Lo、Le选取及试样宽度对拉伸试验数据的影响分析

张永福 程璐佳 姜亮亮

（1.上海市特种设备监督检验技术研究院，上海200062；2.南亮压力容器技术（上海）有限公司，上海201900）

1 拉伸试验理论基础

1.1 拉伸试验原理

拉伸试验是测定力学性能应用最广泛的试验方法，试验中的弹性变形、塑性变形、断裂等各阶段真实反映了材料抵抗外力的全过程，它具有简单易行、试样便于制备等特点。从试验结果中我们可以得到材料的力学性能指标，常用的有屈服强度、规定塑性延伸强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率等。拉伸试验所得到的强度和塑性性能数据，可用于原材料的验收、产品质量评定、焊接工艺评价、新材料研发、设计的选材等，在有些场合还可直接用拉伸试验的结果作为判据。

如图1所示，在拉伸试验中，我们可以看到试样在慢慢被拉长，然后出现缩颈现象，最后被拉断。这个过程共包括6个阶段，即弹性变形、滞弹性变形、屈服前微塑性变形、屈服变形、均匀塑性变形、局部塑性变形。试验机上的记录装置以应力为纵坐标，应变为横坐标，记录的应力—应变曲线如图2所示。

图1 拉伸过程示意图

图2 应力—应变曲线

弹性变形阶段（Oa），即伸长与载荷之间服从虎克定律，在卸除拉力后试样可以恢复到原长。滞弹性变形阶段（ab），此时试样的变形仍然是弹性的，但应力和应变不再符合线性关系，此阶段很短，一般不容易观察到。屈服前微塑性变形阶段（bc），试样开始出现连续均匀的微小塑性变形，在卸除外力后试样并不能恢复原长。屈服变形阶段（cde），试样产生了较大的塑性变形。均匀塑性变形阶段（ef），屈服阶段结束后，必须进一步增加外力才能使试样继续被拉长。局部塑性变形阶段（fg），试样在拉力的作用下，变形量增大，最终在某个截面产生了缩颈现象，直至被拉断，在此过程中得到试样的抗拉强度。

1.2 影响拉伸试验结果的主要因素

影响拉伸试验结果的因素主要有两类：一是测量器具及拉伸试验机、引伸计的精度，二是试样形状、尺寸、引伸计标距选用、试验速度等。第一类影响因素可以通过误差累计定量分析出来，第二类影响因素并不能定量表示。我们可以通过对比试验，恰当地选定试样形状，精确试样尺寸等，将试验误差限制在一定范围内。本文主要讨论试样形状即比例试样与非比例试样、试样宽度以及引伸计标距选用对试验结果的影响。

2 试验过程

2.1 试样选取及制备

试样材料取自30CrMo无缝钢管调质热处理后试样环上，共切取4个纵向弧形试样编号为A-1、A-2、B-1、B-2。A、B两组试样取自相邻位置，取样位置如图3所示，试样A-1、B-1为比例试样兼非比例试样，如图4所示，即在该两支试样上取两组标距，一组为按比例试样取原始标距，一组按非比例试样取原始标距Lo=50 mm；A-2、B-2为比例试样，如图5所示。

图3 取样位置图

2.2 试验目的

以本试验从钢管上取纵向弧形试样为例，测得材料的Rp0.2、Rm、A、Z。进行3组对比，1组为比例试样与非比例试验作对比，即A-1、B-1试样上的比例标距和非比例标距作对比，得出比例试样与非比例试样试验结果具体差值；2组同为比例试样，即

图4 试样A-1、B-1

图5 试样A-2、B-2

A-1、B-1上取比例标距与A-2、B-2作对比，但两组选用引伸计标距不同，从而得出引伸计标距对试验结果的影响；3组同为比例试样，采用不同试样宽度，得出试样宽度对试验结果的影响。以此3组试样作对比可更具体地分析出引伸计标距Le、原始标距Lo、试样宽度对试验结果的影响程度，供企业在进行产品拉伸试验时作为参照，正确选择试样尺寸、引伸计标距，从而获得更可靠的数据结果。

2.3 试样尺寸测量

试样宽度测量采用校验后的游标卡尺，试样厚度测量采用检验后的壁厚千分尺，具体测得数据如表1所示。

表1 试样尺寸表

2.4 试验结果数据

尺寸测量后按照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行试验操作，具体试验数据结果如表2所示。

表2 试验数据结果

3 数据分析

3.1 引伸计标距Le不同对Rp0.2的影响

规定塑性延伸强度Rp0.2即塑性延伸率为0.2%时对应的强度值，且延伸率只与引伸计标距Le有关，与原始标距Lo无关。

A-1、B-1拉伸试样无论取固定标距Lo=50 mm还是取比例 标距Lo=5.65，根据引伸计 选取公 式Le≤0.9L（cLc≥Lo+1.5），该组引伸计的标距Le都取50 mm。A-2、B-2为比例试样，Lo=5.65且Le=100 mm。从试验结果看，两组试验Rp0.2数值差中包含由于A-2、B-2、试样横截面积增大导致强度值略有下降。Le从50 mm变为100 mm后，Rp0.2最大差值下降0.76%，所以引伸计标距Le的不同，对Rp0.2的影响并不明显。通过此次试验可推论，只要引伸计的标距尽量覆盖平行长度距离，所得Rp0.2的数据差值变化都不会太大。

3.2 原始标距Lo对断后伸长率的影响

断后伸长率=（Lu-Lo）/Lo，由此公式可得，断后伸长率只与试样原始标距Lo有关。当在A-1、B-1两组试样上取比例标距时，测得断后生长率分别为20.05%、21.23%。当在A-1、B-1两组试样上取非比例标距即固定标距Lo=50 mm时，测得断后伸长率分别为28.32%、28.60%。不难看出，采用非比例试样测得的断后伸长率远大于比例试样。且试样的原始标距Lo值越小，所得断后伸长率值越大。由于原始标距的不同对断后伸长率的数据影响较大且不方便数据间的对比，建议试验机构或制造商在条件允许情况下尽量采用比例试样，即原始标距取比例标距。

3.3 试样宽度对强度及断后伸长率的影响

上述两组数据可得，试样宽度越大则屈服强度及抗拉强度值越低，当宽度增加204%时，Rp0.2最高下降0.76%，抗拉强度最高下降1.2%，所以宽度对强度的影响不明显。

在A-1、B-1两组试样上取比例标距，与A-2、B-2的试验结果进行比较。由于宽度增加，横截面积增大，原始标距也随着增大。但宽度增加204%后，得到的断后伸长率的数值相差2.3%、2.1%。综上，宽度对试验结果Rp0.2及断后伸长率A的影响都不显著。

4 结论

通过对比试验结果分析得出以下结论：比例试样与非比例试样在断后伸长率上差距显著，非比例试验测得断后伸长率合格，比例试验测得数据不一定合格。为了严格试验结果，建议试验机构或制造单位必须采用比例试样，特殊情况采用非比例试样时也应对断后伸长率进行换算；在试验中，同为比例试样时，采用的引伸计标距不同并不绝对性地影响试验结果；试样宽度对试验结果影响也不显著。GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》中对管材纵向弧形试样宽度做出明确规定，当钢管外径Do＞200 mm时，试验宽度取38 mm。但根据现实条件，对于壁厚较大的钢管此试验宽度并不可行，不仅拉伸最大力Fm接近试验机的拉伸力值极限，且试验尺寸较大，使得尺寸精度不能保证，在此情况下，试样宽度可适当缩小。