淺談試驗速率對金屬材料力學性能的影響

宗震霆

（常州市便民服務中心，江蘇 常州 213200）

實驗速率對金屬材料的影響主要為鋼材屈服點，其中試驗對于鋁合金、鎂合金等材料的塑性影響較大，對鈦合金屈服強度影響較大。要科學控制試驗速率，確保金屬材料力學性能達到目標值是開展實驗的前提。當前運用最為廣泛的試驗便是拉伸試驗，由于其所具有的簡單性、便捷性、直觀性等特點，試樣容易加工且結果具有代表性。為了進一步提升試驗速率數據的精確性，特提出本文論點。

1 試驗速率簡析

試驗速率主要表現在試驗過程中，為達到檢測數據目標值而調節快慢的一項參數，在拉伸試驗中，速率便有空載橫梁位移速率、有載試驗機夾頭分離速率、應力速率、應變速率四大類形式。最后三種是拉伸試驗中最常用的速率控制方式。針對不同的金屬材料，在拉伸時所展示的物理現象、力學性能都有所不同，因此試驗速率對性能的檢測效果也有很大的差異。金屬材料力學性能指標所受試驗速率的影響程度因材料的變化而變化。對此，在拉伸試驗中，應當嚴格按照相關規范和標準進行，不得超過規定的速率范圍，這樣才能確保試驗數據的可靠性、準確性以及可比性。

依照《金屬材料拉伸試驗：室溫試驗方法》中的相關規定，將應變速率控制分為2種方式即引伸計反饋控制、橫梁移位速率控制。在進行實際應用時，相關工作人員試驗獲取到的應變速率相關數據，可采用應變速率控制的方式。能夠極大地控制測量結果誤差，降低不確定性，避免引起試驗速率的較大變化。

當待測樣品屬于同類金屬時，需采用不同的實驗速率進行驗證，將試驗數據進行分組，對比分析出結果。測試金屬材料的力學性能需涉及到材料延伸率、屈服強度、抗拉強度等等。若測試結果不合格，要及時調整試驗速率，金屬材料的抗拉強度和屈服強度值可增強，驗證出的金屬材料力學性能數據符合規定要求，對此在金屬材料拉伸性能測試中要科學控制試驗速率，減少誤差。

2 試驗速率對金屬材料力學性能的影響

2.1 對鋼性能的影響

在對金屬材料進行試驗時，部分材料對試驗速率的變化較為敏感，所產生的測量結果影響很大。例如在對Q235（強度低、塑性好）以及40SiMnV（強度高、塑性差）兩種常見鋼材進行測驗時，分別將兩種類型的材料放于不同的試驗速率狀態下，測定兩種金屬材料的力學性能。在進行試驗測試時，取一根直徑為12mm的鋼筋，截出20個試樣品，存放于常溫環境下，測定結果為：設定在計劃試驗速率范圍內，提升試驗速率，金屬材料的屈服數值和抗拉強度值也有所上升。

對45鋼的抗拉強度、斷后伸長率進行對比試驗時發現，在不同的試驗速率下，將45鋼置于溫度達到850℃的條件下火燒半個小時，并在（1.0～24）mm/min的條件下開展試驗，提升試驗速率的同時，材料的抗拉強度也隨之提升，而斷后伸長率卻隨之降低。當試驗速率提升到10mm/min的條件時，材料斷后伸長率的減小程度與抗拉強度的增大程度都在減緩。

通過兩個試驗能夠發現，對鋼材的力學性能進行速率測試，當提升試驗速率時，能夠顯著提升鋼材的抗拉強度、屈服強度，但與此同時，材料的塑性也會降低。此外，試驗速率對于強度高、塑性差的鋼材強度影響較低；對強度低、塑性好的鋼材強度影響較高。

圖1 鋼材力學性能速率測試圖

2.2 對鋁合金性能的影響

鋁合金的主要合金元素是鎂和硅。具有優秀的加工性、焊接性、擠壓性、電鍍性、耐腐蝕性、韌性、容易研磨性、陽極氧化效果，是典型的擠壓合金。鋁合金型材由于其可塑性、適度的熱處理強度、良好的焊接性能、陽極氧化后的光鮮表面，廣泛用于建筑型材、灌溉管、車輛管、平臺管、家具管、電梯管、柵欄管等。如果在鋁合金中加入一定量的錳和鉻，可以中和鐵的破壞作用。為了在不顯著降低耐蝕性的情況下提高合金強度，有時會添加少量的銅或鋅。導電材料含有少量銅，以抵消對鈦和鐵導電性能的不利影響。鋯或鈦可以控制再結晶組織，細化顆粒；添加鉛和鉍以提高加工性。由于金屬特性的不同，所制成的合金材料載荷能力也有所不同。在試驗中，選取的測試樣品為鋁合金材料測試其拉伸速率。待測材料設定不同的拉伸速率，主要測量材料斷后伸長率、抗拉強度等相關指標。通過驗證可知：當拉伸速率從1mm/min逐漸提升到24mm/min時，該材料的抗拉強度變化達到7.9MPa（增加）、斷后伸長率的變化則為-2.1%（降低）。說明試驗速率的提升會使得鋁合金的抗拉強度提升、斷后伸長率降低。

圖2 鋁合金材料抗拉強度變化情況

選擇不同的試樣尺寸進行試驗，分析7050T74鋁合金在不同試驗速率下的性能變化。試驗結果表明：將試驗速率從1mm/min提升到100mm/min時，該材料的抗拉強度并未出現較大的變化，但對斷后伸長率的影響較大。伴隨試驗速率的繼續提升，斷后伸長率持續降低，可以得到結論：在對鋁合金類金屬材料進行拉伸試驗時，最適宜的速率最好為50mm/min。

繼續測試應變速率對鋁合金材料室溫拉伸性能的影響效果。選用材料為Al-Zn-Mg合金。試驗結果表明：當應變速率處于較低數值時，材料會出現斷裂，金屬材料斷裂主要是韌性斷裂。改變應變速率后，材料性能發生變化，斷裂性質表現為脆性斷裂。金屬材料的變形方向以拉伸方向為主，同時出現部分不明顯的析出相。金屬材料的抗拉強度得到顯著提高，屈服強度變大，斷后伸長率下降幅度最大。

該實驗表面，試驗速率對鋁合金的斷后伸長率具有顯著影響，而不會較大影響合金材料的抗拉強度、屈服強度。當試驗速率大幅變化時，鋁合金材料的塑性會隨之降低，可能會使得測量結果不精確，與規范不符。

2.3 對鈦合金性能的影響

在室溫條件下進行拉伸測試，選用材料為TA15鈦合金。試驗結果表明，在準靜態（即試驗速率較低的狀態）條件下，材料對試驗速率的敏感性較強，鈦合金材料的斷面收縮情況、抗拉狀態、屈服強度等會出現大幅度變化。在提高拉伸試驗速率的情況下，鈦合金材料的屈服強度發生改變。基于動態試驗，鈦合金材料試驗速率影響其屈服強度尤為明顯，測量結果顯示在動態條件下鈦合金材料屈服強度比在室溫條件下屈服強度提高了1.65倍。

2.4 對鎂合金性能的影響

為了研究試驗速率對鎂合金材料力學性的影響，選擇AZ31B為試驗材料，應變速率設置為（10-4～10-1）mm/min/s，試驗溫度依然為室溫條件。試驗表明，當提升試驗速率時，鎂合金材料的屈服強度、抗拉強度都會隨之增加，而斷后延伸率呈反比關系，即隨著速率的提升而減小。該試驗所發生的拉伸斷裂形式為韌脆性斷裂。

若采取圓柱形試樣進行試驗，在不同的試驗速率環境下，鎂合金材料的塑性性能會隨著速率的增加而降低，流變應力持續提升。

3 結論

通過上述幾項對比試驗可以得到以下幾個結論：

（1）對于鋼材料來說：提升試驗速率，能夠使得抗拉強度、屈服強度提升，而剛才塑性降低。實驗速率對強度高、塑性差的剛才強度影響較低，反之亦然。

（2）針對鎂合金材料和鋁合金材料試驗：兩種材料的可塑性受試驗速率影響較大，材料的屈服強度和抗拉強度隨試驗速率提升而升高，斷后延伸率數值明顯降低。

（3）鈦合金材料進行力學性能研究后發現：試驗速率對屈服強度有較大影響，斷后伸長率、斷面收縮率、抗拉強度等影響較低。隨著試驗速率的提升，屈服強度增加。該性能變化在動態試驗中更加明顯。

（4）對于不同的金屬材料，試驗速率的變化都會對金屬材料的力學性能產生不同的影響，合理控制試驗速率能夠顯著增強試驗精確性，讓測試數據更加符合規范要求，可以幫助測試人員更好地進行科研。