單向靜拉伸試驗(yàn)是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的金屬力學(xué)性能試驗(yàn)方法之一，其中抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)

1.1 試樣制備

選擇 6個(gè)批號(hào)經(jīng)退火熱處理，規(guī)格為δ8的TA2鈦板材，每個(gè)批號(hào)分成兩組，一組按照國標(biāo) 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(biāo)ASTM E8/E8M-16a 加工成寬度為 12.5 mm，標(biāo)距為50 mm的試樣。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用美特斯 CMT5205電子拉力試驗(yàn)機(jī)，配備 0.5級(jí) 20 kN負(fù)荷傳感器和 0.5級(jí)標(biāo)距為 50 mm的電子引伸計(jì)。

1.3 試驗(yàn)方案

GB/T228.1-2010中方法 A定義了兩種不同的應(yīng)變速率控制模式，基于引伸計(jì)反饋得到的應(yīng)變速率^e_Le 和根據(jù)平行部分估計(jì)的應(yīng)變速率 ^e_Le 。對于不能直接控制應(yīng)變速率的試驗(yàn)機(jī)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(yīng)變速率在試驗(yàn)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(yàn)的各個(gè)階段[3]。本試驗(yàn)采用試樣平行長度和應(yīng)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(yīng)變速率； L_c為試樣平行長度。

采用國標(biāo)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，利用公式 1計(jì)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(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)屈服前應(yīng)變速率計(jì)算范圍為 0.5~1 mm/min，屈服后2.5~25 mm/min[4]。

本次試驗(yàn)選用 6個(gè)批號(hào)的 TA2板材加工成拉伸試樣，每個(gè)批號(hào)分別加工成一個(gè)國標(biāo)試樣和兩個(gè)美標(biāo)試樣。采用國標(biāo)拉伸時(shí)，屈服前速率選用 0.3 mm/min。采用美標(biāo)拉伸試驗(yàn)時(shí)，其中一個(gè)試樣拉伸試驗(yàn)時(shí)屈服前速率選用 0.3 mm/min，另外一個(gè)試樣拉伸試驗(yàn)時(shí)，其中三個(gè)批號(hào)屈服前拉伸速率選用 0.6 mm/min，另外三個(gè)批號(hào)屈服前拉伸速率選用 0.9 mm/min，分別用于國標(biāo)試驗(yàn)方法的比對和采用相同方法時(shí)比對拉伸速度對屈服和抗拉強(qiáng)度的影響。試樣屈服后應(yīng)變大于 2%時(shí)摘取引伸計(jì)，屈服后拉伸速度全部選用10 mm/min。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

2.2 國標(biāo)與美標(biāo)試驗(yàn)方法對拉伸結(jié)果的影響

由表 1可以看出，美標(biāo)試驗(yàn)方法比國標(biāo)試驗(yàn)方法在抗拉強(qiáng)度 R_m和屈服強(qiáng)度 R_P0.2結(jié)果中呈現(xiàn)出整體偏大現(xiàn)象，批號(hào)不同，偏大程度不同。對國標(biāo)和美標(biāo)兩種寬度的試樣進(jìn)行理想化處理，國標(biāo)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(yīng)力，處于平面應(yīng)力狀態(tài)。美標(biāo)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(yīng)力狀態(tài)被破壞，出現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)，在三向應(yīng)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(yīng)力，最終的結(jié)果表現(xiàn)為美標(biāo)的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都比國標(biāo)的要高[5]。

2.3 拉伸速率對拉伸試驗(yàn)結(jié)果的影響

采用美標(biāo)試驗(yàn)方法試驗(yàn)時(shí)，屈服前速率為 0.6mm/min 比 0.3 mm/min 屈服強(qiáng)度平均大約 7 M Pa。

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

3、結(jié)論

（1）分別采用國標(biāo)與美標(biāo)試驗(yàn)方法進(jìn)行TA2鈦板材拉伸試驗(yàn)時(shí)，在應(yīng)變速率相同的情況下，美標(biāo)試驗(yàn)方法比國標(biāo)試驗(yàn)方法在抗拉強(qiáng)度 R_m和屈服強(qiáng)度 R_P0.2結(jié)果中呈現(xiàn)出整體偏大情況，批號(hào)不同，偏大程度不同。斷后伸長率國標(biāo)比美標(biāo)大 0.5%~1.5%，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(biāo)方法拉伸時(shí)，屈服前，不同應(yīng)變速率對屈服強(qiáng)度的影響較為明顯，0.6 mm/min比 0.3 mm/min進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)屈服強(qiáng)度平均大約 7 M Pa；0.9 mm/min比 0.3 mm/min屈服強(qiáng)度平均大約 11 M Pa，隨著應(yīng)變速率的增大，屈服強(qiáng)度隨之增大，且有減緩趨勢。屈服后，應(yīng)變速率相同，抗拉強(qiáng)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(yīng)變速率的提高。

參考文獻(xiàn)

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

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

[3]GB/T228.1-2010 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法第 1 部分：室溫試驗(yàn)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(xué)機(jī)理及其工程設(shè)計(jì)方法研究[D].清華大學(xué)，2005 .

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

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