金屬材料六種伸長率的對比與分析

1、金屬材料六種伸長率的分析摘要 金屬材料伸長率分為6種：斷后伸長率、斷裂總延伸率、最大力總延伸率、最大力非比例延伸率、殘余伸長率和屈服點延伸率。本文介紹國標中各伸長率的測定方法，揭示各種伸長率的含義、用途、區(qū)別、影響因素以及換算關(guān)系。關(guān)鍵詞 伸長率；延伸率；1 前言伸長率是衡量金屬材料塑形的一項參數(shù)，其種類、定義及換算執(zhí)行國標GB/T228的規(guī)定。國標GB/T228.1-2010金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫實驗方法參照國際標準ISO6892-1:2009進行了修訂，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GB/T228-2002金屬材料室溫實驗方法。GB/T2

2、28.1-2010金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫實驗方法將伸長率分為6種：斷后伸長率（A）、殘余伸長率（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）和屈服點延伸率（Ae）。其中4項延伸率均為在應力狀態(tài)下測定的指標，2項伸長率為卸載應力后測定的指標。（在原國標GB/T228-2002金屬材料室溫實驗方法中，殘余伸長率在應力下測定）。2 伸長率種類、定義和用途GB/T228.1-2010金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫實驗方法定義伸長時采用了兩個近義術(shù)語：伸長和延伸。拉伸試驗期間任一時刻，試樣原始標距（L0）的增量稱為“伸長”；延伸可以理解為拉伸試驗期間任一給定

3、時刻，引伸計上標距（Le）的增量。試驗中用測量延伸的方法測定伸長，兩者并無本質(zhì)區(qū)別。2.1斷后伸長率國標中定義斷后伸長率：斷后標距的殘余伸長（Lu-Lo）與原始標距（L0）之比的百分率。斷后伸長率是在拉斷后的試樣上測取得，國標規(guī)定：為了測定斷后伸長率，應將試樣斷裂的部分仔細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接觸后測量試樣斷后標距。計算方法如下：A=Lu-LoL0×100%式中：L0試樣原始標距，mm；Lu斷后試樣拼接后的標距，mm。如規(guī)定的最小斷后伸長率小于5%，建議采取特殊方法進行測定試驗前在平行長度的兩端處做一很小的標記，使用調(diào)節(jié)到標距的分規(guī)，

4、分別以標記為圓心畫一圓弧。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，以使其在測量時牢固地對接在一起。以最接近斷裂的原圓心為圓心，以相同的半徑劃第二個圓弧。用工具顯微鏡或其他合適的儀器測量兩個圓弧之間的距離即為斷后伸長。如斷裂處與最接近的標距標記的距離小于原始標距的三分之一時，可采用移位法測定斷后伸長率試驗前將試樣原始標距細分為5mm到10mm的N等份，試驗后，以符號X表示斷裂后試樣短段的標距標記，以符號Y表示試樣長段的等分標記。如X與Y之間的分格數(shù)為n，按如下測定斷后伸長率：A=XY+2XY-L0L0×100A=XY+YZ'+YZ''-L0L0

5、×100斷后伸長率也可以通過引伸計測得，見圖1。圖中Lr實際上代表塑性伸長與局部縮頸伸長，計算方法如下：A=LrLe×100%圖1 用圖解法測定斷后延伸和斷裂總延伸2.2斷裂總延伸率國標定義：斷裂時刻原始標距的總延伸（彈性延伸加塑性延伸）與引伸計標距Le之比的百分率。斷裂總延伸率是在應力下測定的伸長率。試驗時記錄應力-延伸曲線，確定圖1中的C點，OC為斷裂總伸長（Lf），則斷裂總延伸率計算方法如下：At=LfLe×100%2.3最大力塑形延伸率國標定義：最大原始標距的塑性延伸Lg與引伸計上標距Le之比的百分率。在用引伸計測得的應力-應變曲線圖上，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際反映了試樣塑性變形伸長率。其計算公式如下：Ag=LmLe-RmmE×100%式中，Le引伸計標距；mE應力-應變曲線上彈性變形部分的斜率；Rm抗拉強度；Lm最大力下總延伸。也可用圖解法測定最大延伸率，見下圖：當最大力出現(xiàn)平臺時，取平臺中點的最大力對應的塑性延伸為L。此時，最大力塑性延伸率的計算如下：Ag=LgLe×100%圖2 用圖解法測定最大力延伸率方法2.4最大力總延伸率國標定義：最大力時原始標距的總延伸Lm與引伸計標距Le之比的百分率。最大力總延伸率是在應力下測定的延伸率，見圖2，將最大力點的總延伸Lm除以引伸計標

7、距Le，即為最大力總延伸率，即Agt=LmLe×100%2.5殘余伸長率殘余伸長率是在引伸計上測定的伸長率，指試樣施加并卸除指定應力后，引伸計標距的殘余伸長量與引伸計標距（Le）之比的百分率，曾稱為永久伸長率。2.6屈服點延伸率屈服點延伸率是在應力下測定的伸長率，對呈現(xiàn)不連續(xù)屈服的材料，指從應力-應變曲線圖上，均勻加工硬化開始點的延伸減去上屈服強度對應的延伸得到的延伸Ay，再用Ay除以引伸計標距Le即得到屈服點延伸率，即Agt=LyLe×100%如圖3，均勻加工硬化開始點的確定方法為：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確定。圖3 屈服點延伸率的不同評估方法(左為水平線法，右為回歸線法)2.7 小結(jié)從上述對國標GB/T228.1-2010相關(guān)內(nèi)容的解讀中不難發(fā)現(xiàn)斷后伸長率（A）、殘余伸長率（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）和屈服點延伸率（Ae）這六種伸長率（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) 對于同一件試樣，這六種伸長(延伸)率的試驗結(jié)果有顯著性的差別。2) 這六種伸長（延伸）率呈線性正相關(guān)。圖4 斷后伸長率、斷裂總延伸率、最大力總延伸率、最大力非比例延伸率對比3 影響伸長率的

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，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，伸長率往往有一定的差異。因此在制備試樣時，必須按照規(guī)定進行切取樣坯和制備試樣，國標GB/T228.1-2010金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫實驗方法中對此沒有詳細說明，詳細規(guī)定制定在國標GB/T 2975中，有特殊需求的也可按照相關(guān)產(chǎn)品標準進行。3.2 拉伸試驗速率拉伸試驗時的拉伸速率對金屬材料的伸長率有明顯影響，伸長率的值一般隨拉伸速度增加而降低。不同鋼種對速

10、率變化的敏感程度各異，到目前為止尚未找到一個公式或一個固定的數(shù)值來表示拉伸速率對伸長率的影響。因此GB/T228.1-2010金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫實驗方法根據(jù)鋼鐵材料的特性，規(guī)定測定屈服點延伸率（Ae）時，應變速度控制在0.00025/s-0.0025/s范圍內(nèi)；測定其他伸長率（或延伸率）時，應變速率應控制在不大于0.008/s范圍內(nèi)，以此來排除速率的影響。如果試驗以應力速率為基準，國標中亦有對應速率標準。3.3 試樣的幾何形狀、標距、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率和斷面收縮率。因此GB/T228.1-201

11、0中對試樣的幾何形狀、標距等進行了詳細的規(guī)定。將試樣標距分為比例標距和非比例標距兩種，凡試樣原始標距（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（標距）試樣和長（標距）試樣。國標GB/T228.1優(yōu)先推薦k=5.65的短試樣，同時規(guī)定原始標距不得小于15mm。當原始截面積太小，短試樣標距不足15mm時，可選用長試樣（優(yōu)先考慮）或非比例試樣。對于同一材料，選用不同標距測得的伸長率數(shù)值不一樣，用短試樣和長試樣測得的伸長率分別用A5.65和A11.3表示。僅當標距（引伸計標距）、橫截面形狀和

12、面積相同、或比例系數(shù)相同時，斷后伸長率才具有可比性。3.4 試樣表面光潔度、拉力試驗機的夾具、引伸計精度、試樣對中狀況和熱耗等。GB/T228.1在試樣加工、試驗設(shè)備的精準度、實驗速率、加持方法等相關(guān)條款中均有明確的規(guī)定，以此來保證試驗結(jié)果具有可比性。比如，GB/T228.1規(guī)定制備試樣應不影響其力學性能，應通過機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，應保留原軋制面。而通過沖切制備的試樣，在材料性能方面會產(chǎn)生明顯變化，尤其是屈服強度或規(guī)定延伸強度，會由于加工硬化而發(fā)生明顯變化，對于這類呈現(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、 伸長率之間的換算4.1 包氏關(guān)系式包氏在分析斷后伸長時提出，塑性均勻變形伸長是整個試樣的均勻伸長，可表示為L塑=L0；局部縮頸伸長是局部伸長?？杀硎緸椋篖縮頸=S0，則斷后伸長率A=塑性均勻變形伸長率+局部縮頸伸長率，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：隨原始標距增加，斷后伸長率減??；同一材料，試樣截面積不同，即使采用同一標距測得的斷后伸長率也不同；只有采用同一比例系數(shù)的試樣，檢測結(jié)果才有可比性。包氏關(guān)系式所反映的斷后伸長率與試樣尺寸的關(guān)系不那么準確，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 奧式公式一般認為奧式

14、公式比包氏公式更準確、更適用，其基本表達式為：A=RS0L0n式中R和n是與材料特性相關(guān)的常數(shù)。對于某種材料，取不同標距和不同截面積的試樣測定斷后伸長率，然后對測得數(shù)據(jù)進行數(shù)理分析，求出常數(shù)R和n，即可得到該材料斷后伸長率的計算公式。4.3 同牌號、不同標距鋼材斷后伸長率換算國標GB/T17600-1998鋼的伸長率換算第1部分以及鋼的伸長率換算第2部分對此有詳細規(guī)定，標準中所用公式以奧氏公式為基礎(chǔ)確定，在此不再贅述。5 各伸長率的應用在斷后伸長率（A）、殘余伸長率（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）和屈服點延伸率（Ae）這6種伸長率中，斷后伸長

15、率（A）、殘余伸長率（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項目，屈服點延伸率（Ae）一般不被選用。目前，絕大多數(shù)金屬材料試驗中都選擇測定的伸長率是斷后伸長率，原因可能是斷后伸長率是在斷裂后的試樣上測得，操作簡單，對試驗設(shè)備要求低，數(shù)據(jù)處理容易，同時在伸長率的換算方面斷后伸長率已有較為完備的體系。選用其它伸長率的實例如：GB/T11182-2006橡膠管增強用鋼絲中要求鋼絲斷裂總延伸率不小于2.0%（L0=250mm），預應力應小于10%Rm；GB/T5223-2002預應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%，消除應力光圓及螺旋肋鋼絲最大力總延