GB/T22315-2008金屬材料拉伸彈性模量(靜態(tài)法)的測(cè)定
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2022-10-09 瀏覽：
文章介紹了一種利用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)配以計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算金屬材料拉伸彈性模量的方法。該方法使用ORIGIN軟件對(duì)金屬材料的拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)線性回歸法計(jì)算得出金屬材料拉伸彈性模量，解決了GB/T 22315-2008中測(cè)量金屬材料拉伸彈性模量的問(wèn)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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，則是原子、離子或分子之間鍵合強(qiáng)度的反映。凡影響鍵合強(qiáng)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(huì)有5%或者更大的波動(dòng)。但是總體來(lái)說(shuō)，金屬材料的彈性模量是一個(gè)對(duì)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(duì)彈性模量的影響較小，溫度、加載速率等外在因素對(duì)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(chēng)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(shí)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(yàn)中得到的屈服極限σs和強(qiáng)度極限σb，反映了材料對(duì)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(shí)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(lái)的，這是因?yàn)橐坏┝慵磻?yīng)力設(shè)計(jì)定型，在彈性變形范圍內(nèi)的服役過(guò)程中，是以其所受負(fù)荷而產(chǎn)生的變形量來(lái)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(shí)穩(wěn)定性，對(duì)細(xì)長(zhǎng)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(jì)計(jì)算來(lái)說(shuō)，彈性模量E是經(jīng)常要用到的一個(gè)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(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)
雙柱拉力機(jī)示意圖
0 引言：
材料受外力作用時(shí)必須發(fā)生形變，其內(nèi)部脅強(qiáng)和脅變(即相對(duì)形變)的比值稱(chēng)為楊氏彈性模量，它是物體的一個(gè)重要參量。對(duì)該物理量的測(cè)量已有過(guò)很多探究性實(shí)驗(yàn)，對(duì)金屬楊多模量的測(cè)量通常是把一根長(zhǎng)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(duì)鋼絲施加力F以使其產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，通過(guò)測(cè)量原長(zhǎng)度L以及加砝碼后的伸長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)中通常是用光杠桿或測(cè)量顯微鏡(或測(cè)微目鏡)測(cè)伸長(zhǎng)量△L,用砝碼測(cè)力。因?yàn)橛玫蕉喾N常用的長(zhǎng)度測(cè)量方法以及測(cè)力方法，因此通常把它作為一個(gè)基本測(cè)量實(shí)驗(yàn)，但是此方法間接測(cè)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(xiàng)重要物理性能指標(biāo)，結(jié)構(gòu)材料均須測(cè)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(jī)車(chē)車(chē)輛工業(yè)中應(yīng)用比較普遍，而這類(lèi)材料的應(yīng)力一應(yīng)變曲線初始段部分沒(méi)有線彈性金屬材料那樣明顯彈性直線段。目前許多測(cè)試機(jī)械性能的軟件所配置的彈性模量測(cè)試方法不理想，也無(wú)法判斷結(jié)果的好壞。筆者在ETM205D微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)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(cè)試，建立了新的數(shù)據(jù)處理模型，取得良好的效果。
1 實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)儀器
目前，一般的智能電子拉力機(jī)都配有計(jì)算機(jī)及配套軟件，可以實(shí)時(shí)顯示拉伸曲線，并能記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的檢測(cè)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行拉伸彈性模量檢測(cè)時(shí)，一般還需配備引伸計(jì)。本文使用三晶電阻應(yīng)變片式引伸計(jì)來(lái)測(cè)量拉伸彈性模量的方法。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法及步驟
拉伸彈性模量反映試樣彈性階段的整個(gè)試驗(yàn)特征，一般情況下采用標(biāo)線間的應(yīng)力應(yīng)變來(lái)計(jì)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(lái)計(jì)算彈性模量。
采用精密線切割機(jī)裁出200mm×25 mm 的無(wú)缺陷長(zhǎng)條形試樣，用精度為0.01 mm 的游標(biāo)卡尺測(cè)量出試樣厚度（本次實(shí)驗(yàn)試樣厚度為5.03 mm）。
將試樣與拉力試驗(yàn)機(jī)軸線成一直線裝到夾具中。試樣在試驗(yàn)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(dòng)試驗(yàn)機(jī)，觀察計(jì)算機(jī)上的試驗(yàn)曲線，得到拉力- 變形曲線圖及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其曲線圖如圖1所示
圖1 拉力-變形曲線
1.3 實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)論
為了消除試樣在裝夾時(shí)產(chǎn)生的影響，取入口點(diǎn)力為5N左右。從圖中可以看出，鑄鋁材料明顯無(wú)屈服階段，在力F=3.7067kN進(jìn)入強(qiáng)化階段。F=0～3.067kN 時(shí)，曲線的斜率基本為一條直線，當(dāng)F≥3.067kN時(shí)，曲線表現(xiàn)一條無(wú)明顯線性關(guān)系的曲線。按材料力學(xué)及工程計(jì)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(shí)的曲線進(jìn)行計(jì)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。
圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線及擬合曲線方程
與ETM205D配置軟件Test_Pilot所帶軟件所作彈性模量測(cè)試分析測(cè)試結(jié)果（E=35.9428GPa）圖3比較可以看出分析軟件Test_Pilot在計(jì)算金屬材料拉伸彈性模量時(shí)的局限。
圖3 Test_Pilot軟件彈性模量測(cè)試結(jié)果
2 結(jié)論
利用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，合理分析計(jì)算機(jī)中記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及拉力曲線特點(diǎn)，配合ORIGIN的數(shù)據(jù)分析功能，可以比較精準(zhǔn)地測(cè)量金屬材料的拉伸彈性模量。該方法操作性強(qiáng)，解決了GB/T22315-2008中測(cè)量金屬材料拉伸彈性模量的問(wèn)題。
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【本文標(biāo)簽】：T22315-2008,金屬材料,拉伸,彈性,模量,靜態(tài),法
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