范緯世，李玲玲，李敬瑜

（河北科技學(xué)院 河北 保定 071000）

1 引言

在當(dāng)代制造業(yè)的當(dāng)中，各種金屬材料被普遍應(yīng)用，且應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。如何確定某種金屬材料的適用場合，這就要先確定材料的一般力學(xué)性能。金屬材料的力學(xué)性能也即其機(jī)械加工或機(jī)械運(yùn)動性能，是指該金屬材料在外力影響下抵抗各種形式的形變能力，也可以理解為抵抗外力拉伸、受壓彎曲及碰撞沖擊的能力。一種材料的力學(xué)性能是設(shè)計(jì)者選材和選型、研發(fā)人員制作新材料、采購者驗(yàn)收材料、產(chǎn)品質(zhì)量檢測的主要參考標(biāo)準(zhǔn)。對于不同的機(jī)械性能對應(yīng)有不同的測試方法，例如強(qiáng)度檢測、塑性測試、硬度檢測以及沖擊韌性實(shí)驗(yàn)等。一般來說，常見金屬材料均具有較好的延展性，而且其拉伸、壓縮性能是一個(gè)衡量材料應(yīng)用價(jià)值的重要力學(xué)參數(shù)。通過拉伸試驗(yàn)可以測量材料的屈服強(qiáng)度，確定材料屈服點(diǎn)、延展率，測定其彈性模量、面積縮減量等。因此，拉伸實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為一種被廣泛采用的試驗(yàn)辦法和檢測手段來測定金屬材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能。金屬材料拉伸性能測試的主要流程包括以下幾步，首先通過金屬材料樣坯的切取與制備，獲得試樣，其次試樣再經(jīng)過加工來滿足拉伸試驗(yàn)的一般要求。在加工過程中，試驗(yàn)材料的制備方法、取樣尺寸、取樣取向等材料自身的特征及其測試過程，都會直接或間接導(dǎo)致拉伸試驗(yàn)結(jié)果受到影響。因此只有做到精確且滿足材料特性需要的取、制、測的標(biāo)準(zhǔn)化流程，才能將材料力學(xué)拉伸性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差降到最小。

因此，試樣加工需要遵循嚴(yán)格的力學(xué)性能試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，也就是說，切取試樣與制備試樣一定要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，一旦存在問題，將會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。本文以鋼制材料為金屬樣例，研究影響材料拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的因素，并從多方面進(jìn)行了分析與探討，希望具有一定的參考價(jià)值。

2 金屬材料取樣方向?qū)ζ湫阅艿挠绊?/h2>

取樣要求金屬材料滿足一定條件：外觀合適、尺寸合格、大小適當(dāng)。其次特別注意要做好樣本位置標(biāo)識，以免弄亂取樣方向。且要按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)確定取樣的方向和數(shù)量。常見金屬拉伸試驗(yàn)一般選取縱向拉伸、橫向拉伸、45°矩形拉伸三個(gè)方向取樣[1]。如圖1所示，縱向拉伸方向取樣即與金屬軋制方向一致進(jìn)行取樣；橫向拉伸方向取樣即與金屬軋制方向垂直進(jìn)行取樣；45°角方向取樣即與金屬軋制方向保持夾角45°角的位置進(jìn)行取樣。

圖1 拉伸試樣取樣方向

以厚度為12 mm，尺寸為200 mm×20 mm×8 mm，Q235B 鋼帶為對象進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示通過對取樣方向的不同進(jìn)行分析，樣品材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都存在比較大的差異。并且在橫向（垂直）拉伸方向上，鋼材拉伸性能表現(xiàn)最差；沿縱向（水平）方向上，鋼材拉伸性能表現(xiàn)最好；沿45°角矩形拉伸方向上，數(shù)據(jù)顯示鋼材拉伸性能介于上述兩者之間。我們分析原因，這是因?yàn)殇撳V在軋制過程中內(nèi)部金屬晶體特性所致，外部軋制力導(dǎo)致柱狀金屬晶體在金屬變形過程中發(fā)生方向的轉(zhuǎn)變，使晶體纖維沿軋制方向取向排列。另外，鋼材摻雜物質(zhì)也會沿軋制方向取向排列，這就導(dǎo)致了金屬材料力學(xué)性能的方向差異性。再有，經(jīng)過冷加工后的鋼材會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，也會能夠?qū)е陆饘俨牧系男阅艹霈F(xiàn)各向異性。

總的來說，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析結(jié)果較為一致，即在軋制方向上金屬材料的力學(xué)性能較優(yōu)越，而在與軋制垂直方向上出現(xiàn)金屬纖維化，因而影響了金屬材料的拉伸性能。

3 金屬材料取樣位置對其性能的影響

我們常用的金屬材料大部分都屬于晶體材料，其中尤其是鋼材一類金屬材料，在鋼材制作和加工過程中會經(jīng)過熱處理和軋制等工序處理，必然會由于受力而出現(xiàn)組織纖維化和結(jié)晶等現(xiàn)象，從而使其材料力學(xué)性能明顯出現(xiàn)各向異性，導(dǎo)致不同材料或不同處理方式而產(chǎn)生的物理力學(xué)性能差異[2]。

因此，除了要考慮取向因素以外，材料不同位置取出的樣品在物理性能上也會存在差異。從理論上分析，加工會導(dǎo)致材料在組織成分、內(nèi)部缺陷、密度分布等方面呈現(xiàn)不均勻的特性。材料成型時(shí)，澆鑄模形狀不同、位置不同、結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致液態(tài)金屬在模具中的流速也會不同；因模具出口形狀導(dǎo)致的擠壓材料流速大小不同而出現(xiàn)材料成型后致密度的差異，材料力學(xué)性能也會表現(xiàn)出與位置相關(guān)性。從化學(xué)成分上來看，材料會呈現(xiàn)局部不均，導(dǎo)致微觀金相組織不同位置出現(xiàn)差異。所有這些因素都會在材料的力學(xué)拉伸性能中表現(xiàn)出來。因此，同一批次同一產(chǎn)品力學(xué)性能與位置的相關(guān)性就是一個(gè)不可忽略的因素。

試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)表明：以圓鋼為例，材料中心區(qū)與1/4直徑位置處相比較，抗拉強(qiáng)度值相差30 MPa。以槽鋼為例，取樣位置選在腰部和腿部，其抗拉強(qiáng)度差異值為16 MPa。因此，必須結(jié)合產(chǎn)品需要，注重選取試樣不同部位進(jìn)行拉伸測量，減小試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定度，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

4 取樣方法和工藝對材料性能的影響

因取樣導(dǎo)致的樣品試件力學(xué)性能變化也不能忽略。取樣方式除了切割、沖壓以外，還有較多方法，比如：剪切法、車削、銑削、磨削、線切割等。這些方法均需要考慮如下因素影響，例如：摩擦受熱形變、機(jī)械加工導(dǎo)致表面硬化等影響因素。取樣方式方法應(yīng)當(dāng)針對不同材料采取不同措施避免影響測量數(shù)據(jù)。

從工藝上考慮，測試樣品必須要留有充足的機(jī)械加工剩余量。利用數(shù)控機(jī)床設(shè)備加工樣品時(shí)，需要將切削熱導(dǎo)致的樣品試件變化部分去除，刀具與試件擠壓硬化部分也應(yīng)在材料拉伸性能測試時(shí)去除。保證因取樣方法和加工工藝引入的數(shù)據(jù)誤差最小。此外，產(chǎn)品樣坯也應(yīng)保證校正較平，確保表面質(zhì)量不影響材料性能測量。所以，試件機(jī)械加工過程帶來的對材料拉伸等力學(xué)性能的影響也應(yīng)得到重視[3]。

5 加工溫度對金屬材料拉伸性能的影響

根據(jù)材料力學(xué)理論來分析，溫度對拉伸的影響過程主要是：溫度會改變金屬材料內(nèi)部的分子運(yùn)動速度，溫度升高時(shí)，金屬材料內(nèi)部的分子鏈的斷鏈能力會增大，那么，分子與分子之間的力就會減小。因此，高溫時(shí)金屬材料的橫向拉伸強(qiáng)度會變大。但過高溫度會導(dǎo)致材料內(nèi)大分子鏈大量斷裂，進(jìn)而影響并減小金屬材料的拉伸強(qiáng)度。因此，選取合理的材料加工溫度，金屬材料的力學(xué)拉伸性能才能達(dá)到最佳。

另外，溫度也可能影響樣件的檢測數(shù)據(jù)，在某些情況下，例如在使用高精度的材料性能測量儀器進(jìn)行試驗(yàn)測量時(shí)，就必須要修正溫度帶來的不利影響，必要時(shí)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)補(bǔ)償。

6 拉伸速度對金屬材料拉伸性能的影響

金屬材料的力學(xué)性能主要還是取決于其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。在材料加工的過程中，金屬材料的拉伸性能也比較明顯地受拉伸速度的影響[4]。例如：在緩慢拉伸時(shí)，金屬材料（扁鋼板）大概可承受300 kN的拉力；假如改變拉伸速度，使其增大，對相同材料仍施加相同拉伸力（200 kN），則會導(dǎo)致材料被拉斷。這是因?yàn)橥ㄟ^外拉力的作用，材料內(nèi)部晶體超過平移臨界點(diǎn)，導(dǎo)致材料內(nèi)部晶體的晶向與晶面發(fā)生運(yùn)動移位。

綜上所述，我們在切取和加工金屬材料時(shí)，為了得到良好的加工性能，要兼顧考慮材料尺寸、位置，加工工藝、材料溫度、拉伸速度、加工余量、表面質(zhì)量的影響。使得材料整體力學(xué)性能滿足需要。金屬材料是當(dāng)代制造業(yè)應(yīng)用當(dāng)中最常見的材料之一，在產(chǎn)品制作與研發(fā)中起著重要的作用。為了滿足不同特征產(chǎn)品的使用需要，測試不同金屬材料的力學(xué)性能對于研發(fā)人員取材、選材有重要意義。