金属拉伸试验位移速率与应变速率对测定其屈服强度的影响及分析

1 引言

基于金属材料拉伸试验中，位移速率控制与应变速率控制是两种不同的对实验进程进行控制的方法，两种方法都可以用以测定金属材料的屈服强度。利用材料力学开放性实验机会，深入进行了应变控制速率和位移控制速率的试验研究，分析及比较两者对金属材料屈服强度测定的影响。

2 试验设备和测试方法

试验设备和器材有：广州澳金工业的WDW-100L微机控制电子试验机；WYU 5/50电子引伸计；千分尺；低碳钢(Q235)和硬铝(LY12CZ) 圆形拉伸试样。

首先对试验机柔度进行测定，在此基础上分八组进行不同速率的试验，其中四组采取应变速率控制，剩下四组采取位移速率控制，每组进行五根低碳钢、五根硬铝试样试验，具体组织如下:

第1组:位移速率为0.5mm/ min；进行低碳钢(5根试样)的弹性模量、上下屈服强度、屈服点延伸率,抗拉强度的测定；硬铝(5根试样) 的规定非比例延伸强度、规定总延伸强度和抗拉强度的测定。

第2组:应变速率为0.000225/S；进行低碳钢(5根试样)的弹性模量、上下屈服强度、屈服点延伸率,抗拉强度的测定；硬铝(5根试样)的规定非比例延伸强度、规定总延伸强度和抗拉强度的测定。

第3组:应变速率为0.00025/s；进行低碳钢( 5根试样)的弹性模量、上下屈服强度、屈服点延伸率,抗拉强度的测定；硬铝(5根试样)的规定非比例延伸强度、规定总延伸强度和抗拉强度的测定。

第4组:应变速率为0.000275/s；进行低碳钢(5 根试样)的弹性模量、上下屈服强度、屈服点延伸率,抗拉强度的测定；硬铝(5根试样) 的规定非比例延伸强度、规定总延伸强度和抗拉强度的测定。

第5组:应变速率为0.00030/S；进行低碳钢(5根试样)的弹性模量、上下屈服强度、屈服点延伸率，抗拉强度的测定；硬铝(5根试样)的规定非比例延伸强度、规定总延伸强度和抗拉强度的测定。

第6组:位移速率为1mm/min；进行低碳钢(5根试样)的弹性模量、上下屈服强度、屈服点延伸率，抗拉强度的测定；硬铝(5根试样)的规定非比例延伸强度、规定总延伸强度和抗拉强度的测定。

第7组:位移速率为2mm/min；进行低碳钢(5根试样)的弹性模量、上下屈服强度、屈服点延伸率，抗拉强度的测定；硬铝(5根试样)的规定非比例延伸强度、规定总延伸强度和抗拉强度的测定。

   第8组：位移速率为5mm/min；进行低碳钢（5根试样)的弹性模量、上下屈服强度、屈服点延伸率，抗拉强度的测定；硬铝 (5 根试样)的规定非比例延伸强度、规定总延伸强度和抗拉强度的测定。

3 试验结果及分析

不同应变速率和位移速率测定低碳钢力学性能的试验结果见表1，不同应变速率和位移速率测定硬铝力学性能的试验结果见表2。

表1 不同应变速率和位移速率测定低碳钢力学性能的试验结果

注：为了便于比较差异，力学性能数值没有按GB/T228-2002和GB/T8653-1988规定进行修约。

表2 不同应变（位移）速率对硬铝的力学性能测试数据对比

注：为了便于比较差异，力学性能数值没有按GB/T228-2002和GB/T8653-1988规定进行修约。

从表1试验结果分析，用应变速率测定低碳钢的上屈服强度，范围为298 MPa~ 367MPa，平均值为364 MPa，zui大分散度为10%，用应变速率测定低碳钢的下屈服强度，范围为198MPa~ 2 81MPa，平均值为240MPa，zui大分散度为19%。而用位移速率测定低碳钢的上屈服强度,范围为3llMPa~ 359 MPa，平均值为332MPa，zui大分散度为7.2%，用位移速率测定低碳钢的下屈服强度，范围为265MPa~ 295MPa，平均值为278MPa，zui大分散度为5.4 %。这说明用应变控制速率测定金属材料的下屈服强度影响因素较多，测试结果很不稳定；而位移控制速率影响因素较少，测试结果较为稳定。从试验测试曲线也可看出应变速率控制方式在材料瞬时屈服时曲线特征发生了明显变化，而位移速率控制方式在材料瞬时屈服时曲线特征正常，见图1和图2。

图1 应变速率0.00025/s下的低碳钢力-变形曲线

图2 位移速率2mm/min下的低碳钢力-变形曲线

从表2试验结果分析，用应变速率测定硬铝的规定非比例延伸强度，范围为634MPa ~ 4 15MPa，平均值为399MPa，zui大分散度为6. 4%，而用位移速率测定硬铝的规定非比例延伸强度,范围为396MPa-414MPa，平均值为430MPa，zui大分散度为2.2 %。这说明用应变速率和位移速率测定无物理屈服的金属材料影响较小，测试结果较为稳定。总体观察，位移速率控制比应变速率控制显得更稳定。从试验测试曲线也可看出,应变速率控制方式和位移速率控制方式对无物理屈服的金属材料，曲线特征正常，见图3和图4。

图3 应变速率0.00025/s下的硬铝力-变形曲线

图4 位移速率2mm/min下的硬铝力-变形曲线

4 结论

从数据上分析，我们看出低碳钢的上屈服点用应变速率控制测定更能反映其真实情况，因为应变速率控制的测量数据比位移控制速率更为稳定，同理，我们可以得出结论，低碳钢的下屈服极限和硬铝的规定非比例延伸强度的测定更适宜用位移速率控制来进行测定。