金属拉伸速度对强度影响的控制_.pdf
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机电技术2008年第2期机械设计制造38金属拉伸速度对强度影响的控制金属拉伸速度对强度影响的控制章荣建(福建省南平市特种设备监督检验站,福建南平353000)摘要:
摘要:
介绍了以低合金结构钢作为研究对象,进行力学拉伸试验,通过试验和理论分析及公式推导,提出直接控制拉伸速度的操作方法,控制金属拉伸速度对强度的影响,有利于提高对金属材料强度测试的准确性。
关键词关键词:
拉伸速度屈服强度速率控制中图分类号中图分类号:
TG35文献标识码:
文献标识码:
A文章编号文章编号:
1672-4801(2008)02-38-031概述1概述金属材料强度指标主要是通过力学拉伸试验测得,而力学拉伸试验的拉伸速度对力学性能指标,如屈服强度等的测试均存在不同程度的影响。
若在试验中不能控制好拉伸速度,则影响数据的准确性。
国内外大量实验证明:
试样的变形速度直接影响试样的结果,对屈服强度和屈服的影响最为显著。
因此本文从金属学角度分析了拉伸速度影响屈服强度的机理,通过试验数据说明金属材料的拉伸速度对其屈服强度存在较大的影响,并提出一种比较方便、直观的控制拉伸速度的操作方法,为提高金属材料强度测试的准确性提供参考。
2拉伸速度影响屈服强度的机理2拉伸速度影响屈服强度的机理金属材料实质上就是金属晶粒按照一定结构的堆积,因而在力学拉伸试验中,试样开始屈服时,晶粒结构薄弱的局部区域首先产生塑性变形滑移带,在某一应力作用下将这一滑移带扩展到整个试样,屈服点就是这起始塑性变形的抗力,上屈服点相当于产生塑性变形滑移带的形核应力,而下屈服点就相当于滑移带生长扩展的应力。
任何一种金属都有自己塑性变形的传播速度,如果加载速度大于它本身的塑性传播速度,必然是形变抗力即屈服点提高。
这是因为加载速度太快,导致外力方向的晶面转动不充分,滑移在整个试样的生长扩展中就会受阻,在宏观上表现为起始塑性变形抗力的提高。
此外,随着变形硬化的产生,自发消除硬化的回复无法进行,而形变硬化又会阻碍形变的继续发展,因此,要达到所需的残余形变,就必须继续增加外力,这也表现为起始塑性变形抗力的提高。
在拉伸试验中,来自试验机的外力,即负荷,作用于试样上,使试样内部产生了抗力,即应力。
金属材料的变形、屈服、断裂都是由应力引起的。
因此力学拉伸过程就是试验机负荷作用于试样上,在试样内部产生应力,所谓应力是指材料在单位截面积上的内力。
金属材料的应力使金属晶体发生滑移,而导致金属的塑性变形,其变形量与试样原始截面积的比值我们称之为应变。
由此可知,试验时加载速度的快慢决定了负荷速率和应力速率的大小,从而也决定了应变速率的大小。
因此,当加载速度(即拉伸速度)太快,必然是负荷速率增大,受其影响,金属材料(试样)的应力速率和应变速率也增大,导致屈服强度和抗拉强度的提高,从而影响到测试数据的准确性。
那么不同拉伸速度对屈服强度和抗拉强度的影响程度究竟有多大,我们可以用具体的试验来加以说明。
3不同拉伸速度对屈服强度和抗拉强度的影响3不同拉伸速度对屈服强度和抗拉强度的影响3.1试验条件3.1试验条件
(1)使用WE-60型万能材料试验机,150KN度盘,秒表及曲线绘图装置。
(2)试样选取HRB33512mm带肋钢筋,从一根钢筋上截取25段分成四级,每组5根试样。
为保证试样合格,按国家标准化验其化学成分,其成分(见表1),符合GB14991998的要求。
表1低合金结构钢HRB335试样化学成分钢号C(%)Si(%)Mn(%)P(%)S(%)20MnSi0.200.521.290.0230.0193.2力学拉伸试验3.2.1平均应力速率的设定3.2力学拉伸试验3.2.1平均应力速率的设定为了观察不同应力速率对屈服强度测定值的影响,我们将试样分为五组,每组应力速率设定为:
第一组2530N/mm2S-1;第二组3540N/mm2S-1;第三组4550N/mm2S-1;第四组5560N/mm2S-1;第五组6570N/mm2S-1。
3.2.2平均应力速率的公式推导3.2.2平均应力速率的公式推导载荷增加量FFS-F0由于F00,则FFS平均应力速率为:
F/(S0t)FS/(S0t)
(1)机械设计制造机电技术2008年第2期39式中:
F载荷增加量;F0起始负荷;FS屈服点负荷;S0试样原始横截面积;t达到负荷增加量所需时间。
3.2.3应力速率的控制与测量3.2.3应力速率的控制与测量对于选定的金属材料,其屈服强度和抗拉强度基本是一个相对固定的量,因此根据式
(1)试验时只要控制加载时间t,就可以控制应力速率了。
为了使每一组的应力速率在所要求的范围内,首先对试样进行试拉,同时记录载荷从0至FS所需的时间。
对于试拉试样:
S01223.14/4113.04mm2FS43.6KN43600Nt10.1s由以上数据可以计算出:
屈服强度SFS/S043600N/113.04mm2385.7N/mm2385.7MPa平均应力速率FS/(S0t)S/t385.7N/mm2/10.138.19N/mm2S-1在本试验中,有了试拉试样的平均应力速率及达到负荷增加量所需时间t的数据作为参考,可以从试验机表盘直接读出屈服点负荷FS,用秒表测出达到负荷增加量所需时间t,并加以控制,然后按照应力速率公式求出。
应力速率保留两位小数,屈服强度和抗拉强度值保留一位小数,试验数据见表2。
表2力学拉伸试验数据屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)试样组号应力速率(N/mm2S-1)测试值均值平均偏差测试值均值平均偏差1258237685515227383704548032572378755354283137575475
(1)527483780375.92.35495550.02.01401238085530237853748554033823400055754394237835445
(2)535763884384.57.85525552.32.01475438795535245723799554534970409755004491839945575(3)549423928393.98.55550554.11.91582238565650255723813556535861396555804594440825605(4)560123988394.18.55675561.52.91664240375655267864148559536883417056754707643855595(5)569354074416.39.25660563.53.33.3试验结果分析3.3.1拉伸速度3.3试验结果分析3.3.1拉伸速度从试验结果数据可看出拉伸速度较慢时,各组的强度值都非常接近,在试验数据中表现为平均偏差较小。
随着如应力速率的增大,各组的强度平均值、平均偏差呈增大趋势,在屈服强度值中尤为明显。
这表明应力速率的增加会导致金属强度,特别是屈服强度增加,各组强度值的差值亦增加,从而使数据可比性减弱。
3.3.2屈服强度与抗拉强度3.3.2屈服强度与抗拉强度从数据上看,试验速度较慢时,屈服强度与抗拉强度相差比较大;试验速度愈快,屈服强度机电技术2008年第2期机械设计制造40与抗拉强度的差值逐渐减小。
这表明,拉伸速度对金属材料的强度存在影响:
拉伸速度增大,金属材料的强度值随之增大,其中拉伸速度对屈服强度的影响尤为明显。
若在试验中不能很好地控制拉伸速度,则使数据的可比性减弱。
4拉伸速度的控制4拉伸速度的控制根据材料力学理论,金属拉伸时,外加载荷作用于试样,使金属材料内部产生应力,也就是说,材料内部所受到的应力源于外力(即载荷)作用,负荷速率的大小决定了应力速率和应变速率的大小。
负荷速率也就是我们通常所说的拉伸速度。
因此,要实现对应力速率和应变速率的控制,就要对拉伸速度实施有效控制。
国家标准GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法10.1.1规定:
测定上屈服强度时,在弹性范围和直至上屈服强度,试验机夹头的分离速率应尽可能保持恒定并在表4规定的应力速率的范围内;10.1.1规定:
测定下屈服强度时,在试样平行长度的屈服期间应变速率应在0.00025/s0.0025/s之间。
任何情况下,弹性范围内的应力速率不得超过表4规定的最大速率。
虽然表4试验速率规定了应力速率在6N/mm2S-160N/mm2S-1的控制范围,但是应力速率直接操作控制仍不直观,并且也不可能每次都由秒表校对一下操作时的控制速率,在试验时靠对表,是难以控制应力速率的。
从以上分析可知,拉伸速度超过材料的塑性应变,材料内部位错运动不完全和硬化回复不完全,引起屈服点上升。
为保证屈服强度的可比性,国家标准提倡采用应变速率控制,但是应变速率是个微小的变量,测控极不方便,一般都不使用这种方法操作控制。
但是,对负荷速率控制(即拉伸速度)则比较简便、直观。
那么,如何控制拉伸速度呢?
可以由平均应力速率公式推导出负荷速率而加以控制,从而实现对拉伸试验应变速率的控制,使试验条件达到国家标准的要求。
由在弹性范围内平均应力速率公式
(1)可得出:
F/(S0t)则:
F/tS0
(2)式
(2)中F/t即负荷速率,在实际试验中可由控制拉伸速度获得。
由于控制拉伸速度只需要通过调节万能材料试验机的送油阀的大小,在试验中具有直观易操作的优点。
由于在拉伸试验中圆形试样最为常见,为方便起见,对于圆形试样和矩形试样,可以进一步推导出负荷速率控制(拉伸速度)的范围。
对于圆形试样:
S0d02/40.785d02式中:
d0圆形试样平行长度部分的原始直径将标准要求的应力速率在660N/mm2S-1分别代入,则:
F/tS00.785d024.71d0247.1d02(NS-1)为便于记忆可取F/t4.7d0247d02(NS-1)即对于圆形试样,在弹性范围内拉伸速度应控制在4.7d0247d02(NS-1)之间。
对于矩形试样矩形试样的原始横截面积S0a。
b。
式中:
a。
一试样的原始厚度b。
试样的原始宽度对于矩形试样,一般采用b。
3005mm若取b。
30mm则:
S。
a。
b。
30b。
根据标准的范围是660N/mm2S-1则F/t180a。
1800a。
(NS-1)这就是说矩形试样在弹性范围内拉伸速率即负荷速率应控制在180a。
1800a。
NS-1之间。
5结论5结论
(1)由于金属的位错滑移等原因,试验速度控制不同屈服强度是有差别的,有时差别还比较大,只有拉伸速度统一在规定的范围内,屈服强度才具有可比性。
(2)在试验中可以采用直接控制负荷速率的方法,应用公式法,将试样规格代入公式,从而计算出负荷速率。
将应力速率控制在国家标准规定的范围内,这种方法简单、直观,同时也保证了试验数据的准确性,具推广价值。
参考文献:
参考文献:
1崔忠圻等.金属学与热处理原理M工业大学出版社2004年出版.2GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法S.3国家机统编械工业委员会统编金属机械性能M机械工业出版社1988年出版.作者简介作者简介:
章荣建,(1967年),男,工程师,主要从事:
金属材料及机电类特种设备的检验检测工作。
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