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金屬拉伸試驗位移速率與應變速率對測定其屈服強度的影響及分析
1 引言
基于金屬材料拉伸試驗中，位移速率控制與應變速率控制是兩種不同的對實驗進程進行控制的方法，兩種方法都可以用以測定金屬材料的屈服強度。利用材料力學開放性實驗機會，深入進行了應變控制速率和位移控制速率的試驗研究，分析及比較兩者對金屬材料屈服強度測定的影響。
2 試驗設備和測試方法
試驗設備和器材有：廣州澳金工業的WDW-100L微機控制電子試驗機；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。
首先對試驗機柔度進行測定，在此基礎上分八組進行不同速率的試驗，其中四組采取應變速率控制，剩下四組采取位移速率控制，每組進行五根低碳鋼、五根硬鋁試樣試驗，具體組織如下:
第1組:位移速率為0.5mm/ min；進行低碳鋼(5根試樣)的彈性模量、上下屈服強度、屈服點延伸率,抗拉強度的測定；硬鋁(5根試樣) 的規定非比例延伸強度、規定總延伸強度和抗拉強度的測定。
第2組:應變速率為0.000225/S；進行低碳鋼(5根試樣)的彈性模量、上下屈服強度、屈服點延伸率,抗拉強度的測定；硬鋁(5根試樣)的規定非比例延伸強度、規定總延伸強度和抗拉強度的測定。
第3組:應變速率為0.00025/s；進行低碳鋼( 5根試樣)的彈性模量、上下屈服強度、屈服點延伸率,抗拉強度的測定；硬鋁(5根試樣)的規定非比例延伸強度、規定總延伸強度和抗拉強度的測定。
第4組:應變速率為0.000275/s；進行低碳鋼(5 根試樣)的彈性模量、上下屈服強度、屈服點延伸率,抗拉強度的測定；硬鋁(5根試樣) 的規定非比例延伸強度、規定總延伸強度和抗拉強度的測定。
第5組:應變速率為0.00030/S；進行低碳鋼(5根試樣)的彈性模量、上下屈服強度、屈服點延伸率，抗拉強度的測定；硬鋁(5根試樣)的規定非比例延伸強度、規定總延伸強度和抗拉強度的測定。
第6組:位移速率為1mm/min；進行低碳鋼(5根試樣)的彈性模量、上下屈服強度、屈服點延伸率，抗拉強度的測定；硬鋁(5根試樣)的規定非比例延伸強度、規定總延伸強度和抗拉強度的測定。
第7組:位移速率為2mm/min；進行低碳鋼(5根試樣)的彈性模量、上下屈服強度、屈服點延伸率，抗拉強度的測定；硬鋁(5根試樣)的規定非比例延伸強度、規定總延伸強度和抗拉強度的測定。
第8組：位移速率為5mm/min；進行低碳鋼（5根試樣)的彈性模量、上下屈服強度、屈服點延伸率，抗拉強度的測定；硬鋁 (5 根試樣)的規定非比例延伸強度、規定總延伸強度和抗拉強度的測定。
3 試驗結果及分析
不同應變速率和位移速率測定低碳鋼力學性能的試驗結果見表1，不同應變速率和位移速率測定硬鋁力學性能的試驗結果見表2。
表1 不同應變速率和位移速率測定低碳鋼力學性能的試驗結果
注：為了便于比較差異，力學性能數值沒有按GB/T228-2002和GB/T8653-1988規定進行修約。
表2 不同應變（位移）速率對硬鋁的力學性能測試數據對比
注：為了便于比較差異，力學性能數值沒有按GB/T228-2002和GB/T8653-1988規定進行修約。
從表1試驗結果分析，用應變速率測定低碳鋼的上屈服強度，范圍為298 MPa~ 367MPa，平均值為364 MPa，大分散度為10%，用應變速率測定低碳鋼的下屈服強度，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度，范圍為265MPa~ 295MPa，平均值為278MPa，大分散度為5.4 %。這說明用應變控制速率測定金屬材料的下屈服強度影響因素較多，測試結果很不穩定；而位移控制速率影響因素較少，測試結果較為穩定。從試驗測試曲線也可看出應變速率控制方式在材料瞬時屈服時曲線特征發生了明顯變化，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試驗結果分析，用應變速率測定硬鋁的規定非比例延伸強度，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定非比例延伸強度,范圍為396MPa-414MPa，平均值為430MPa，大分散度為2.2 %。這說明用應變速率和位移速率測定無物理屈服的金屬材料影響較小，測試結果較為穩定。總體觀察，位移速率控制比應變速率控制顯得更穩定。從試驗測試曲線也可看出,應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 結論
從數據上分析，我們看出低碳鋼的上屈服點用應變速率控制測定更能反映其真實情況，因為應變速率控制的測量數據比位移控制速率更為穩定，同理，我們可以得出結論，低碳鋼的下屈服極限和硬鋁的規定非比例延伸強度的測定更適宜用位移速率控制來進行測定。