取樣與加工對金屬材料拉伸性能的影響研究

范緯世，李玲玲，李敬瑜

（河北科技學院 河北 保定 071000）

1 引言

在當代制造業的當中，各種金屬材料被普遍應用，且應用領域十分廣泛。如何確定某種金屬材料的適用場合，這就要先確定材料的一般力學性能。金屬材料的力學性能也即其機械加工或機械運動性能，是指該金屬材料在外力影響下抵抗各種形式的形變能力，也可以理解為抵抗外力拉伸、受壓彎曲及碰撞沖擊的能力。一種材料的力學性能是設計者選材和選型、研發人員制作新材料、采購者驗收材料、產品質量檢測的主要參考標準。對于不同的機械性能對應有不同的測試方法，例如強度檢測、塑性測試、硬度檢測以及沖擊韌性實驗等。一般來說，常見金屬材料均具有較好的延展性，而且其拉伸、壓縮性能是一個衡量材料應用價值的重要力學參數。通過拉伸試驗可以測量材料的屈服強度，確定材料屈服點、延展率，測定其彈性模量、面積縮減量等。因此，拉伸實驗已經成為一種被廣泛采用的試驗辦法和檢測手段來測定金屬材料的屈服強度、抗拉強度等力學性能。金屬材料拉伸性能測試的主要流程包括以下幾步，首先通過金屬材料樣坯的切取與制備，獲得試樣，其次試樣再經過加工來滿足拉伸試驗的一般要求。在加工過程中，試驗材料的制備方法、取樣尺寸、取樣取向等材料自身的特征及其測試過程，都會直接或間接導致拉伸試驗結果受到影響。因此只有做到精確且滿足材料特性需要的取、制、測的標準化流程，才能將材料力學拉伸性能試驗數據的誤差降到最小。

因此，試樣加工需要遵循嚴格的力學性能試驗相關標準，也就是說，切取試樣與制備試樣一定要按照相關標準進行，一旦存在問題，將會對試驗結果產生影響。本文以鋼制材料為金屬樣例，研究影響材料拉伸試驗數據結果的因素，并從多方面進行了分析與探討，希望具有一定的參考價值。

2 金屬材料取樣方向對其性能的影響

取樣要求金屬材料滿足一定條件：外觀合適、尺寸合格、大小適當。其次特別注意要做好樣本位置標識，以免弄亂取樣方向。且要按照產品標準確定取樣的方向和數量。常見金屬拉伸試驗一般選取縱向拉伸、橫向拉伸、45°矩形拉伸三個方向取樣[1]。如圖1所示，縱向拉伸方向取樣即與金屬軋制方向一致進行取樣；橫向拉伸方向取樣即與金屬軋制方向垂直進行取樣；45°角方向取樣即與金屬軋制方向保持夾角45°角的位置進行取樣。

圖1 拉伸試樣取樣方向

以厚度為12 mm，尺寸為200 mm×20 mm×8 mm，Q235B 鋼帶為對象進行試驗，試驗數據顯示通過對取樣方向的不同進行分析，樣品材料的抗拉強度和屈服強度都存在比較大的差異。并且在橫向（垂直）拉伸方向上，鋼材拉伸性能表現最差；沿縱向（水平）方向上，鋼材拉伸性能表現最好；沿45°角矩形拉伸方向上，數據顯示鋼材拉伸性能介于上述兩者之間。我們分析原因，這是因為鋼錠在軋制過程中內部金屬晶體特性所致，外部軋制力導致柱狀金屬晶體在金屬變形過程中發生方向的轉變，使晶體纖維沿軋制方向取向排列。另外，鋼材摻雜物質也會沿軋制方向取向排列，這就導致了金屬材料力學性能的方向差異性。再有，經過冷加工后的鋼材會產生殘余應力，也會能夠導致金屬材料的性能出現各向異性。

總的來說，實驗數據與理論分析結果較為一致，即在軋制方向上金屬材料的力學性能較優越，而在與軋制垂直方向上出現金屬纖維化，因而影響了金屬材料的拉伸性能。

3 金屬材料取樣位置對其性能的影響

我們常用的金屬材料大部分都屬于晶體材料，其中尤其是鋼材一類金屬材料，在鋼材制作和加工過程中會經過熱處理和軋制等工序處理，必然會由于受力而出現組織纖維化和結晶等現象，從而使其材料力學性能明顯出現各向異性，導致不同材料或不同處理方式而產生的物理力學性能差異[2]。

因此，除了要考慮取向因素以外，材料不同位置取出的樣品在物理性能上也會存在差異。從理論上分析，加工會導致材料在組織成分、內部缺陷、密度分布等方面呈現不均勻的特性。材料成型時，澆鑄模形狀不同、位置不同、結構不同導致液態金屬在模具中的流速也會不同；因模具出口形狀導致的擠壓材料流速大小不同而出現材料成型后致密度的差異，材料力學性能也會表現出與位置相關性。從化學成分上來看，材料會呈現局部不均，導致微觀金相組織不同位置出現差異。所有這些因素都會在材料的力學拉伸性能中表現出來。因此，同一批次同一產品力學性能與位置的相關性就是一個不可忽略的因素。

試驗經驗表明：以圓鋼為例，材料中心區與1/4直徑位置處相比較，抗拉強度值相差30 MPa。以槽鋼為例，取樣位置選在腰部和腿部，其抗拉強度差異值為16 MPa。因此，必須結合產品需要，注重選取試樣不同部位進行拉伸測量，減小試驗數據的不確定度，保證產品質量。

4 取樣方法和工藝對材料性能的影響

因取樣導致的樣品試件力學性能變化也不能忽略。取樣方式除了切割、沖壓以外，還有較多方法，比如：剪切法、車削、銑削、磨削、線切割等。這些方法均需要考慮如下因素影響，例如：摩擦受熱形變、機械加工導致表面硬化等影響因素。取樣方式方法應當針對不同材料采取不同措施避免影響測量數據。

從工藝上考慮，測試樣品必須要留有充足的機械加工剩余量。利用數控機床設備加工樣品時，需要將切削熱導致的樣品試件變化部分去除，刀具與試件擠壓硬化部分也應在材料拉伸性能測試時去除。保證因取樣方法和加工工藝引入的數據誤差最小。此外，產品樣坯也應保證校正較平，確保表面質量不影響材料性能測量。所以，試件機械加工過程帶來的對材料拉伸等力學性能的影響也應得到重視[3]。

5 加工溫度對金屬材料拉伸性能的影響

根據材料力學理論來分析，溫度對拉伸的影響過程主要是：溫度會改變金屬材料內部的分子運動速度，溫度升高時，金屬材料內部的分子鏈的斷鏈能力會增大，那么，分子與分子之間的力就會減小。因此，高溫時金屬材料的橫向拉伸強度會變大。但過高溫度會導致材料內大分子鏈大量斷裂，進而影響并減小金屬材料的拉伸強度。因此，選取合理的材料加工溫度，金屬材料的力學拉伸性能才能達到最佳。

另外，溫度也可能影響樣件的檢測數據，在某些情況下，例如在使用高精度的材料性能測量儀器進行試驗測量時，就必須要修正溫度帶來的不利影響，必要時進行溫度數據補償。

6 拉伸速度對金屬材料拉伸性能的影響

金屬材料的力學性能主要還是取決于其內部微觀結構。在材料加工的過程中，金屬材料的拉伸性能也比較明顯地受拉伸速度的影響[4]。例如：在緩慢拉伸時，金屬材料（扁鋼板）大概可承受300 kN的拉力；假如改變拉伸速度，使其增大，對相同材料仍施加相同拉伸力（200 kN），則會導致材料被拉斷。這是因為通過外拉力的作用，材料內部晶體超過平移臨界點，導致材料內部晶體的晶向與晶面發生運動移位。

綜上所述，我們在切取和加工金屬材料時，為了得到良好的加工性能，要兼顧考慮材料尺寸、位置，加工工藝、材料溫度、拉伸速度、加工余量、表面質量的影響。使得材料整體力學性能滿足需要。金屬材料是當代制造業應用當中最常見的材料之一，在產品制作與研發中起著重要的作用。為了滿足不同特征產品的使用需要，測試不同金屬材料的力學性能對于研發人員取材、選材有重要意義。