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疲劳强度检测中心解析金属材料拉伸弹性模量(静态法)的测定

发布日期:2017-06-28浏览次数:
    弹性模量是工程材料重要的性能参数,从宏观角度来说,弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度,从微观角度来说,则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。
 
    凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模量,如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度等。因合金成分不同、热处理状态不同、冷塑性变形不同等,金属材料的杨氏模量值会有5%或者更大的波动。但是总体来说,金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标,合金化、热处理(纤维组织)、冷塑性变形等对弹性模量的影响较小,温度、加载速率等外在因素对其影响也不大,所以一般工程应用中都把弹性模量作为常数。
 
    弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标,其值越大,使材料发生一定弹性变形的应力也越大,即材料刚度越大,亦即在一定应力作用下,发生弹性变形越小。弹性模量(用E指代)是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标,相当于普通弹簧中的刚度。
 
    目的
    弹性模量又称杨氏模量,是弹性材料最重要、最具特征的力学性质之一,是物体弹性变形难易程度的表征,用E表示。定义为理想材料有小形变时应力与相应的应变之比。E以σ单位面积上承受的力表示,单位为N/m²
    拉伸试验中:
    屈服极限σs和强度极限σb,反映了材料对力的作用的承受能力
    延伸率δ或截面收缩率ψ,反映了材料塑性变形的能力
    为了表示材料在弹性范围内抵抗变形的难易程度,在实际工程结构中,材料弹性模量E的意义通常是以零件的刚度体现出来的,这是因为一旦零件按应力设计定型,在弹性变形范围内的服役过程中,是以其所受负荷而产生的变形量来判断其刚度的。
    例如,要想提高零件的刚度E,或要减少零件的弹性变形,可选用高弹性模量的材料和适当加大承载的横截面积,刚度的重要性在于它决定了零件服役时稳定性,对细长杆件和薄壁构件尤为重要。因此,构件的理论分析和设计计算来说,弹性模量E是经常要用到的一个重要力学性能指标。
 
    方法创新
    材料受外力作用发生形变,其内部胁强和胁变(即相对形变)的比值称为杨氏弹性模量。对该物理量的测量已有过很多探究性实验,对金属杨多模量的测量通常是把一根长约lm,直径0.25~0.5mm的钢丝悬挂于支架上,上端固定,下端加砝码对钢丝施加力F以使其产生内部应力,通过测量原长度L以及加砝码后的伸长量△L 以定出应变,然后根据定义
    E= (△F/S)/(△L/L)
    确定杨氏模量E(式中S是截面积)。在此实验中通常是用光杠杆或测量显微镜(或测微目镜)测伸长量△L,用砝码测力。因为用到多种常用的长度测量方法以及测力方法,因此通常把它作为一个基本测量实验,但是此方法间接测量物理量较多,偶然误差较大。
 
    测试原理示意图
 
    铸铁、不锈钢、纯铜和各种塑性良好的有色合金和轻合金等非线弹性金属材料在机车车辆工业中应用比较普遍,而这类材料的应力一应变曲线初始段部分没有线弹性金属材料那样明显弹性直线段。
 
    在ETM205D微机控制电子万能试验机上以ADC12压铸铝合金金属材料作为试样,进行杨氏弹性模量的测试,建立了新的数据处理模型,取得良好的效果。
 
    一、实验仪器:ETM205D微机控制电子万能试验机
 
    二、实验方法与步骤:三晶电阻应变片式引伸计来测量拉伸弹性模量的方法
    采用精密线切割机裁出200mm×25 mm 的无缺陷长条形试样,用精度为0.01 mm 的游标卡尺测量出试样厚度(本次实验试样厚度为5.03 mm)。
将试样与拉力试验机轴线成一直线装到夹具中。试样在试验前应处于基本不受力状态,设定拉伸速度为2 mm/min。启动试验机,观察计算机上的试验曲线,得到拉力- 变形曲线图及实验数据,其曲线图如图1 所示。
 
    图1 拉力-变形曲线
 
    三、实验分析及结论

    为了消除试样在装夹时产生的影响,取入口点力为5N左右。从图中可以看出,铸铝材料明显无屈服阶段,在力F=3.7067kN进入强化阶段。F=0~3.067kN 时,曲线的斜率基本为一条直线,当F≥3.067kN时,曲线表现一条无明显线性关系的曲线。按材料力学及工程计算要求,拉伸曲线初始部分的曲线斜率作为材料弹性模量,故取F=1.59~3706.70 N 时的曲线进行计算。取相应的数据区间:σ=0.289471~26.58716MPa,ε=0.000003 ~0.000369 ,利用ORIGIN中的线性回归法拟合曲线,可得出如图2 所示结果。从图2 可知,拟合曲线为y =72422.32x+0.75811,试样的拉伸弹性模量为72.42232GPa。
 
    图2 应力-应变曲线及拟合曲线方程
 
    图3 Test_Pilot软件弹性模量测试结果
 
    与ETM205D配置软件Test_Pilot所带软件所作弹性模量测试分析测试结果(E=35.9428GPa)图3比较可以看出分析软件Test_Pilot在计算金属材料拉伸弹性模量时的局限。
 
    结论
    利用微机控制电子万能试验机,合理分析计算机中记录的实验数据及拉力曲线特点,配合ORIGIN的数据分析功能,可以比较精准地测量金属材料的拉伸弹性模量。该方法操作性强,解决了GB/T22315-2008中测量金属材料拉伸弹性模量的问题。