金屬材料六種伸長(zhǎng)率的對(duì)比與分析

1、金屬材料六種伸長(zhǎng)率的分析摘要 金屬材料伸長(zhǎng)率分為6種：斷后伸長(zhǎng)率、斷裂總延伸率、最大力總延伸率、最大力非比例延伸率、殘余伸長(zhǎng)率和屈服點(diǎn)延伸率。本文介紹國標(biāo)中各伸長(zhǎng)率的測(cè)定方法，揭示各種伸長(zhǎng)率的含義、用途、區(qū)別、影響因素以及換算關(guān)系。關(guān)鍵詞 伸長(zhǎng)率；延伸率；1 前言伸長(zhǎng)率是衡量金屬材料塑形的一項(xiàng)參數(shù)，其種類、定義及換算執(zhí)行國標(biāo)GB/T228的規(guī)定。國標(biāo)GB/T228.1-2010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫實(shí)驗(yàn)方法參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO6892-1:2009進(jìn)行了修訂，整體結(jié)構(gòu)、層次劃分等均與ISO6892-1:2009基本一致，代替了原國標(biāo)GB/T228-2002金屬材料室溫實(shí)驗(yàn)方法。GB/T2

2、28.1-2010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫實(shí)驗(yàn)方法將伸長(zhǎng)率分為6種：斷后伸長(zhǎng)率（A）、殘余伸長(zhǎng)率（Ar）、斷裂總延伸率（At）、最大力總延伸率（Agt）、最大力非比例延伸率（Ag）和屈服點(diǎn)延伸率（Ae）。其中4項(xiàng)延伸率均為在應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)定的指標(biāo)，2項(xiàng)伸長(zhǎng)率為卸載應(yīng)力后測(cè)定的指標(biāo)。（在原國標(biāo)GB/T228-2002金屬材料室溫實(shí)驗(yàn)方法中，殘余伸長(zhǎng)率在應(yīng)力下測(cè)定）。2 伸長(zhǎng)率種類、定義和用途GB/T228.1-2010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫實(shí)驗(yàn)方法定義伸長(zhǎng)時(shí)采用了兩個(gè)近義術(shù)語：伸長(zhǎng)和延伸。拉伸試驗(yàn)期間任一時(shí)刻，試樣原始標(biāo)距（L0）的增量稱為“伸長(zhǎng)”；延伸可以理解為拉伸試驗(yàn)期間任一給定

3、時(shí)刻，引伸計(jì)上標(biāo)距（Le）的增量。試驗(yàn)中用測(cè)量延伸的方法測(cè)定伸長(zhǎng)，兩者并無本質(zhì)區(qū)別。2.1斷后伸長(zhǎng)率國標(biāo)中定義斷后伸長(zhǎng)率：斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)（Lu-Lo）與原始標(biāo)距（L0）之比的百分率。斷后伸長(zhǎng)率是在拉斷后的試樣上測(cè)取得，國標(biāo)規(guī)定：為了測(cè)定斷后伸長(zhǎng)率，應(yīng)將試樣斷裂的部分仔細(xì)地配接在一起使其軸線處于同一直線上，并采取特別措施確保試樣斷裂部分適當(dāng)接觸后測(cè)量試樣斷后標(biāo)距。計(jì)算方法如下：A=Lu-LoL0×100%式中：L0試樣原始標(biāo)距，mm；Lu斷后試樣拼接后的標(biāo)距，mm。如規(guī)定的最小斷后伸長(zhǎng)率小于5%，建議采取特殊方法進(jìn)行測(cè)定試驗(yàn)前在平行長(zhǎng)度的兩端處做一很小的標(biāo)記，使用調(diào)節(jié)到標(biāo)距的分規(guī)，

4、分別以標(biāo)記為圓心畫一圓弧。拉斷后，將斷裂的試樣置于一裝置上，最好借助螺絲施加軸向力，以使其在測(cè)量時(shí)牢固地對(duì)接在一起。以最接近斷裂的原圓心為圓心，以相同的半徑劃第二個(gè)圓弧。用工具顯微鏡或其他合適的儀器測(cè)量?jī)蓚€(gè)圓弧之間的距離即為斷后伸長(zhǎng)。如斷裂處與最接近的標(biāo)距標(biāo)記的距離小于原始標(biāo)距的三分之一時(shí)，可采用移位法測(cè)定斷后伸長(zhǎng)率試驗(yàn)前將試樣原始標(biāo)距細(xì)分為5mm到10mm的N等份，試驗(yàn)后，以符號(hào)X表示斷裂后試樣短段的標(biāo)距標(biāo)記，以符號(hào)Y表示試樣長(zhǎng)段的等分標(biāo)記。如X與Y之間的分格數(shù)為n，按如下測(cè)定斷后伸長(zhǎng)率：A=XY+2XY-L0L0×100A=XY+YZ'+YZ''-L0L0

5、×100斷后伸長(zhǎng)率也可以通過引伸計(jì)測(cè)得，見圖1。圖中Lr實(shí)際上代表塑性伸長(zhǎng)與局部縮頸伸長(zhǎng)，計(jì)算方法如下：A=LrLe×100%圖1 用圖解法測(cè)定斷后延伸和斷裂總延伸2.2斷裂總延伸率國標(biāo)定義：斷裂時(shí)刻原始標(biāo)距的總延伸（彈性延伸加塑性延伸）與引伸計(jì)標(biāo)距Le之比的百分率。斷裂總延伸率是在應(yīng)力下測(cè)定的伸長(zhǎng)率。試驗(yàn)時(shí)記錄應(yīng)力-延伸曲線，確定圖1中的C點(diǎn)，OC為斷裂總伸長(zhǎng)（Lf），則斷裂總延伸率計(jì)算方法如下：At=LfLe×100%2.3最大力塑形延伸率國標(biāo)定義：最大原始標(biāo)距的塑性延伸Lg與引伸計(jì)上標(biāo)距Le之比的百分率。在用引伸計(jì)測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖上，從最大總延伸Lm中

6、扣除彈性延伸部分即為塑性延伸Lg。最大力塑性延伸率實(shí)際反映了試樣塑性變形伸長(zhǎng)率。其計(jì)算公式如下：Ag=LmLe-RmmE×100%式中，Le引伸計(jì)標(biāo)距；mE應(yīng)力-應(yīng)變曲線上彈性變形部分的斜率；Rm抗拉強(qiáng)度；Lm最大力下總延伸。也可用圖解法測(cè)定最大延伸率，見下圖：當(dāng)最大力出現(xiàn)平臺(tái)時(shí)，取平臺(tái)中點(diǎn)的最大力對(duì)應(yīng)的塑性延伸為L(zhǎng)。此時(shí)，最大力塑性延伸率的計(jì)算如下：Ag=LgLe×100%圖2 用圖解法測(cè)定最大力延伸率方法2.4最大力總延伸率國標(biāo)定義：最大力時(shí)原始標(biāo)距的總延伸Lm與引伸計(jì)標(biāo)距Le之比的百分率。最大力總延伸率是在應(yīng)力下測(cè)定的延伸率，見圖2，將最大力點(diǎn)的總延伸Lm除以引伸計(jì)標(biāo)

7、距Le，即為最大力總延伸率，即Agt=LmLe×100%2.5殘余伸長(zhǎng)率殘余伸長(zhǎng)率是在引伸計(jì)上測(cè)定的伸長(zhǎng)率，指試樣施加并卸除指定應(yīng)力后，引伸計(jì)標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)量與引伸計(jì)標(biāo)距（Le）之比的百分率，曾稱為永久伸長(zhǎng)率。2.6屈服點(diǎn)延伸率屈服點(diǎn)延伸率是在應(yīng)力下測(cè)定的伸長(zhǎng)率，對(duì)呈現(xiàn)不連續(xù)屈服的材料，指從應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖上，均勻加工硬化開始點(diǎn)的延伸減去上屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的延伸得到的延伸Ay，再用Ay除以引伸計(jì)標(biāo)距Le即得到屈服點(diǎn)延伸率，即Agt=LyLe×100%如圖3，均勻加工硬化開始點(diǎn)的確定方法為：根據(jù)經(jīng)過不連續(xù)屈服階段的最后的最小值點(diǎn)做一條水平線，或經(jīng)過均勻加工硬化前屈服范圍的回歸線，

8、與均勻加工硬化開始處曲線的最高斜率線相交點(diǎn)確定。圖3 屈服點(diǎn)延伸率的不同評(píng)估方法(左為水平線法，右為回歸線法)2.7 小結(jié)從上述對(duì)國標(biāo)GB/T228.1-2010相關(guān)內(nèi)容的解讀中不難發(fā)現(xiàn)斷后伸長(zhǎng)率（A）、殘余伸長(zhǎng)率（Ar）、斷裂總延伸率（At）、最大力總延伸率（Agt）、最大力非比例延伸率（Ag）和屈服點(diǎn)延伸率（Ae）這六種伸長(zhǎng)率（延伸率）不同而互有聯(lián)系，總結(jié)起來就是：1） 概念不同，所代表的含義不同。2) 對(duì)于同一件試樣，這六種伸長(zhǎng)(延伸)率的試驗(yàn)結(jié)果有顯著性的差別。2) 這六種伸長(zhǎng)（延伸）率呈線性正相關(guān)。圖4 斷后伸長(zhǎng)率、斷裂總延伸率、最大力總延伸率、最大力非比例延伸率對(duì)比3 影響伸長(zhǎng)率的

9、因素3.1 金屬材料錠內(nèi)部存在各種冶金缺陷現(xiàn)有金屬材料，無論板材還是棒料，幾乎都要經(jīng)過壓力加工，而在壓力加工過程中，金屬晶粒沿主變形方向拉長(zhǎng)，夾雜也沿變形方向排列，行程金屬纖維，造成材料各向異性，即使同一批產(chǎn)品，取樣部位和取樣方向不同，伸長(zhǎng)率往往有一定的差異。因此在制備試樣時(shí)，必須按照規(guī)定進(jìn)行切取樣坯和制備試樣，國標(biāo)GB/T228.1-2010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫實(shí)驗(yàn)方法中對(duì)此沒有詳細(xì)說明，詳細(xì)規(guī)定制定在國標(biāo)GB/T 2975中，有特殊需求的也可按照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。3.2 拉伸試驗(yàn)速率拉伸試驗(yàn)時(shí)的拉伸速率對(duì)金屬材料的伸長(zhǎng)率有明顯影響，伸長(zhǎng)率的值一般隨拉伸速度增加而降低。不同鋼種對(duì)速

10、率變化的敏感程度各異，到目前為止尚未找到一個(gè)公式或一個(gè)固定的數(shù)值來表示拉伸速率對(duì)伸長(zhǎng)率的影響。因此GB/T228.1-2010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫實(shí)驗(yàn)方法根據(jù)鋼鐵材料的特性，規(guī)定測(cè)定屈服點(diǎn)延伸率（Ae）時(shí)，應(yīng)變速度控制在0.00025/s-0.0025/s范圍內(nèi)；測(cè)定其他伸長(zhǎng)率（或延伸率）時(shí)，應(yīng)變速率應(yīng)控制在不大于0.008/s范圍內(nèi)，以此來排除速率的影響。如果試驗(yàn)以應(yīng)力速率為基準(zhǔn)，國標(biāo)中亦有對(duì)應(yīng)速率標(biāo)準(zhǔn)。3.3 試樣的幾何形狀、標(biāo)距、直徑同一材料，其試樣外形、規(guī)格不同，性能亦有所差異，比如圓形橫截面試樣比矩形橫截面試樣具有更高的斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。因此GB/T228.1-201

11、0中對(duì)試樣的幾何形狀、標(biāo)距等進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。將試樣標(biāo)距分為比例標(biāo)距和非比例標(biāo)距兩種，凡試樣原始標(biāo)距（L0）與原始橫截面積（S0）存在L0=kS0關(guān)系的稱為比例試樣，不存在上述關(guān)系的稱為非比例試樣。常用比例系數(shù)有k=5.65和k=11.3兩種，分別稱為短（標(biāo)距）試樣和長(zhǎng)（標(biāo)距）試樣。國標(biāo)GB/T228.1優(yōu)先推薦k=5.65的短試樣，同時(shí)規(guī)定原始標(biāo)距不得小于15mm。當(dāng)原始截面積太小，短試樣標(biāo)距不足15mm時(shí)，可選用長(zhǎng)試樣（優(yōu)先考慮）或非比例試樣。對(duì)于同一材料，選用不同標(biāo)距測(cè)得的伸長(zhǎng)率數(shù)值不一樣，用短試樣和長(zhǎng)試樣測(cè)得的伸長(zhǎng)率分別用A5.65和A11.3表示。僅當(dāng)標(biāo)距（引伸計(jì)標(biāo)距）、橫截面形狀和

12、面積相同、或比例系數(shù)相同時(shí)，斷后伸長(zhǎng)率才具有可比性。3.4 試樣表面光潔度、拉力試驗(yàn)機(jī)的夾具、引伸計(jì)精度、試樣對(duì)中狀況和熱耗等。GB/T228.1在試樣加工、試驗(yàn)設(shè)備的精準(zhǔn)度、實(shí)驗(yàn)速率、加持方法等相關(guān)條款中均有明確的規(guī)定，以此來保證試驗(yàn)結(jié)果具有可比性。比如，GB/T228.1規(guī)定制備試樣應(yīng)不影響其力學(xué)性能，應(yīng)通過機(jī)加工方法除去由于剪切或沖切而產(chǎn)生的加工硬化部分材料。這些材料優(yōu)先從板材或帶材上制備，如果可能，應(yīng)保留原軋制面。而通過沖切制備的試樣，在材料性能方面會(huì)產(chǎn)生明顯變化，尤其是屈服強(qiáng)度或規(guī)定延伸強(qiáng)度，會(huì)由于加工硬化而發(fā)生明顯變化，對(duì)于這類呈現(xiàn)明顯加工硬化的材料，通常通過銑或磨削等手段加工。4

13、 伸長(zhǎng)率之間的換算4.1 包氏關(guān)系式包氏在分析斷后伸長(zhǎng)時(shí)提出，塑性均勻變形伸長(zhǎng)是整個(gè)試樣的均勻伸長(zhǎng)，可表示為L(zhǎng)塑=L0；局部縮頸伸長(zhǎng)是局部伸長(zhǎng)?？杀硎緸椋篖縮頸=S0，則斷后伸長(zhǎng)率A=塑性均勻變形伸長(zhǎng)率+局部縮頸伸長(zhǎng)率，即A=+S0L0式中與是與材料特性相關(guān)的常數(shù)。從關(guān)系式中可以看到：隨原始標(biāo)距增加，斷后伸長(zhǎng)率減小；同一材料，試樣截面積不同，即使采用同一標(biāo)距測(cè)得的斷后伸長(zhǎng)率也不同；只有采用同一比例系數(shù)的試樣，檢測(cè)結(jié)果才有可比性。包氏關(guān)系式所反映的斷后伸長(zhǎng)率與試樣尺寸的關(guān)系不那么準(zhǔn)確，所以有修正公式：A=+S0L0-S0L0×SS0式中S為縮頸處最小截面積。4.2 奧式公式一般認(rèn)為奧式

14、公式比包氏公式更準(zhǔn)確、更適用，其基本表達(dá)式為：A=RS0L0n式中R和n是與材料特性相關(guān)的常數(shù)。對(duì)于某種材料，取不同標(biāo)距和不同截面積的試樣測(cè)定斷后伸長(zhǎng)率，然后對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理分析，求出常數(shù)R和n，即可得到該材料斷后伸長(zhǎng)率的計(jì)算公式。4.3 同牌號(hào)、不同標(biāo)距鋼材斷后伸長(zhǎng)率換算國標(biāo)GB/T17600-1998鋼的伸長(zhǎng)率換算第1部分以及鋼的伸長(zhǎng)率換算第2部分對(duì)此有詳細(xì)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)中所用公式以奧氏公式為基礎(chǔ)確定，在此不再贅述。5 各伸長(zhǎng)率的應(yīng)用在斷后伸長(zhǎng)率（A）、殘余伸長(zhǎng)率（Ar）、斷裂總延伸率（At）、最大力總延伸率（Agt）、最大力非比例延伸率（Ag）和屈服點(diǎn)延伸率（Ae）這6種伸長(zhǎng)率中，斷后伸長(zhǎng)

15、率（A）、殘余伸長(zhǎng)率（Ar）、斷裂總延伸率（At）、最大力總延伸率（Agt）、最大力非比例延伸率（Ag）是成品金屬材料常選用的檢測(cè)項(xiàng)目，屈服點(diǎn)延伸率（Ae）一般不被選用。目前，絕大多數(shù)金屬材料試驗(yàn)中都選擇測(cè)定的伸長(zhǎng)率是斷后伸長(zhǎng)率，原因可能是斷后伸長(zhǎng)率是在斷裂后的試樣上測(cè)得，操作簡(jiǎn)單，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備要求低，數(shù)據(jù)處理容易，同時(shí)在伸長(zhǎng)率的換算方面斷后伸長(zhǎng)率已有較為完備的體系。選用其它伸長(zhǎng)率的實(shí)例如：GB/T11182-2006橡膠管增強(qiáng)用鋼絲中要求鋼絲斷裂總延伸率不小于2.0%（L0=250mm），預(yù)應(yīng)力應(yīng)小于10%Rm；GB/T5223-2002預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲中要求冷拉鋼絲最大總延伸率不小于1.5%，消除應(yīng)力光圓及螺旋肋鋼絲最大力總延