浅析影响金属材料拉伸试验检测结果的因素

　　拉伸吸能理论分析

　　材料的拉伸吸能主要是通过材料拉伸过程中发生沿受力方向的屈服变形，将外部能量转化为材料的拉伸应变能从而实现吸能的，其吸能的特性与材料的属性息息相关。图 1 为一般塑性材料拉伸过程的应力应变曲线。

　　图 1 塑性材料的拉伸应力应变曲线

　　可以发现，材料拉伸过程中可以分为 4 个阶段：弹性变形阶段 OE，屈服阶段 EY'，强化阶段 Y'A 和颈缩阶段 AC。变形过程中当应力σ达到屈服强度时，材料就会发生屈服变形，对于一般结构来说，此时材料已发生屈服失效。然而若继续拉伸材料，材料还须经过强化阶段 Y'A 和颈缩阶段 AC 才最终断裂失效。从图中可以发现，这两个阶段的应变和应力都要比前两个阶段更大，对应图 1 中的代表吸收能量的区域 2 的面积也比区域 1 更大，因此所需的外力做功也更多。因此，利用材料拉伸吸能有望更好地利用材料强化和颈缩阶段的力学性能，达到更高的吸能效率。为对比研究吸能盒压缩吸能和材料拉伸吸能方案，采用比吸能作为评价吸能效率的指标。比吸能 SEA 指吸能结构中单位质量所能吸收的能量。SEA 值越高，代表吸能结构的吸能效率越高，其表达式为 SEA=E/m（1）式中：E 为吸能结构的总吸能；m 为吸能结构件的总质量。其中总吸能可通过下式计算：E=∫0δmaxF（s）（2）式中：F 为吸能结构在变形过程中所受的外力；s 为吸能结构在纵向长度上的变形量；δmax 为吸能结构纵向的最大变形量。

　　本文中对两个截面分别为正方形和六边形的吸能盒模型，以及一个标准拉伸试验样件进行了吸能性能分析试验。吸能盒和拉伸样件的材料完全一致，均为 304 不锈钢，屈服强度为 300MPa，抗拉强度为 800MPa，弹性模量为 194GPa。两种吸能盒的模型实物图如图 2 所示。

　　图 2 两种吸能盒的实物图

　　测量仪器与试验设备的影响

　　在材料拉伸试验过程中，测量仪器与试验设备的高精度、高准确性无疑是保证检测结果准确可靠的重要因素。测量仪器一般包括游标卡尺、钢直尺等，用来测量试样的尺寸、标记平行长度等数据。试验设备主要包括材料试验机和引伸计，用来记录试验时的力值、位移和应变等数据。通过上述参数及其数据，就可计算得出屈服强度、抗拉强度、断后伸长率等一系列材料性能指标。

　　要保证检测结果的准确，首先要确保测量仪器和试验设备的分辨率、测量精度，以及控制检测软件的采样频率、频带宽度等指标满足相关检测标准和计量规范的要求。在这个前提下，仪器设备要定期通过计量校准的方式进行溯源，并在日常使用中，通过期间核查的方式定期检查仪器设备状态，确保其置信度。

　　基于DIC方法的TC4钛合金高温拉伸试验

　　（Ti-6Al-4V）是钛合金中最成熟的（α+β）两相钛合金，因具有优异的综合性能、良好的工艺特性和超塑性，在航空和航天工业中获得广泛应用。TC4 钛合金主要半成品有棒材、锻件、板材等，占各种钛合金半成品总产量的一半以上。该合金长时间工作温度为 400℃以下，用于制造航空发动机风扇和压气机盘及叶片等构件。TC4 钛合金力学性能研究，特别是高温服役环境下的力学参数测量和力学行为研究，对于衡量其性能、使用效果和真正价值具有重要作用，对于其工艺改进、结构设计具有重要意义。但是使用传统方法进行 TC4 钛合金高温力学性能测量研究，特别是拉伸变形的测量遇到诸多问题，主要表现在：1）普通的应变片耐温性能差，且高温环境使胶粘剂刚性降低，胶接面不能将试样的变形刚性传递给应变片，导致获取的应变信息不准确；2）高温引伸计的寿命短、精度低，高温应变片价格昂贵，测试成本十分高；3）对于一些狭窄测量工况或非标准试样，由于市售的引伸计标距段的限制，装卡操作非常困难，难以有效实施测量；4）传统接触式的引伸计变形范围有限，测量过程中当变形达到一定量时需要进行摘除操作，不能跟踪到破坏，无法实现全应力-应变曲线的测量。因此高温环境下 TC4 钛合金性能的测试与表征，特别是高温变形测量成为一大难题。传统测量方法在上述情况下无法给出令人满意的结果，因此有必要发展非接触测试方法实现钛合金高温拉伸性能的测量，以弥补传统方法的不足，解决现有的测试难题。数字图像相关方法（DIC）是一种基于图像分析的非接触、非干涉的全场变形测量方法，其利用数字相机记录试样表面的散斑图像，然后对散斑图像进行相关分析获得试样表面变形场。该方法不但具有非接触、全场测量等光测方法普遍具有的特点，而且具有对测试环境要求低、实施简单、测量范围和分辨率易调节、易于实现测量过程的自动化、适用测量范围广等优点，因此该方法提出后受到普遍重视，在不同实验条件下材料力学性能的测试中具有广泛的应用前景。

　　结语

　　虽然金属材料拉伸试验在试验的控制方式等方面还存在一定的争论，但作为测量材料力学性能应用最广泛的方法，我们还应在实际应用过程中，分析和把控可能影响检测数据的各种因素，采取相对应的措施，保证测量结果的准确性和一致性，为材料的应用和优化提供数据支撑。

　　参考文献

　　毛卫民.钢铁材料各向异性的开发研究[J].包头钢铁学院学报，1998，17（03）：

　　董明洪，党恒耀，李慧，等.关于电阻应变式测力传感器补偿方法的讨论[J].衡器，2020，（05）：