T 228.2：金屬高溫拉伸試驗(yàn)方法。

• 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

  • 試樣尺寸：ASTM與ISO/GB在比例試樣標(biāo)距與橫截面積的關(guān)系公式上略有差異（ASTM E8中k=5.65， ISO/GB中k=5.65和11.3并存）。

  • 試驗(yàn)速率控制：這是核心差異。傳統(tǒng)ASTM E8更側(cè)重于應(yīng)力速率和橫梁位移速率。而ISO 6892-1和GB/T 228.1則強(qiáng)調(diào)在彈性階段和塑性階段分別采用應(yīng)變速率控制，并推薦了“方法B”，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定參數(shù)，使試驗(yàn)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成，同時(shí)確保速率敏感性降至低，提高了結(jié)果的重復(fù)性和可比性?，F(xiàn)代高端試驗(yàn)機(jī)已能完美執(zhí)行這些復(fù)雜控制模式。

  • 結(jié)果修約：各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)強(qiáng)度、塑性指標(biāo)的修約間隔有不同規(guī)定。

五、 檢測(cè)方法

1. 試樣制備：試樣可從實(shí)物制品上截取或使用標(biāo)準(zhǔn)試樣。加工過(guò)程需保證其形狀、尺寸精度和表面粗糙度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，避免因加工硬化或缺陷影響結(jié)果。

2. 尺寸測(cè)量：使用游標(biāo)卡尺、千分尺等精確測(cè)量試樣的原始橫截尺寸和標(biāo)距。

3. 設(shè)備校準(zhǔn)與夾持：確保試驗(yàn)機(jī)、引伸計(jì)在有效校準(zhǔn)期內(nèi)。選擇適當(dāng)?shù)膴A具（如楔形夾具、螺紋夾具等），將試樣對(duì)中夾緊，避免產(chǎn)生附加彎矩。

4. 引伸計(jì)安裝：將引伸計(jì)可靠地安裝于試樣標(biāo)距上，用于精確測(cè)量變形。對(duì)于測(cè)定Rp0.2和彈性模量E，引伸計(jì)是必需的。

5. 試驗(yàn)速率設(shè)置：嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)置試驗(yàn)速率?，F(xiàn)代試驗(yàn)通常采用：

   • 彈性階段：控制應(yīng)變速率在一個(gè)較低的規(guī)定范圍。

   • 屈服階段：保持恒定的應(yīng)變速率或采用“方法B”。

   • 塑性階段：控制橫梁位移速率，或根據(jù)方法B執(zhí)行。

6. 試驗(yàn)執(zhí)行與數(shù)據(jù)采集：?jiǎn)?dòng)試驗(yàn)機(jī)，自動(dòng)采集載荷-變形數(shù)據(jù)，直至試樣斷裂。

7. 斷后測(cè)量：將斷裂試樣的兩半拼合，測(cè)量斷后標(biāo)距和頸縮處小直徑，計(jì)算A和Z。

六、 檢測(cè)儀器

金屬拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)的核心是萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。

1. 主機(jī)框架：提供施力結(jié)構(gòu)。主要有門式（雙絲杠）和單臂式（C型）兩種。門式剛度高，承載能力大，適用于大負(fù)荷和高精度測(cè)試。

2. 加載系統(tǒng)：

   • 伺服液壓式：功率密度大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適用于大負(fù)荷（通常>600kN）、高頻率及疲勞測(cè)試。

   • 伺服電動(dòng)式：采用精密滾珠絲杠傳動(dòng)，控制精度高，清潔、安靜、維護(hù)方便，是中低負(fù)荷（通常從幾牛到600kN）靜態(tài)測(cè)試的主流選擇。

3. 控制系統(tǒng)：核心是閉環(huán)伺服控制器。它能精確控制載荷、位移或應(yīng)變，并實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制模式切換。

4. 測(cè)量系統(tǒng)：

   • 力值測(cè)量：采用高精度應(yīng)變片式力傳感器，量程范圍廣，精度高。

   • 變形測(cè)量：引伸計(jì)是關(guān)鍵部件。接觸式引伸計(jì)（如刃口式、軸向式）精度高，用于測(cè)量標(biāo)距內(nèi)的真實(shí)應(yīng)變。非接觸式引伸計(jì)（基于視頻或激光技術(shù)）適用于高溫、易損或不宜接觸的試樣。

5. 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)配備軟件，用于控制試驗(yàn)過(guò)程、實(shí)時(shí)顯示曲線、采集數(shù)據(jù)、自動(dòng)計(jì)算各項(xiàng)性能參數(shù)并生成報(bào)告。

七、 結(jié)果分析

1. 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

   • 曲線形態(tài)判斷：觀察曲線是連續(xù)屈服型還是具有明顯屈服平臺(tái)，初步判斷材料類型（如低碳鋼與鋁合金的曲線形態(tài)迥異）。

   • 性能參數(shù)讀取：軟件自動(dòng)從曲線上識(shí)別并計(jì)算Rp0.2、ReH、ReL、Rm等。對(duì)于Rp0.2，采用平行線法在曲線上作圖確定。

2. 結(jié)果評(píng)判

   • 與標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范對(duì)比：將測(cè)得的強(qiáng)度、塑性指標(biāo)與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)圖紙或采購(gòu)技術(shù)協(xié)議規(guī)定的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，判斷是否合格。

   • 材料狀態(tài)評(píng)估：通過(guò)強(qiáng)度與塑性的配合，評(píng)估材料的熱處理狀態(tài)（如退火、正火、淬火回火）。通常強(qiáng)度越高，塑性有所下降。

   • 各向異性分析：對(duì)于板材，通過(guò)測(cè)試縱向、橫向等不同方向的試樣，評(píng)估材料的塑性各向異性（Δr值）和強(qiáng)度各向異性。

   • 異常結(jié)果分析：若結(jié)果異常（如強(qiáng)度過(guò)低、塑性差、數(shù)據(jù)離散大），需排查原因：試樣加工缺陷、夾持對(duì)中不良、試驗(yàn)速率不當(dāng)、材料本身存在偏析、夾雜等冶金缺陷。必要時(shí)進(jìn)行金相分析、斷口分析以追溯根源。

3. 不確定度評(píng)估：對(duì)于高精度要求或仲裁試驗(yàn)，需對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定，考慮因素包括測(cè)量設(shè)備的不確定度、試樣尺寸測(cè)量偏差、試驗(yàn)速率波動(dòng)、數(shù)據(jù)處理方法等。