變形速度/試樣尺寸對斷后伸長率的影響研究

李勝杰

（中國兵器科學(xué)研究院寧波分院，浙江 寧波 315103）

材料拉伸實驗過程當(dāng)中會對拉伸實驗結(jié)果產(chǎn)生影響的因素眾多，如材料自身化學(xué)構(gòu)成、晶粒大小、固溶強(qiáng)化性能、變形速度、實驗試樣尺寸、應(yīng)力狀態(tài)等等。本文嘗試從變形速度以及試樣尺寸兩個方面，對斷后伸長率的影響情況進(jìn)行實驗分析，以7050T74鍛鋁合金材料為例展開實驗研究。需要注意的一點是，以往技術(shù)條件支持下進(jìn)行鑄鋁實驗過程當(dāng)中對變形速度的要求較低，試樣過渡弧半徑以及直徑要求較大，因此實驗效率偏低。

通過本文如下所示實驗，能夠在保障實驗結(jié)果的前提條件下，最大限度促進(jìn)實驗速率的提升。

1 實驗過程

1.1 實驗材料

選用7050T74鋁合金材料進(jìn)行斷后伸長率實驗。合金中微量元素的錳、鉻、鈦、鋯等元素形成金屬間化合物，以彌散質(zhì)點的形式存在，可細(xì)化晶粒，有效地阻止晶粒長大，提高合金再結(jié)晶溫度。

在熱加工變形和熱處理后仍保持晶粒主變形方向細(xì)長且呈纖維狀，進(jìn)一步提高合金的力學(xué)性能。拉伸樣取樣位置如下圖（見圖1）所示。

圖1 拉伸樣取樣位置示意圖

1.2 實驗過程

選取縱向坐圈用7050T74鍛鋁合金材料。共取過渡弧半徑8.0mm，加工直徑10.0mm圓形橫截面試樣21個，進(jìn)行不同變形速度條件下的拉伸實驗；取加工直徑為10.0mm，過渡弧半徑分別為3.0mm、5.0mm、以及8.0mm圓形橫截面試樣3種＊3個，進(jìn)行不同過渡弧半徑試樣條件下的拉伸試驗；取加工直徑為5.0mm、8.0mm、以及10.0mm的圓形橫截面標(biāo)準(zhǔn)試樣3種＊3個，進(jìn)行不同試樣直徑條件下的拉伸試驗。

試樣制備尺寸如下圖（見圖2）所示。所有試驗菌在微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，全程質(zhì)量在控，對不同變形速度拉伸結(jié)果以及不同試樣過渡弧半徑、直徑拉伸結(jié)果進(jìn)行觀察與分析。

圖2 試樣制備尺寸示意圖

2 實驗結(jié)果

2.1 不同變形速度拉伸結(jié)果

變形速度為1.0mm/min情況下，對應(yīng)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測定值為443.0MPa，抗拉強(qiáng)度測定值為507.0MPa，斷后伸長率測定值為17.2%；變形速度為2.0mm/min情況下，對應(yīng)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測定值為439.0MPa，抗拉強(qiáng)度測定值為503.0MPa，斷后伸長率測定值為16.0%；變形速度為5.0mm/min情況下，對應(yīng)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測定值為436.0MPa，抗拉強(qiáng)度測定值為502.0MPa，斷后伸長率測定值為16.2%；變形速度為10.0mm/min情況下，對應(yīng)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測定值為431.0MPa，抗拉強(qiáng)度測定值為498.0MPa，斷后伸長率測定值為16.2%；變形速度為20.0mm/min情況下，對應(yīng)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測定值為418.0MPa，抗拉強(qiáng)度測定值為487.0MPa，斷后伸長率測定值為15.0%；變形速度為50.0mm/min情況下，對應(yīng)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測定值為447.0MPa，抗拉強(qiáng)度測定值為506.0MPa，斷后伸長率測定值為15.0%；變形速度為100.0mm/min情況下，對應(yīng)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測定值為427.0MPa，抗拉強(qiáng)度測定值為493.0MPa，斷后伸長率測定值為14.6%。

2.2 不同試樣過渡弧半徑、直徑拉伸結(jié)果

在變形速度恒定為10.0mm/min狀態(tài)下，過渡弧半徑為3.0mm情況下，對應(yīng)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測定值為443.0MPa，抗拉強(qiáng)度測定值為510.0MPa，斷后伸長率測定值為15.4%；過渡弧半徑為5.0mm情況下，對應(yīng)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測定值為444.0MPa，抗拉強(qiáng)度測定值為511.0MPa，斷后伸長率測定值為14.9%；過渡弧半徑為8.0mm情況下，對應(yīng)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測定值為455.0MPa，抗拉強(qiáng)度測定值為518.0MPa，斷后伸長率測定值為15.6%。

在變形速度恒定為10.0mm/min狀態(tài)下，試樣直徑為5.0mm情況下，對應(yīng)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測定值為420.0MPa，抗拉強(qiáng)度測定值為499.0MPa，斷后伸長率測定值為13.0%；試樣直徑為8.0mm情況下，對應(yīng)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測定值為423.0MPa，抗拉強(qiáng)度測定值為501.0MPa，斷后伸長率測定值為16.9%；試樣直徑為10.0mm情況下，對應(yīng)規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度測定值為414.0MPa，抗拉強(qiáng)度測定值為492.0MPa，斷后伸長率測定值為16.8%。

2.3 實驗結(jié)果分析

隨著變形速度、過渡弧半徑以及試樣直徑的變化，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度基本呈現(xiàn)出水平直線的趨勢，無明顯改變。伴隨變形速度的提升，斷后伸長率呈現(xiàn)出一定程度上的下降趨勢。而過渡弧半徑未直接對斷后伸長率產(chǎn)生影響。從試樣直徑的角度上來看，在其取值為5.0mm的情況下，斷后伸長率發(fā)生較為明顯的下降趨勢。

在溫度一定的情況下，材料所呈現(xiàn)出的塑性變形傳播速度會存在一定的差異性。在其塑性變形傳播速度高于實驗速率的情況下，對材料強(qiáng)度塑性的影響并不明顯。對于本次研究中所選擇的7050T74材料而言，其變形速度按照50.0mm/min標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制的情況下強(qiáng)度塑性未見明顯改變，拉伸速度對其取值的影響較小，提示這一區(qū)間內(nèi)材料性能對變形速度改變的敏感程度偏低，可以考慮以50.0mm/min為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗，以保障試驗效果達(dá)到理想狀態(tài)。

同時，由于本次實驗過程中所選用材料塑性良好，因此在試樣過渡弧半徑減少的過程當(dāng)中，所產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象對材料塑性以及強(qiáng)度水平的影響較小，這直接表現(xiàn)為試樣過渡弧半徑改變對斷后伸長率無明顯影響。而從試樣直徑的角度上來說，在其取值為5.0mm的情況下，斷后伸長率發(fā)生較為明顯的下降趨勢，主要機(jī)制是受變形速度較快且試樣直徑較小的因素影響，導(dǎo)致試樣尚未充分變形就已經(jīng)拉斷所致。

3 結(jié)束語

本文上述研究分析中通過實驗方式圍繞變形速度、試樣尺寸對斷后伸長率的影響情況進(jìn)行研究與分析，通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的總結(jié)，得出以下幾個方面的結(jié)論：第一，拉伸試驗變形速度在1.0mm/min～100.0mm/min范圍內(nèi)，材料強(qiáng)度受變形速度的影響較小，且斷后伸長率呈現(xiàn)出一定程度上的降低趨勢，變形速度按照50.0mm/min標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制的情況下強(qiáng)度塑性未見明顯改變，拉伸速度對其取值的影響較小，提示這一區(qū)間內(nèi)材料性能對變形速度改變的敏感程度偏低，可以考慮以50.0mm/min為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗，以保障試驗效果達(dá)到理想狀態(tài)；第二，試樣過渡弧半徑變化對試樣強(qiáng)度以及斷后伸長率的影響表現(xiàn)不明顯；第三，試樣直徑取值5.0mm的情況下，斷后伸長率有較為明顯的下降趨勢，主要機(jī)制是受變形速度較快且試樣直徑較小的因素影響，導(dǎo)致試樣尚未充分變形就已經(jīng)拉斷所致。