浅谈试验速率对金属材料力学性能的影响

宗震霆

（常州市便民服务中心，江苏 常州 213200）

实验速率对金属材料的影响主要为钢材屈服点，其中试验对于铝合金、镁合金等材料的塑性影响较大，对钛合金屈服强度影响较大。要科学控制试验速率，确保金属材料力学性能达到目标值是开展实验的前提。当前运用最为广泛的试验便是拉伸试验，由于其所具有的简单性、便捷性、直观性等特点，试样容易加工且结果具有代表性。为了进一步提升试验速率数据的精确性，特提出本文论点。

1 试验速率简析

试验速率主要表现在试验过程中，为达到检测数据目标值而调节快慢的一项参数，在拉伸试验中，速率便有空载横梁位移速率、有载试验机夹头分离速率、应力速率、应变速率四大类形式。最后三种是拉伸试验中最常用的速率控制方式。针对不同的金属材料，在拉伸时所展示的物理现象、力学性能都有所不同，因此试验速率对性能的检测效果也有很大的差异。金属材料力学性能指标所受试验速率的影响程度因材料的变化而变化。对此，在拉伸试验中，应当严格按照相关规范和标准进行，不得超过规定的速率范围，这样才能确保试验数据的可靠性、准确性以及可比性。

依照《金属材料拉伸试验：室温试验方法》中的相关规定，将应变速率控制分为2种方式即引伸计反馈控制、横梁移位速率控制。在进行实际应用时，相关工作人员试验获取到的应变速率相关数据，可采用应变速率控制的方式。能够极大地控制测量结果误差，降低不确定性，避免引起试验速率的较大变化。

当待测样品属于同类金属时，需采用不同的实验速率进行验证，将试验数据进行分组，对比分析出结果。测试金属材料的力学性能需涉及到材料延伸率、屈服强度、抗拉强度等等。若测试结果不合格，要及时调整试验速率，金属材料的抗拉强度和屈服强度值可增强，验证出的金属材料力学性能数据符合规定要求，对此在金属材料拉伸性能测试中要科学控制试验速率，减少误差。

2 试验速率对金属材料力学性能的影响

2.1 对钢性能的影响

在对金属材料进行试验时，部分材料对试验速率的变化较为敏感，所产生的测量结果影响很大。例如在对Q235（强度低、塑性好）以及40SiMnV（强度高、塑性差）两种常见钢材进行测验时，分别将两种类型的材料放于不同的试验速率状态下，测定两种金属材料的力学性能。在进行试验测试时，取一根直径为12mm的钢筋，截出20个试样品，存放于常温环境下，测定结果为：设定在计划试验速率范围内，提升试验速率，金属材料的屈服数值和抗拉强度值也有所上升。

对45钢的抗拉强度、断后伸长率进行对比试验时发现，在不同的试验速率下，将45钢置于温度达到850℃的条件下火烧半个小时，并在（1.0～24）mm/min的条件下开展试验，提升试验速率的同时，材料的抗拉强度也随之提升，而断后伸长率却随之降低。当试验速率提升到10mm/min的条件时，材料断后伸长率的减小程度与抗拉强度的增大程度都在减缓。

通过两个试验能够发现，对钢材的力学性能进行速率测试，当提升试验速率时，能够显著提升钢材的抗拉强度、屈服强度，但与此同时，材料的塑性也会降低。此外，试验速率对于强度高、塑性差的钢材强度影响较低；对强度低、塑性好的钢材强度影响较高。

图1 钢材力学性能速率测试图

2.2 对铝合金性能的影响

铝合金的主要合金元素是镁和硅。具有优秀的加工性、焊接性、挤压性、电镀性、耐腐蚀性、韧性、容易研磨性、阳极氧化效果，是典型的挤压合金。铝合金型材由于其可塑性、适度的热处理强度、良好的焊接性能、阳极氧化后的光鲜表面，广泛用于建筑型材、灌溉管、车辆管、平台管、家具管、电梯管、栅栏管等。如果在铝合金中加入一定量的锰和铬，可以中和铁的破坏作用。为了在不显著降低耐蚀性的情况下提高合金强度，有时会添加少量的铜或锌。导电材料含有少量铜，以抵消对钛和铁导电性能的不利影响。锆或钛可以控制再结晶组织，细化颗粒；添加铅和铋以提高加工性。由于金属特性的不同，所制成的合金材料载荷能力也有所不同。在试验中，选取的测试样品为铝合金材料测试其拉伸速率。待测材料设定不同的拉伸速率，主要测量材料断后伸长率、抗拉强度等相关指标。通过验证可知：当拉伸速率从1mm/min逐渐提升到24mm/min时，该材料的抗拉强度变化达到7.9MPa（增加）、断后伸长率的变化则为-2.1%（降低）。说明试验速率的提升会使得铝合金的抗拉强度提升、断后伸长率降低。

图2 铝合金材料抗拉强度变化情况

选择不同的试样尺寸进行试验，分析7050T74铝合金在不同试验速率下的性能变化。试验结果表明：将试验速率从1mm/min提升到100mm/min时，该材料的抗拉强度并未出现较大的变化，但对断后伸长率的影响较大。伴随试验速率的继续提升，断后伸长率持续降低，可以得到结论：在对铝合金类金属材料进行拉伸试验时，最适宜的速率最好为50mm/min。

继续测试应变速率对铝合金材料室温拉伸性能的影响效果。选用材料为Al-Zn-Mg合金。试验结果表明：当应变速率处于较低数值时，材料会出现断裂，金属材料断裂主要是韧性断裂。改变应变速率后，材料性能发生变化，断裂性质表现为脆性断裂。金属材料的变形方向以拉伸方向为主，同时出现部分不明显的析出相。金属材料的抗拉强度得到显著提高，屈服强度变大，断后伸长率下降幅度最大。

该实验表面，试验速率对铝合金的断后伸长率具有显著影响，而不会较大影响合金材料的抗拉强度、屈服强度。当试验速率大幅变化时，铝合金材料的塑性会随之降低，可能会使得测量结果不精确，与规范不符。

2.3 对钛合金性能的影响

在室温条件下进行拉伸测试，选用材料为TA15钛合金。试验结果表明，在准静态（即试验速率较低的状态）条件下，材料对试验速率的敏感性较强，钛合金材料的断面收缩情况、抗拉状态、屈服强度等会出现大幅度变化。在提高拉伸试验速率的情况下，钛合金材料的屈服强度发生改变。基于动态试验，钛合金材料试验速率影响其屈服强度尤为明显，测量结果显示在动态条件下钛合金材料屈服强度比在室温条件下屈服强度提高了1.65倍。

2.4 对镁合金性能的影响

为了研究试验速率对镁合金材料力学性的影响，选择AZ31B为试验材料，应变速率设置为（10-4～10-1）mm/min/s，试验温度依然为室温条件。试验表明，当提升试验速率时，镁合金材料的屈服强度、抗拉强度都会随之增加，而断后延伸率呈反比关系，即随着速率的提升而减小。该试验所发生的拉伸断裂形式为韧脆性断裂。

若采取圆柱形试样进行试验，在不同的试验速率环境下，镁合金材料的塑性性能会随着速率的增加而降低，流变应力持续提升。

3 结论

通过上述几项对比试验可以得到以下几个结论：

（1）对于钢材料来说：提升试验速率，能够使得抗拉强度、屈服强度提升，而刚才塑性降低。实验速率对强度高、塑性差的刚才强度影响较低，反之亦然。

（2）针对镁合金材料和铝合金材料试验：两种材料的可塑性受试验速率影响较大，材料的屈服强度和抗拉强度随试验速率提升而升高，断后延伸率数值明显降低。

（3）钛合金材料进行力学性能研究后发现：试验速率对屈服强度有较大影响，断后伸长率、断面收缩率、抗拉强度等影响较低。随着试验速率的提升，屈服强度增加。该性能变化在动态试验中更加明显。

（4）对于不同的金属材料，试验速率的变化都会对金属材料的力学性能产生不同的影响，合理控制试验速率能够显著增强试验精确性，让测试数据更加符合规范要求，可以帮助测试人员更好地进行科研。