金属材料拉伸性能及测试方法研究

李天海

（山东省冶金科学研究院有限公司，山东 济南 250022）

在机械加工中，对金属材料性能要求较高，加工过程中，加工的条件、位置、温度等都是影响金属材料拉伸性能的元素[1]。大多数金属材料具有较好的延展性，拉伸性能较好，在加工中能够将金属材料做成原胚[2]。金属材料在冷加工时会产生组织结构的参与，使得材料的精密度不同。进行拉伸实验时，根据金属材料表面直径大小的不同，取样的位置也存在不同，最后获取到的实验结果更加接近于实际情况[3]。大多数情况下，金属材料呈现出的整体性能大部分是相同的，常规状态下难以区分出不同，但是当外部产生作用力时，金属材料的形态改变多数是依靠自身的拉伸方式完成[4]。在金属材料受到外力作用进行拉伸时，其强度会根据外力的力度、温度的变化而改变[5]。一旦金属材料自身的拉伸控制性能变差，导致金属材料容易断裂，存在严重的安全隐患[6]。金属材料拉伸性能包括材料的拉伸强度、断裂强度以及延伸率三大指标。适当地调节材料的弹性应力速率，能够提高材料的拉伸强度，呈现出高于常规强度的特性[7]。不同的金属材料对操作速率的敏感程度各异，各项性能指标的变化也出现不同。在金属材料的断裂强度操作中，自身变化的规律性不强，基本上是在一定的范围内波动。金属材料的拉伸强度测试能够有效提高金属材料的使用寿命，也是金属结构材料加工的重要基础。因此，提出了金属材料拉伸性能及测试方法的研究。

1 金属材料拉伸性能测试方法

1.1 实验准备

本文实验主要采取对比方法，将材料性质、大小、质量相同的测试材料分别制作成较大型的试样，能够在大型的试验机上进行实验测试，以及小型装置适用的试样两种。本实验采用的大型试验机为某科学实验室研发的万能试验机。将等比例放大的金属试样装放置于机器中间位置，在试样上安装引伸需要的仪器，主要目的在于测量试样的运动变化情况，计算金属传动件的理论校核参数。两种实验试样的拉伸参数如表1所示。

表1 两种实验实验的拉伸参数

1.2 实验方法

构建金属材料拉伸复合加载模型。金属材料拉伸性能测试方法，在测试的过程中需要同时采集多种变化的元素，例如拉伸与弯曲的载荷变化、拉伸运动材料的位移和弯曲幅度等。金属整体具有拉伸与弯曲两种驱动变化的特性。在测试过程中，整个拉伸板块与弯曲板块的变化是不同的，但是存在一定的规律，均发生整体平移情况。传感器对于拉伸与弯曲的信号产生不同的作用，通过轴线方向的不同，分别采集不同的信号装填。拉伸发生位移时，金属的相对压头产生移动，载荷信号与位移信号存在相互干扰的情况。为了降低信号之间相互干扰对测试结果的影响，本文构建了拉伸性能复合加载模型，其复合加载模型两端固定式受力结构，如图1所示。

图1 复合加载模型两端固定式受力结构

如图1所示，在A、B之间同时具有拉伸弯曲变化时，相互干扰的作用明显，对二者之间的距离L形成纵向拉长，使其L值发生改变。由于材料两端设置了固定端装置，金属的拉伸性能发生改变，拉伸载荷F也会随之改变。即拉伸载荷受拉伸作用力与跨距的影响。

计算金属传动件的理论校核针对所构建的拉伸性能复合加载模型，对其金属传动件进行理论校核计算，应用ANASYS软件进行模态分析，使其刚度满足测试方法的要求。拉伸模块中，各级减速之后驱动丝杠的旋转运动逐渐转化为平稳的直线运动。根据原始条件的改变，对直线运动中各部件中的转矩、传动效率进行计算。金属材料发生拉伸改变时，丝杠转动改变转矩，其轴向力和传动链之间的关系可以表达为：

式中，T表示丝杠与螺母的转矩；Pm表示导程；η表示传动效率；F表示金属工作中的轴向力。在拉伸性能加载模块中，采用直流电机驱动，通过传动减速装置将其转化为滚珠丝杠的旋转运动。为了证明实验的可行性，对金属传动件的理论校核进行了计算。

控制金属拉伸性能的速率 测试金属材料拉伸性能可以根据金属应变速率和应力速率的变化完成测试，实际操作中，根据材料的特点及测试方法选择合适的速率控制方法。在金属材料上安装引伸计，根据引伸计的信号变化按照测试标准控制拉伸的应变速率，直到拉伸性能测试结束后。采用引伸计测试方法中，大多数都可以根据引伸计信号的变化控制应变速率，能够在一定程度上降低金属柔韧度对测试结果的影响，使测试结果准确性较高。

如果金属材料不能安装引伸计控制应变速率，可以通过分离速率途径控制应变速率。拉伸测试时拉伸强度的极限会发生极小的变形，此时采用较精密的仪器能够测出较小的应变量，结合虎克定律表述应变速率，将金属材料的拉伸性能控制在应变速率范围内，使其趋于稳定。

综上所述，在一定条件下采用应力速率控制方法测试金属材料的拉伸性能，能够满足金属工程中对性能测试的要求。

2 结果分析

根据上述实验过程中材料拉伸产生的位移距离的变化，可以得到材料的拉伸强度。本文在大型试验机上对同种尺寸规格的材料进行了拉伸性能承载的测试，试验机进行3次拉伸的应力-应变曲线的断裂极限如图2所示。

图2 标准拉伸应力-应变曲线

根据图2可知，拉伸实验的弹性部分发生变化，其变化的曲线率存在较小差异，由于金属材料两端的固定装置在夹紧时会产生一部分的预应力，导致预载荷出现一定差异变化，曲线变化率在应变方向出现位移现象。本实验采用的大型试样与小型试样的面积是存在一定比例的，所以由于面积不同产生的结果差异较小，可以忽略不计。将本文提出的测试方法与传统载荷拉伸方法进行对比，结果可知，本文设计的金属材料拉伸性能测试方法，在拉伸强度、断裂强度与延伸率测试结果与传统方法存在较大差距，测试结果的相对误差率较小，对于测试金属材料的拉伸性能更加准确。

3 实验结果讨论

金属材料通过不同的加工制作方式得到理想的材料形态，用于工业生产中。温度环境能够影响材料分子的运动，金属材料内部的分子运动的能量会随温度升高而显著增强，相互作用力会降低，能够增强横向拉伸的强度。温度过高时，材料结构中的大分子链发生断裂现象，致使金属材料的拉伸性能会在一定程度上减弱。加工时间过短，材料的脆性会随之增加，导致金属材料的横向断裂拉伸值下降。金属材料横向断裂拉伸的强度的变化取决于受到的压力大小，压力较大时，金属拉伸形态的变化较明显，性能会明显降低。但当压力超过一定范围时，材料的断裂拉伸会出现反方向改变。加工操作的速度也会对金属材料的拉伸性能产生负面影响。操作速度较慢时，金属材料能够承受255kN的拉力，操作速度加快，金属材料位错密集会造成拉伸性能下降。

4 结语

本文对金属材料拉伸性能及测试方法进行了研究，可知金属材料拉伸与弯曲之间存在相互影响；计算金属传动件的理论校核，确定丝杠与传动链之间的关系以及控制金属拉伸性能速率的方法。通过与传统方法进行对比实验可知，本文提出的测试方法能够有效地测试金属材料的拉伸性能，获取到金属拉伸性能的特点以及影响因素，有利于对金属材料的保护与使用。