拉伸试验机参数设定对铝合金试验结果的影响

时间：2024-08-31

李恩波，谢海光，王宇

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

随着社会经济的持续发展，新材料的不断出现，工业上对材料的品种和数量需求不断增加，对材料的力学性能要求也越来越高[1-2]。拉伸试验是研究铝合金力学性能最常见、最重要的试验方法之一，通过拉伸试验可以测定铝合金最基本的力学性能指标，如弹性、强度、塑性、应变硬化及韧性等性能指标[3-6]。试验所得到的力学性能数据不仅可以作为评定铝合金材料和优化工艺的依据，还对新合金的研发和设计具有很好的参考应用价值[7-8]。

电子拉伸机是机械传动技术与现代电子技术相结合的大型精密测试仪器，在拉伸试验前，可以通过预设试验参数来实现整个拉伸过程的控制，从而得到拉伸试验相关的力学性能指标。设置控制参数的选择，对试验结果的准确性非常重要。本文分析了试验速率、弹性模量、断裂检测点以及引伸计等参数的设定对拉伸试验结果的影响，并指出其影响机理，给出了正确的选择。

1 试验过程

1.1 试验设备

拉伸试验用的设备为岛津有限公司的AG-X 100 kN电子万能试验机，最大试验载荷为100 kN，载荷测量精度为0.5级，试验速度范围为0.0005~1 000 mm/min，采用试验机自带的TRAPEZIUM X软件进行试验参数设定和数据处理。

1.2 试样制备

试验用拉伸试样均在同一批次的挤压型材上、在同一取样位置处沿挤压方向采用冷剪切方式切取，并按照国标GB/T 16865-2013中尺寸要求加工成标准的定标距矩形试样。尺寸公差控制在允许范围内，同时保证试样平行段处无缺口、刀痕、毛刺等缺陷，矩形试样尺寸见图1。使用千分尺测量矩形试样的原始厚度和平行段的原始宽度，分别在试样平行段的1/4、1/2和3/4处测量，取3处测量值的平均值，以保证拉伸试验结果只受试验控制参数的影响。

图1 矩形试样加工尺寸

2 各参数对试验结果的影响及分析

2.1 试验速率的影响

选用6063-T6和6063-T4两种不同合金状态的拉伸试样，在不同试验速率下进行拉伸试验。在试验第一阶段即测定屈服强度Rp0.2之前，采用应力速率控制。为确保试样达到屈服点，在引伸计标距增加0.7 mm后，卸载引伸计，转换为横梁位移速率。不同试验速率下的合金试验结果见表1和表2。

表1 不同试验速率下6063-T6合金的试验结果

表2 不同试验速率下6063-T4合金的试验结果

由表1和表2可知，试验速率对6063-T6和6063-T4两种合金的强度和断后伸长率试验数据都有影响，尤其对屈服强度的影响较大，而对弹性模量没有较大影响，这种影响的程度因合金状态的不同而有不同。在室温拉伸条件下，试验速率对两种状态合金都有相同的影响趋势，即随着试验速率的提高，合金的强度上升，断后伸长率下降。6063-T6合金屈服强度和抗拉强度的最大偏差分别为10 MPa和5 MPa，相对升高4.4%和2%，断后伸长率的最大偏差为2.12%。6063-T4合金屈服强度和抗拉强度的最大偏差分别为7 MPa和5 MPa，相对升高7.1%和2.7%，断后伸长率的最大偏差为2.74%。综上所述，塑性较大的6063-T4合金对试验速度的敏感性大，而塑性较小的6063-T6合金则小些。

铝合金试样拉伸过程一般为：弹性变形→屈服点→均匀塑性变形→最大力值→局部颈缩变形→断裂。弹性变形是以声速在合金中传播的，拉伸弹性变形总能跟上拉伸外力的变化，因而应力速率的变化对合金的弹性行为及弹性模量没有影响。

从微观上来看，屈服强度是使位错开始运动的临界分切应力，位错由一个平衡位置向另一平衡位置运动时，会受到晶格阻力和位错间相互作用力等阻力的影响。随着应力速率的提高，相当于作用在位错上的应力也提高，导致位错运动的速率增加。位错运动速率越大，则能量越大、扩展位错宽度越小，晶格阻力即派纳力τp-n的公式为（w为位错的宽度）。从此式中可以看出，位错宽度越小，晶格阻力就越大，位错开始运动的临界分切应力就增大，所以应力速率增加，合金的屈服强度也随之提高。由于铝合金材料在拉伸过程中没有明显的屈服现象，通常以规定塑性延伸强度为合金的屈服强度，即Rp0.2。

抗拉强度的增加可以用位错理论来解释：在塑性变形阶段，横梁位移速率的增加会使晶粒内多个滑移系同时开动，位错密度增加，在塑性变形时位错相互缠结在一起，阻碍后续的位错滑移，使合金产生附加强化，导致抗拉强度随横梁位移速率的增加而增加。然而位错密度不会因材料塑性变形而激增，故随着试验速度的增加，抗拉强度的增加幅度不大。

合金塑性降低的原因在于，组织内各个晶粒的位向不同，处在软位向晶粒容易变形，处在硬位向晶粒不容易变形。拉伸速率较小时，各个晶粒之间会相互协调，相互制约，硬位向晶粒向软位向转动，塑性变形较均匀地分布在各个晶粒之中；当试验速率增大后，晶粒转动不及时，各晶粒间的协调性变差，甚至出现空洞裂纹等，抑制了合金中的易滑移阶段的产生和发展，塑性变形没有充分进行，故随着横梁位移速率的增加，合金的断后伸长率下降。

2.2 弹性模量选择的影响

图2 为6005A-T6状态、7 mm厚的铝合金拉伸试样采用全程引伸计方法进行拉伸试验所得到的应力-应变曲线图。在曲线的弹性直线段上设置两个点，然后TRAPEZIUM X软件自动采用两点之间的全部数据，通过最小二乘法拟合出弹性模量斜率直线。规定塑性延伸强度Rp0.2定义为试样的塑性延伸率达到规定引伸计标距0.2%时对应的应力，即在X轴上引伸计标距乘以0.2 %处（例如50 mm×0.2 %=0.1 mm），做一条与弹性直线段平行的直线，此直线与应力应变曲线的交点对应的应力，即为Rp0.2。从最大载荷点做与弹性直线段平行的直线，在X轴上得到的引伸计标距残余伸长与引伸计标距的比值，即为最大力塑性延伸率Ag。断后伸长率A为试样断裂后标距的残余伸长与原始标距之比的百分率。这个值可以从引伸计的信号测得，即在曲线的断裂点处做与弹性直线段平行的直线，在X轴上得到的交点即为A，这个数据需要指定断裂点与弹性模量。

图2 6005A-T6合金应力-应变曲线图

对于同一条拉伸性能曲线，弹性直线段起始点和结束点选择不同得到的规定塑性延伸强度、最大力塑性延伸率和断后伸长率的数值会有差别。从表3中可以看出，两点设定在弹性变形初始时，会使Rp0.2偏低；设定在中间段时，Rp0.2增加了0.4 MPa，而Ag和A基本没有变化；设定在弹性变形末尾时，Rp0.2偏高了1 MPa，而Ag和A偏小了0.2%，可见弹性段的起始点和结束点的选择对Rp0.2的影响较大。这是由于在弹性变形初始阶段中，因受各种因素的影响，不能真实地反应出试样的性能；在弹性中段时，弹性变形符合胡克定律，直线的斜率恒定，能得到真实准确的试验数据；而末段中包含了非比例弹性，导致试验数据偏大。为保证拉伸试验数据的准确性，必须合理地选取弹性模量的直线段，建议起始点约为10%的Rp0.2处，结束点约为50%的Rp0.2处。

表3 弹性直线段的选择对试验数据的影响

2.3 断裂检测点参数的影响

在试样拉伸过程中，TRAPEZIUM X软件实时进行数据采集和处理，采集频率为10 ms/次。软件中提供了4种断裂点的检测方法，即灵敏度判定、载荷值判定、等级判定（最大值/%）和最后100 ms判定。检测断裂点的判定原理是，两个相邻的采集点的减小量大于设定的参数即判定为断裂点。断裂点检测的参数设定不同，断裂点的位置也不一样，从而导致试验结果的偏差。断裂点检测的参数设定不同，断裂点的位置也不一样，从而导致试验结果的偏差。表4为一条2.5 mm厚6005A-T6试样的拉伸曲线在不同断裂点处的试验数据。从表中可以看出，不同的检测断裂点参数设定对试样的断后伸长率（引伸计反馈得到）有较大影响。为了使试验结果具有可比性，断后伸长率一般采用人工测量，即将试样断裂的两部分紧密地连接在一起，使其轴线在同一条直线上，测量断后标距，再通过公式断后

表4 不同方式判定断裂点对试验数据的影响

2.4 引伸计参数的影响

引伸计是测量试样表面两点间距离微小改变的仪器，通常由感应器、放大器、变形传递杆和刀刃等组成。试验时，将引伸计装卡于试样上，将两刀刃与试样直接接触，以感受两刀刃间标距的伸长。

在实际拉伸试验中，由于拉伸试样的尺寸和形状不同，会切换不同型号的引伸计。而每个引伸计都有自己的规格参数，主要参数为引伸计的标距和量程，这些参数的设定同样会引起试验结果的变化。引伸计的标距即为两刀刃间的距离。设定标距的参数会影响弹性直线的偏移量，这不仅会导致合金屈服强度的偏差，还会影响到弹性模量的计算。TRAPEZIUM X软件对弹性模量的计算公式为：弹引伸计的量程即为应变片放大后所能感应的范围量程，引伸计量程参数设定偏小，导致引伸计反馈出来的应变数值比实际试样变化的真实应变小，反之亦然。所以在拉伸试验中，需要切换引伸计时，必须确保软件中引伸计的参数设定与所使用的引伸计规格相匹配，以确保拉伸试验数据的真实性和准确性。