單向靜拉伸試驗是工業(yè)上應用最廣泛的金屬力學性能試驗方法之一，其中抗拉強度代表金屬材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力，屈服強度代表金屬材料起始塑性變形抗力，伸長率考量的是材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力[1]。

1、試 驗

1.1 試樣制備

選擇 6個批號經(jīng)退火熱處理，規(guī)格為δ8的TA2鈦板材，每個批號分成兩組，一組按照國標 GB/T228.1中表 D.2 矩形橫截面比例試樣中的 P7加工試樣，試樣寬度20mm，平行段長度 70 mm。另一組按照美標ASTM E8/E8M-16a 加工成寬度為 12.5 mm，標距為50 mm的試樣。

1.2 試驗設備

采用美特斯 CMT5205電子拉力試驗機，配備 0.5級 20 kN負荷傳感器和 0.5級標距為 50 mm的電子引伸計。

1.3 試驗方案

GB/T228.1-2010中方法 A定義了兩種不同的應變速率控制模式，基于引伸計反饋得到的應變速率^e_Le 和根據(jù)平行部分估計的應變速率 ^e_Le 。對于不能直接控制應變速率的試驗機可通過^e_Le 與平行長度L_c的乘積得到恒定的橫梁位移速率。應變速率在試驗的不同階段有著不同的要求，方法 A中給出了 4種速度范圍，分別適用于試驗的各個階段[3]。本試驗采用試樣平行長度和應變速率估算橫梁位移速率V_c。

V_c=L_c×^e_Le （1）

式中： ^e_Le 為平行長度估算的應變速率； L_c為試樣平行長度。

采用國標進行拉伸試驗時，利用公式 1計算屈服前 橫梁位移速率可選擇范圍為 0.235 2~1.26 mm/min，屈服后為 0.84~33.786 mm/min。根據(jù)美標進行試驗時屈服前應變速率計算范圍為 0.5~1 mm/min，屈服后2.5~25 mm/min[4]。

本次試驗選用 6個批號的 TA2板材加工成拉伸試樣，每個批號分別加工成一個國標試樣和兩個美標試樣。采用國標拉伸時，屈服前速率選用 0.3 mm/min。采用美標拉伸試驗時，其中一個試樣拉伸試驗時屈服前速率選用 0.3 mm/min，另外一個試樣拉伸試驗時，其中三個批號屈服前拉伸速率選用 0.6 mm/min，另外三個批號屈服前拉伸速率選用 0.9 mm/min，分別用于國標試驗方法的比對和采用相同方法時比對拉伸速度對屈服和抗拉強度的影響。試樣屈服后應變大于 2%時摘取引伸計，屈服后拉伸速度全部選用10 mm/min。

2、試驗結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果

拉伸試驗結(jié)果如表1所示。

2.2 國標與美標試驗方法對拉伸結(jié)果的影響

由表 1可以看出，美標試驗方法比國標試驗方法在抗拉強度 R_m和屈服強度 R_P0.2結(jié)果中呈現(xiàn)出整體偏大現(xiàn)象，批號不同，偏大程度不同。對國標和美標兩種寬度的試樣進行理想化處理，國標試樣寬度為20mm，寬度和厚度比值較大，將試樣的受力情況簡化為只受縱向的應力，處于平面應力狀態(tài)。美標的試樣寬度為 12.5mm，寬度和厚度比值變小，橫截面接近于正方形，拉伸試樣原來所受的單向應力狀態(tài)被破壞，出現(xiàn)三向應力狀態(tài)，在三向應力狀態(tài)下，材料的塑性變形比較困難，為了繼續(xù)塑性變形，就必須提高軸向應力，最終的結(jié)果表現(xiàn)為美標的抗拉強度和屈服強度都比國標的要高[5]。

2.3 拉伸速率對拉伸試驗結(jié)果的影響

采用美標試驗方法試驗時，屈服前速率為 0.6mm/min 比 0.3 mm/min 屈服強度平均大約 7 M Pa。

0.9 mm/min 比 0.3 mm/min 屈服強度平均大約 11 MPa，隨著應變速率的增大，屈服強度隨之增大，且有減緩趨勢。其主要原因是隨著應變速率的增加，晶體開動的位錯源數(shù)量增多，滑移系增多，不同位錯源釋放出的位錯，導致位錯密度增大，位錯之間形成位錯鎖、位錯塞積或纏結(jié)等交互作用，阻礙位錯運動能力增強，這就需要更大的外力才能繼續(xù)維持其應變[2][3][6]，這也從一定程度上解釋了屈服強度隨應變速率的增大而增大的原因。屈服后，應變速率相同，抗拉強度和斷后伸長率則不受影響。

3、結(jié)論

（1）分別采用國標與美標試驗方法進行TA2鈦板材拉伸試驗時，在應變速率相同的情況下，美標試驗方法比國標試驗方法在抗拉強度 R_m和屈服強度 R_P0.2結(jié)果中呈現(xiàn)出整體偏大情況，批號不同，偏大程度不同。斷后伸長率國標比美標大 0.5%~1.5%，屈服強度和抗拉強度的差值基本保持一致。

（2）鈦及鈦合金具有連續(xù)屈服特征，采用美標方法拉伸時，屈服前，不同應變速率對屈服強度的影響較為明顯，0.6 mm/min比 0.3 mm/min進行試驗時屈服強度平均大約 7 M Pa；0.9 mm/min比 0.3 mm/min屈服強度平均大約 11 M Pa，隨著應變速率的增大，屈服強度隨之增大，且有減緩趨勢。屈服后，應變速率相同，抗拉強度和斷后伸長率則不受影響，從而也體現(xiàn)出隨著屈服前應變速率的提高。

參考文獻

[1]束德林.工程材料力學性能[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2017：9-23.

[2]劉智恩.材料科學基礎[M]. 陜西：西北工業(yè)大學出版社，2007：212-233.

[3]GB/T228.1-2010 金屬材料室溫拉伸試驗方法第 1 部分：室溫試驗方法[S].

[4]ASTM E8/E8M-16a StandardTestMethodsforTensionTesting ofMetallicMaterials[S].

[5]武延民.鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的力學機理及其工程設計方法研究[D].清華大學，2005 .

[6]張先鋒，徐魁龍，陳慶壘，孫前進 .應變速率對 TC4合金拉伸試驗的影響 [J].熱加工工藝，2014，43（22）:79 .

相關鏈接