拉伸試驗機參數設定對鋁合金試驗結果的影響

李恩波，謝海光，王 宇

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

隨著社會經濟的持續發展，新材料的不斷出現，工業上對材料的品種和數量需求不斷增加，對材料的力學性能要求也越來越高[1-2]。拉伸試驗是研究鋁合金力學性能最常見、最重要的試驗方法之一，通過拉伸試驗可以測定鋁合金最基本的力學性能指標，如彈性、強度、塑性、應變硬化及韌性等性能指標[3-6]。試驗所得到的力學性能數據不僅可以作為評定鋁合金材料和優化工藝的依據，還對新合金的研發和設計具有很好的參考應用價值[7-8]。

電子拉伸機是機械傳動技術與現代電子技術相結合的大型精密測試儀器，在拉伸試驗前，可以通過預設試驗參數來實現整個拉伸過程的控制，從而得到拉伸試驗相關的力學性能指標。設置控制參數的選擇，對試驗結果的準確性非常重要。本文分析了試驗速率、彈性模量、斷裂檢測點以及引伸計等參數的設定對拉伸試驗結果的影響，并指出其影響機理，給出了正確的選擇。

1 試驗過程

1.1 試驗設備

拉伸試驗用的設備為島津有限公司的AG-X 100 kN電子萬能試驗機，最大試驗載荷為100 kN，載荷測量精度為0.5級，試驗速度范圍為0.0005~1 000 mm/min，采用試驗機自帶的TRAPEZIUM X軟件進行試驗參數設定和數據處理。

1.2 試樣制備

試驗用拉伸試樣均在同一批次的擠壓型材上、在同一取樣位置處沿擠壓方向采用冷剪切方式切取，并按照國標GB/T 16865-2013中尺寸要求加工成標準的定標距矩形試樣。尺寸公差控制在允許范圍內，同時保證試樣平行段處無缺口、刀痕、毛刺等缺陷，矩形試樣尺寸見圖1。使用千分尺測量矩形試樣的原始厚度和平行段的原始寬度，分別在試樣平行段的1/4、1/2和3/4處測量，取3處測量值的平均值，以保證拉伸試驗結果只受試驗控制參數的影響。

圖1 矩形試樣加工尺寸

2 各參數對試驗結果的影響及分析

2.1 試驗速率的影響

選用6063-T6和6063-T4兩種不同合金狀態的拉伸試樣，在不同試驗速率下進行拉伸試驗。在試驗第一階段即測定屈服強度Rp0.2之前，采用應力速率控制。為確保試樣達到屈服點，在引伸計標距增加0.7 mm后，卸載引伸計，轉換為橫梁位移速率。不同試驗速率下的合金試驗結果見表1和表2。

表1 不同試驗速率下6063-T6合金的試驗結果

表2 不同試驗速率下6063-T4合金的試驗結果

由表1和表2可知，試驗速率對6063-T6和6063-T4兩種合金的強度和斷后伸長率試驗數據都有影響，尤其對屈服強度的影響較大，而對彈性模量沒有較大影響，這種影響的程度因合金狀態的不同而有不同。在室溫拉伸條件下，試驗速率對兩種狀態合金都有相同的影響趨勢，即隨著試驗速率的提高，合金的強度上升，斷后伸長率下降。6063-T6合金屈服強度和抗拉強度的最大偏差分別為10 MPa和5 MPa，相對升高4.4%和2%，斷后伸長率的最大偏差為2.12%。6063-T4合金屈服強度和抗拉強度的最大偏差分別為7 MPa和5 MPa，相對升高7.1%和2.7%，斷后伸長率的最大偏差為2.74%。綜上所述，塑性較大的6063-T4合金對試驗速度的敏感性大，而塑性較小的6063-T6合金則小些。

鋁合金試樣拉伸過程一般為：彈性變形→屈服點→均勻塑性變形→最大力值→局部頸縮變形→斷裂。彈性變形是以聲速在合金中傳播的，拉伸彈性變形總能跟上拉伸外力的變化，因而應力速率的變化對合金的彈性行為及彈性模量沒有影響。

從微觀上來看，屈服強度是使位錯開始運動的臨界分切應力，位錯由一個平衡位置向另一平衡位置運動時，會受到晶格阻力和位錯間相互作用力等阻力的影響。隨著應力速率的提高，相當于作用在位錯上的應力也提高，導致位錯運動的速率增加。位錯運動速率越大，則能量越大、擴展位錯寬度越小，晶格阻力即派納力τp-n的公式為（w為位錯的寬度）。從此式中可以看出，位錯寬度越小，晶格阻力就越大，位錯開始運動的臨界分切應力就增大，所以應力速率增加，合金的屈服強度也隨之提高。由于鋁合金材料在拉伸過程中沒有明顯的屈服現象，通常以規定塑性延伸強度為合金的屈服強度，即Rp0.2。

抗拉強度的增加可以用位錯理論來解釋：在塑性變形階段，橫梁位移速率的增加會使晶粒內多個滑移系同時開動，位錯密度增加，在塑性變形時位錯相互纏結在一起，阻礙后續的位錯滑移，使合金產生附加強化，導致抗拉強度隨橫梁位移速率的增加而增加。然而位錯密度不會因材料塑性變形而激增，故隨著試驗速度的增加，抗拉強度的增加幅度不大。

合金塑性降低的原因在于，組織內各個晶粒的位向不同，處在軟位向晶粒容易變形，處在硬位向晶粒不容易變形。拉伸速率較小時，各個晶粒之間會相互協調，相互制約，硬位向晶粒向軟位向轉動，塑性變形較均勻地分布在各個晶粒之中；當試驗速率增大后，晶粒轉動不及時，各晶粒間的協調性變差，甚至出現空洞裂紋等，抑制了合金中的易滑移階段的產生和發展，塑性變形沒有充分進行，故隨著橫梁位移速率的增加，合金的斷后伸長率下降。

2.2 彈性模量選擇的影響

圖2 為6005A-T6狀態、7 mm厚的鋁合金拉伸試樣采用全程引伸計方法進行拉伸試驗所得到的應力-應變曲線圖。在曲線的彈性直線段上設置兩個點，然后TRAPEZIUM X軟件自動采用兩點之間的全部數據，通過最小二乘法擬合出彈性模量斜率直線。規定塑性延伸強度Rp0.2定義為試樣的塑性延伸率達到規定引伸計標距0.2%時對應的應力，即在X軸上引伸計標距乘以0.2 %處（例如50 mm×0.2 %=0.1 mm），做一條與彈性直線段平行的直線，此直線與應力應變曲線的交點對應的應力，即為Rp0.2。從最大載荷點做與彈性直線段平行的直線，在X軸上得到的引伸計標距殘余伸長與引伸計標距的比值，即為最大力塑性延伸率Ag。斷后伸長率A為試樣斷裂后標距的殘余伸長與原始標距之比的百分率。這個值可以從引伸計的信號測得，即在曲線的斷裂點處做與彈性直線段平行的直線，在X軸上得到的交點即為A，這個數據需要指定斷裂點與彈性模量。

圖2 6005A-T6合金應力-應變曲線圖

對于同一條拉伸性能曲線，彈性直線段起始點和結束點選擇不同得到的規定塑性延伸強度、最大力塑性延伸率和斷后伸長率的數值會有差別。從表3中可以看出，兩點設定在彈性變形初始時，會使Rp0.2偏低；設定在中間段時，Rp0.2增加了0.4 MPa，而Ag和A基本沒有變化；設定在彈性變形末尾時，Rp0.2偏高了1 MPa，而Ag和A偏小了0.2%，可見彈性段的起始點和結束點的選擇對Rp0.2的影響較大。這是由于在彈性變形初始階段中，因受各種因素的影響，不能真實地反應出試樣的性能；在彈性中段時，彈性變形符合胡克定律，直線的斜率恒定，能得到真實準確的試驗數據；而末段中包含了非比例彈性，導致試驗數據偏大。為保證拉伸試驗數據的準確性，必須合理地選取彈性模量的直線段，建議起始點約為10%的Rp0.2處，結束點約為50%的Rp0.2處。

表3 彈性直線段的選擇對試驗數據的影響

2.3 斷裂檢測點參數的影響

在試樣拉伸過程中，TRAPEZIUM X軟件實時進行數據采集和處理，采集頻率為10 ms/次。軟件中提供了4種斷裂點的檢測方法，即靈敏度判定、載荷值判定、等級判定（最大值/%）和最后100 ms判定。檢測斷裂點的判定原理是，兩個相鄰的采集點的減小量大于設定的參數即判定為斷裂點。斷裂點檢測的參數設定不同，斷裂點的位置也不一樣，從而導致試驗結果的偏差。斷裂點檢測的參數設定不同，斷裂點的位置也不一樣，從而導致試驗結果的偏差。表4為一條2.5 mm厚6005A-T6試樣的拉伸曲線在不同斷裂點處的試驗數據。從表中可以看出，不同的檢測斷裂點參數設定對試樣的斷后伸長率（引伸計反饋得到）有較大影響。為了使試驗結果具有可比性，斷后伸長率一般采用人工測量，即將試樣斷裂的兩部分緊密地連接在一起，使其軸線在同一條直線上，測量斷后標距，再通過公式斷后

表4 不同方式判定斷裂點對試驗數據的影響

2.4 引伸計參數的影響

引伸計是測量試樣表面兩點間距離微小改變的儀器，通常由感應器、放大器、變形傳遞桿和刀刃等組成。試驗時，將引伸計裝卡于試樣上，將兩刀刃與試樣直接接觸，以感受兩刀刃間標距的伸長。

在實際拉伸試驗中，由于拉伸試樣的尺寸和形狀不同，會切換不同型號的引伸計。而每個引伸計都有自己的規格參數，主要參數為引伸計的標距和量程，這些參數的設定同樣會引起試驗結果的變化。引伸計的標距即為兩刀刃間的距離。設定標距的參數會影響彈性直線的偏移量，這不僅會導致合金屈服強度的偏差，還會影響到彈性模量的計算。TRAPEZIUM X軟件對彈性模量的計算公式為：彈引伸計的量程即為應變片放大后所能感應的范圍量程，引伸計量程參數設定偏小，導致引伸計反饋出來的應變數值比實際試樣變化的真實應變小，反之亦然。所以在拉伸試驗中，需要切換引伸計時，必須確保軟件中引伸計的參數設定與所使用的引伸計規格相匹配，以確保拉伸試驗數據的真實性和準確性。

3 結論

（1）軟件設定的試驗速率增大，合金的強度增加，斷后伸長率減小，彈性模量基本沒變化；隨著試驗速率的變化，屈服強度的變化比抗拉強度更為明顯，塑性大的合金對試驗速度的敏感性也大。

（2）彈性直線段的起始點和結束點的參數設定對合金的彈性模量、最大力塑性延伸率和引伸計反饋的斷后伸長率均有影響。

（3）不同方式的斷裂檢測點的判定同樣對引伸計反饋的斷后伸長率有影響。為了保證試驗數據具有可比性，一般以手動測量的斷后伸長率為試驗的對比數據。

（4）在切換不同引伸計時，必須設定正確的引伸計參數，否則將影響拉伸試驗數據的真實性和準確性。