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金屬拉伸試驗(yàn)位移速率與應(yīng)變速率對測定其屈服強(qiáng)度的影響及分析
1 引言
基于金屬材料拉伸試驗(yàn)中，位移速率控制與應(yīng)變速率控制是兩種不同的對實(shí)驗(yàn)進(jìn)程進(jìn)行控制的方法，兩種方法都可以用以測定金屬材料的屈服強(qiáng)度。利用材料力學(xué)開放性實(shí)驗(yàn)機(jī)會，深入進(jìn)行了應(yīng)變控制速率和位移控制速率的試驗(yàn)研究，分析及比較兩者對金屬材料屈服強(qiáng)度測定的影響。
2 試驗(yàn)設(shè)備和測試方法
試驗(yàn)設(shè)備和器材有：廣州澳金工業(yè)的WDW-100L微機(jī)控制電子試驗(yàn)機(jī)；WYU 5/50電子引伸計；千分尺；低碳鋼(Q235)和硬鋁(LY12CZ) 圓形拉伸試樣。
首先對試驗(yàn)機(jī)柔度進(jìn)行測定，在此基礎(chǔ)上分八組進(jìn)行不同速率的試驗(yàn)，其中四組采取應(yīng)變速率控制，剩下四組采取位移速率控制，每組進(jìn)行五根低碳鋼、五根硬鋁試樣試驗(yàn)，具體組織如下:
第1組:位移速率為0.5mm/ min；進(jìn)行低碳鋼(5根試樣)的彈性模量、上下屈服強(qiáng)度、屈服點(diǎn)延伸率,抗拉強(qiáng)度的測定；硬鋁(5根試樣) 的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、規(guī)定總延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的測定。
第2組:應(yīng)變速率為0.000225/S；進(jìn)行低碳鋼(5根試樣)的彈性模量、上下屈服強(qiáng)度、屈服點(diǎn)延伸率,抗拉強(qiáng)度的測定；硬鋁(5根試樣)的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、規(guī)定總延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的測定。
第3組:應(yīng)變速率為0.00025/s；進(jìn)行低碳鋼( 5根試樣)的彈性模量、上下屈服強(qiáng)度、屈服點(diǎn)延伸率,抗拉強(qiáng)度的測定；硬鋁(5根試樣)的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、規(guī)定總延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的測定。
第4組:應(yīng)變速率為0.000275/s；進(jìn)行低碳鋼(5 根試樣)的彈性模量、上下屈服強(qiáng)度、屈服點(diǎn)延伸率,抗拉強(qiáng)度的測定；硬鋁(5根試樣) 的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、規(guī)定總延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的測定。
第5組:應(yīng)變速率為0.00030/S；進(jìn)行低碳鋼(5根試樣)的彈性模量、上下屈服強(qiáng)度、屈服點(diǎn)延伸率，抗拉強(qiáng)度的測定；硬鋁(5根試樣)的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、規(guī)定總延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的測定。
第6組:位移速率為1mm/min；進(jìn)行低碳鋼(5根試樣)的彈性模量、上下屈服強(qiáng)度、屈服點(diǎn)延伸率，抗拉強(qiáng)度的測定；硬鋁(5根試樣)的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、規(guī)定總延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的測定。
第7組:位移速率為2mm/min；進(jìn)行低碳鋼(5根試樣)的彈性模量、上下屈服強(qiáng)度、屈服點(diǎn)延伸率，抗拉強(qiáng)度的測定；硬鋁(5根試樣)的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、規(guī)定總延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的測定。
第8組：位移速率為5mm/min；進(jìn)行低碳鋼（5根試樣)的彈性模量、上下屈服強(qiáng)度、屈服點(diǎn)延伸率，抗拉強(qiáng)度的測定；硬鋁 (5 根試樣)的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、規(guī)定總延伸強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的測定。
3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
不同應(yīng)變速率和位移速率測定低碳鋼力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果見表1，不同應(yīng)變速率和位移速率測定硬鋁力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果見表2。
表1 不同應(yīng)變速率和位移速率測定低碳鋼力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果
注：為了便于比較差異，力學(xué)性能數(shù)值沒有按GB/T228-2002和GB/T8653-1988規(guī)定進(jìn)行修約。
表2 不同應(yīng)變（位移）速率對硬鋁的力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)對比
注：為了便于比較差異，力學(xué)性能數(shù)值沒有按GB/T228-2002和GB/T8653-1988規(guī)定進(jìn)行修約。
從表1試驗(yàn)結(jié)果分析，用應(yīng)變速率測定低碳鋼的上屈服強(qiáng)度，范圍為298 MPa~ 367MPa，平均值為364 MPa，大分散度為10%，用應(yīng)變速率測定低碳鋼的下屈服強(qiáng)度，范圍為198MPa~ 2 81MPa，平均值為240MPa，大分散度為19%。而用位移速率測定低碳鋼的上屈服強(qiáng)度,范圍為3llMPa~ 359 MPa，平均值為332MPa，大分散度為7.2%，用位移速率測定低碳鋼的下屈服強(qiáng)度，范圍為265MPa~ 295MPa，平均值為278MPa，大分散度為5.4 %。這說明用應(yīng)變控制速率測定金屬材料的下屈服強(qiáng)度影響因素較多，測試結(jié)果很不穩(wěn)定；而位移控制速率影響因素較少，測試結(jié)果較為穩(wěn)定。從試驗(yàn)測試曲線也可看出應(yīng)變速率控制方式在材料瞬時屈服時曲線特征發(fā)生了明顯變化，而位移速率控制方式在材料瞬時屈服時曲線特征正常，見圖1和圖2。
圖1 應(yīng)變速率0.00025/s下的低碳鋼力-變形曲線
圖2 位移速率2mm/min下的低碳鋼力-變形曲線
從表2試驗(yàn)結(jié)果分析，用應(yīng)變速率測定硬鋁的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度，范圍為634MPa ~ 4 15MPa，平均值為399MPa，大分散度為6. 4%，而用位移速率測定硬鋁的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度,范圍為396MPa-414MPa，平均值為430MPa，大分散度為2.2 %。這說明用應(yīng)變速率和位移速率測定無物理屈服的金屬材料影響較小，測試結(jié)果較為穩(wěn)定?？傮w觀察，位移速率控制比應(yīng)變速率控制顯得更穩(wěn)定。從試驗(yàn)測試曲線也可看出,應(yīng)變速率控制方式和位移速率控制方式對無物理屈服的金屬材料，曲線特征正常，見圖3和圖4。
圖3 應(yīng)變速率0.00025/s下的硬鋁力-變形曲線
圖4 位移速率2mm/min下的硬鋁力-變形曲線
4 結(jié)論
從數(shù)據(jù)上分析，我們看出低碳鋼的上屈服點(diǎn)用應(yīng)變速率控制測定更能反映其真實(shí)情況，因?yàn)閼?yīng)變速率控制的測量數(shù)據(jù)比位移控制速率更為穩(wěn)定，同理，我們可以得出結(jié)論，低碳鋼的下屈服極限和硬鋁的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度的測定更適宜用位移速率控制來進(jìn)行測定。