GB/T22315-2008金屬材料拉伸彈性模量(靜態(tài)法)的測定

來源：天氏庫力發(fā)布日期 2022-10-09 瀏覽：

文章介紹了一種利用微機控制電子萬能試驗機配以計算機來計算金屬材料拉伸彈性模量的方法。該方法使用ORIGIN軟件對金屬材料的拉伸實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過線性回歸法計算得出金屬材料拉伸彈性模量，解決了GB/T 22315-2008中測量金屬材料拉伸彈性模量的問題。

【意義】彈性模量是工程材料重要的性能參數(shù)，從宏觀角度來說，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，從微觀角度來說，則是原子、離子或分子之間鍵合強度的反映。凡影響鍵合強度的因素均能影響材料的彈性模量，如鍵合方式、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、微觀組織、溫度等。因合金成分不同、熱處理狀態(tài)不同、冷塑性變形不同等，金屬材料的楊氏模量值會有5%或者更大的波動。但是總體來說，金屬材料的彈性模量是一個對組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，合金化、熱處理（纖維組織）、冷塑性變形等對彈性模量的影響較小，溫度、加載速率等外在因素對其影響也不大，所以一般工程應(yīng)用中都把彈性模量作為常數(shù)。

彈性模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小。彈性模量E是指材料在外力作用下產(chǎn)生單位彈性變形所需要的應(yīng)力。它是反映材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo)，相當(dāng)于普通彈簧中的剛度。

【目的】彈性模量又稱楊氏模量，彈性材料的一種最重要、最具特征的力學(xué)性質(zhì)，是物體彈性變形難易程度的表征，用E表示。定義為理想材料有小形變時應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變之比。E以σ單位面積上承受的力表示，單位為N/m²

拉伸試驗中得到的屈服極限σs和強度極限σb，反映了材料對力的作用的承受能力，而延伸率δ或截面收縮率ψ，反映了材料塑性變形的能力。為了表示材料在彈性范圍內(nèi)抵抗變形的難易程度，在實際工程結(jié)構(gòu)中，材料彈性模量E的意義通常是以零件的剛度體現(xiàn)出來的，這是因為一旦零件按應(yīng)力設(shè)計定型，在彈性變形范圍內(nèi)的服役過程中，是以其所受負(fù)荷而產(chǎn)生的變形量來判斷其剛度的。

例如要想提高零件的剛度E,或要減少零件的彈性變形，可選用高彈性模量的材料和適當(dāng)加大承載的橫截面積，剛度的重要性在于它決定了零件服役時穩(wěn)定性，對細(xì)長桿件和薄壁構(gòu)件尤為重要。因此，構(gòu)件的理論分析和設(shè)計計算來說，彈性模量E是經(jīng)常要用到的一個重要力學(xué)性能指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】金屬材料，拉伸彈性模量，微機控制電子萬能試驗機萬能試驗機

雙柱拉力機示意圖

0 引言：

材料受外力作用時必須發(fā)生形變，其內(nèi)部脅強和脅變(即相對形變)的比值稱為楊氏彈性模量，它是物體的一個重要參量。對該物理量的測量已有過很多探究性實驗，對金屬楊多模量的測量通常是把一根長約lm，直徑0.25～0.5 mm的鋼絲懸掛于支架上，上端固定，下端加砝碼對鋼絲施加力F以使其產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，通過測量原長度L以及加砝碼后的伸長量△L 以定出應(yīng)變，然后根據(jù)定義E= (△F/S)/(△L/L)確定楊氏模量E(式中S是截面積)。在此實驗中通常是用光杠桿或測量顯微鏡(或測微目鏡)測伸長量△L,用砝碼測力。因為用到多種常用的長度測量方法以及測力方法，因此通常把它作為一個基本測量實驗，但是此方法間接測量物理量較多，偶然誤差較大。

楊氏彈性模量是金屬材料的一項重要物理性能指標(biāo)，結(jié)構(gòu)材料均須測定這一參數(shù)。鑄鐵、不銹鋼、純銅和各種塑性良好的有色合金和輕合金等非線彈性金屬材料在機車車輛工業(yè)中應(yīng)用比較普遍，而這類材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線初始段部分沒有線彈性金屬材料那樣明顯彈性直線段。目前許多測試機械性能的軟件所配置的彈性模量測試方法不理想，也無法判斷結(jié)果的好壞。筆者在ETM205D微機控制電子萬能試驗機上以ADC12壓鑄鋁合金金屬材料作為試樣，進(jìn)行楊氏彈性模量的測試，建立了新的數(shù)據(jù)處理模型，取得良好的效果。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

目前，一般的智能電子拉力機都配有計算機及配套軟件，可以實時顯示拉伸曲線，并能記錄實驗過程中的檢測數(shù)據(jù)。在進(jìn)行拉伸彈性模量檢測時，一般還需配備引伸計。本文使用三晶電阻應(yīng)變片式引伸計來測量拉伸彈性模量的方法。

1.2 實驗方法及步驟

拉伸彈性模量反映試樣彈性階段的整個試驗特征，一般情況下采用標(biāo)線間的應(yīng)力應(yīng)變來計算彈性模量。故本方法考慮用試樣標(biāo)線間的應(yīng)力應(yīng)變來計算彈性模量。

采用精密線切割機裁出200mm×25 mm 的無缺陷長條形試樣，用精度為0.01 mm 的游標(biāo)卡尺測量出試樣厚度（本次實驗試樣厚度為5.03 mm）。

將試樣與拉力試驗機軸線成一直線裝到夾具中。試樣在試驗前應(yīng)處于基本不受力狀態(tài)，設(shè)定拉伸速度為2 mm/min。啟動試驗機，觀察計算機上的試驗曲線，得到拉力- 變形曲線圖及實驗數(shù)據(jù)，其曲線圖如圖1所示

圖1 拉力-變形曲線

1.3 實驗分析及結(jié)論

為了消除試樣在裝夾時產(chǎn)生的影響，取入口點力為5N左右。從圖中可以看出，鑄鋁材料明顯無屈服階段，在力F=3.7067kN進(jìn)入強化階段。F=0～3.067kN 時，曲線的斜率基本為一條直線，當(dāng)F≥3.067kN時，曲線表現(xiàn)一條無明顯線性關(guān)系的曲線。按材料力學(xué)及工程計算要求，拉伸曲線初始部分的曲線斜率作為材料彈性模量，故取F＝1.59～3706.70 N 時的曲線進(jìn)行計算。取相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)間：σ＝0.289471～26.58716MPa,ε＝0.000003 ～ 0.000369，利用ORIGIN中的線性回歸法擬合曲線，可得出如圖2 所示結(jié)果。從圖2 可知，擬合曲線為y =72422.32x+0.75811，試樣的拉伸彈性模量為72.42232GPa。