拉伸测试：完整的科学指南 – TESTEX

确定材料在拉力下的试验称为拉伸试验，也称为拉力试验。 它是测试材料力学性能的基本方法之一，用于检查材料的性能和是否符合相关标准。 这篇文章与以下内容有关。

• 什么是拉伸试验？ 可以测试什么？
• 与拉伸试验相关的概念和术语
• 什么是拉力试验机？ 可以测试哪些材料？
• 拉伸试验准备
• 拉伸测试程序
• 拉伸测试：应力-应变的四个阶段
• 拉伸试验常用试验标准
• 拉伸试验中影响拉伸强度的因素有哪些？

什么是拉伸试验？ 可以测试什么？

拉伸试验是在一定条件下对试样施加拉力，以确定试样对施加载荷的抵抗力。 例如，材料的强度指标和塑性指标，此外，还可以导出材料的塑性变形。

拉伸试验得到的数据可用于测定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、断面收缩率、抗拉强度、屈服点、屈服强度等拉伸性能。

强度指标

• 材料的强度是材料单位面积上的力，以 Pa 为单位。
• 1 帕 = 1 牛顿/平方米
• 但Pa的单位很小，以致在实际工程中常采用MPa作为强度单位，如钢材的屈服强度一般为100～2000MPa。
• 1 兆帕 = 10⁶ Pa

• 上屈服强度： ReH = FeH / So (So 表示原始横截面积， FEH 表示上屈服点对应的轴力）
• 较低的屈服强度： ReL = FeL / So (So 表示原始横截面积， 铁矿石 表示下屈服点对应的轴力）
• 抗拉强度： Rm = Fmax / 所以 (最大频率 是最大轴向力）

对屈服现象不明显的材料，以产生0.2%应力值的残余变形为屈服极限，称为条件屈服极限或条件屈服强度。 大于此限制的外力将导致部件永久失效且无法恢复。

• 硬钢（高碳钢）强度高，塑性差，在拉伸过程中无明显屈服相，故不能直接测定屈服强度，而用条件屈服强度代替屈服强度。
• 条件屈服强度：Rp0.2，表示规定塑性伸长率为0.2%时对应的应力。

塑性指标

当试样被拉下时，弹性变形消失，但塑性变形仍然存在。 在工程上，试件被拉下后留下的变形量用来表示材料的塑性指标。 常用的塑性指标有两种。

• 伸长率：A = (Lu – Lo) / Lo * 100%
• 截面收缩率：Z = (So – Su) / So * 100%

拉伸试验相关概念和术语

压力和压力

应力：应力是其作用区域的力，以 N/mm² 表示，以公制单位表示为 kPa 或 MPa。

应变：应变是测试材料尺寸的变化率，它是由应力加载引起的尺寸变化。 由于应变是一种变化率，因此没有单位。

标本相关术语

• 横截面面积 So：试验前试样的原始横截面积。
• 原始规模 Lo：在施加力之前样品的比例。
• 断后距离 Lu：试样断裂后的距离。
• 平行长度 Lc：两个头或两个夹紧部分之间的试样平行部分的长度。
• 断后伸长率 A：断痕后试样残余伸长率的比值（卢-罗) 到原始标记 Lo，以百分比表示。
• 断面收缩 Z: 截面积最大缩减率 (所以——苏) 到原始横截面积 So 试样断裂后，以百分比表示。

什么是拉力试验机？ 可以测试哪些材料？

拉力试验机又称万能拉力试验机. 拉力试验机是用于各种材料的静载、拉伸、压缩、弯曲、剪切、撕裂、剥离等力学性能测试的机械力试验机。 拉力试验机是材料开发、物理性能测试、教学科研、质量控制等不可缺少的检测设备。万能拉力试验机用途十分广泛，可用于测试以下几种材料。

• 橡胶材料：橡胶制品、胶管、胶带、O型圈、轮胎等橡胶材料及制品。
• 塑料原料：塑料制品、薄膜、管材、板材、包装材料、尼龙制品、防水卷材等塑料原料及制品。
• 金属材料：金属制品、不锈钢制品、螺栓、钢丝、合金制品等金属材料及制品。
• 建筑材料：木材、板材、玻璃、混凝土、石墨制品等。

拉伸试验准备

取样位置、取样方向和取样数量是对材料性能测试结果有显着影响的三个因素。 取样位置、方向和数量应符合产品标准ISO 377或相关协议。

采样方法

• 直接从原材料中取样。
• 样品取自产品的重要区域（最薄弱和最危险的部分）。
• 使用物理部件直接测试，例如钢筋、螺栓、螺钉或链条。
• 直接在铸造样品上或通过加工成样品进行测试。

标本处理

• 防止机械性能因冷变形或受热而受到影响。 通常以切削加工为主。
• 平行截面应光滑，无加工硬化，无切屑、刀痕、毛刺等缺陷。
• 脆性材料夹持部分和平行截面部分应有较大的圆弧过渡半径。
• 对于非机加工铸件试样，表面的砂粒、夹渣、毛刺、飞边等必须清除干净。

试样检查和标记

• 试验前应对试样进行检查，确保其外观符合要求。
• 试件的原始标记一般用细线标记，所用方法不得影响试件的过早断裂。
• 对于超薄或脆性材料，可以在试样的平行部分涂上快干着色涂料，然后用标记线轻轻划线。

另外：原截面积 So 试验前需要测量和计算试样的体积。

拉伸试验程序

1 制备试样：按标准要求制备试样，并做好记录。

2 调整拉力试验机：根据试验标准更换夹具，调整拉力机试验条件。

3 夹紧试样：先将试样夹在上卡盘中，然后将下卡盘移动到合适的夹紧位置，最后夹紧试样的下端。

4 检查试运行：检查以上步骤是否完成。 开动拉机，预加载少量（应力对应的载荷不得超过材料的比例极限），然后卸载至零，以检查拉机是否正常工作。

5 启动拉力机，进行拉力试验。

6 取出试片和记录纸。

7 用游标卡尺测量断后距离。

8 用游标卡尺测量缩颈处的最小直径。

拉伸测试：应力-应变的四个阶段

• OB：弹性阶段
• BC：屈服阶段
• CD：强化阶段
• DE：缩颈阶段

在金属材料的弹性变形阶段，应力与应变成正比，符合虎克定律，即σ=Eε，比例因子E称为弹性模量。

E = σ/ε

弹性极限与比例极限非常接近，以至于在实际工程中，近似比例极限而不是弹性极限。

屈服强度：当金属材料出现屈服现象时，在试验过程中，在不增加力的情况下达到发生塑性变形的应力点； 应区分上屈服强度和下屈服强度。

• 上屈服强度：试样屈服且力首先下降前的最高应力。
• 较低的屈服强度：屈服过程中的最低应力，不包括初始瞬态效应。
• 下屈服点对应的应力值通常称为屈服强度。

屈服阶段后，曲线的C点又开始逐渐上升，表明要使应变增​​加，必须增加应力，材料恢复抵抗变形的能力，这种现象称为强化，CD截面为称为强化阶段（process hardening）。

曲线最高点对应的应力值称为材料的抗拉强度（或强度极限），是材料强度的另一个重要指标。

当曲线到达D点时，试样的一个薄弱部位（材料不均匀或有缺陷的地方）变形明显增大，有效截面急剧减小，出现颈缩现象，试样被迅速拉断。

几种常见的应力-应变曲线

（a) 曲线是低碳钢的应力-应变曲线，具有锯齿状的屈服相，具有上下屈服，均匀塑性变形，然后是颈缩，然后是试样断裂。

（b) 曲线为中碳钢的应力-应变曲线，有屈服阶段，但波动小，几乎是一条直线，试样均匀塑性变形后颈缩再断裂。

（c) 曲线为淬火中低温回火钢的应力-应变曲线，无明显屈服相，均匀塑性变形后产生颈缩，试样断裂。

（d) 曲线是铸铁的应力-应变曲线，淬火材料不仅没有屈服相，而且在产生少量均匀塑性变形后突然断裂。

拉伸试验常用试验标准

• ISO 6892-1
• 金属材料 – 拉伸试验 – 第 1 部分：环境温度下的试验方法
• ISO 6892-2
• 金属材料 – 拉伸试验 – 第 2 部分：高温试验方法
• ISO 204
• 金属材料拉伸单轴蠕变试验方法
• ISO 377
• 钢铁和钢铁产品 – 用于机械测试的样品和试件的定位和准备
• ISO 783
• 金属材料——高温拉伸试验
• 日标G0601
• 复合钢板-机械和工艺试验
• ISO 3108
• 一般用途钢丝绳实际破断载荷的测定
• EN 10319
• 金属材料 - 拉伸应力松弛试验 - 第 1 部分：试验机程序
• ISO 15579
• 金属材料-低温拉伸试验
• ASTM B557M
• 变形铝镁合金制品拉伸试验试件及方法
• DIN EN ISO 2566-1
• 钢——伸长率值的转换——第 1 部分：碳钢和低合金钢
• DIN EN ISO 2566-2
• 钢——延伸率值的转换——第 2 部分：奥氏体钢
• ASTM E111-04 和 ASTM E1875-00
• 杨氏模量、切线模量和弦模量的标准测试方法
• 用声波共振法测定动态杨氏模量、剪切模量和泊松比的标准试验方法

拉伸试验中影响拉伸强度的因素有哪些？

影响拉力试验机拉力试验的主要因素包括：取样面积和取样方法，试样的形状、尺寸和精度，测量仪器、试验设备，试验环境温度，夹具的选择，试样的夹持方式，拉伸率，拉伸试样截面积、测量误差等。

1 采样点和方法

取样部位的差异可直接影响金属材料拉伸试验后的延伸率、屈服强度和抗拉强度等性能指标。 金属材料由于成分、组织、组织、缺陷、加工变形等原因而分布不均，使同一批次甚至同一产品不同部位的力学性能出现差异。 此外，在切割试样坯料时，必须防止机械性能受热、加工硬化和变形的影响。

2 试样形状、尺寸及精度

对于同一状态下的同一材料，如果截面形状不同，则测量结果对上屈服强度的影响较大，对下屈服强度的影响较小； 截面面积大（尺寸大）的试样抗拉强度低于尺寸小的试样，塑性指标也降低； 试样平行长度内的平行度和尺寸精度也容易影响试验结果。 试样平行长度内的平行度和尺寸精度也容易影响试验结果。 这是因为试件的测量尺寸值可能不是实际样品的最小位置，这将导致测试结果偏低。 因此，试样的形状和尺寸需要符合标准。

3 用于测量仪器

尺寸测量仪器、量具的精度必须满足试验要求。 因此，在进行测试之前，必须对各种测量仪器进行校准，同时保持仪表的清洁和清晰。

4 测试设备

试验机和引伸计是金属材料拉伸试验中常用的两种试验设备，直接影响试验结果的准确性和真实性。 前者用来衡量力的大小； 后者主要用于位移或伸长的测定。 因此，确保试验机和引伸计在试验有效期内并定期校准非常重要。

5 测试环境温度

一些金属材料对温度高度敏感，如果测试温度变化太大，即使是普通金属材料也会导致测试测量结果不一致。 一般来说，体心立方金属的屈服强度随着温度的下降而急剧增加，而面心立方金属的屈服强度变化不太明显。 随着温度升高，金属的屈服强度通常会降低。

6 夹紧装置的选择，对试样夹紧的影响

不正确的夹具选择、试样夹持和引伸计的装卸都会影响试验结果。 夹紧装置与试样形状不匹配，夹紧装置表面花纹形状不合适，会造成夹紧装置与试样未形成足够的夹紧面积，静摩擦力不够，造成拉伸过程中夹紧装置与试样的相对滑动，从而影响拉伸结果。

7 装夹方式

不合理的夹持方式容易造成试样在夹爪内滑脱或折断，造成试验数据不准确或试验数据偏低。

8 拉伸率

拉伸速率直接影响金属材料的应力-应变关系。 不同材料对速度的敏感程度不同，拉伸率对不同材料的影响大小不同，材料强度低、塑性好的材料影响要大。

9 拉伸试样横截面积的测定

拉伸试样截面积的测定方法有两种：一种是ISO 6892金属拉伸试验方法，另一种是相应的材料产品标准。 有的产品标准规定，拉伸试样的截面积按公称尺寸的截面积来确定。

10 试样尺寸的测量方法及测量中的人为误差

应根据直径使用外径千分尺或游标卡尺测量拉伸试样。 如果测量方法不准确，从而导致人为测量尺寸偏大。 由于主观因素和操作技术的不同，也会给测量结果带来误差。