拉伸曲线是由拉伸试验机图1测出的用来描述材料的应力与应变之间的关系的曲线拉伸曲线可以反映出材料包括弹性变形塑性变形和断裂这三种基本力学行为的相关信息可用来综合评定材料各种力学性能包括强度塑性韧性及加工硬化等在科学研究和实际工程应用中作用显著因此掌握拉伸曲线分析技巧意义重大
图1典型的拉伸试验测试设备
典型的材料拉伸曲线如图2所示按照有无屈服平台橙色椭圆所示应力与应变一阶导约为零大致可分为有屈服阶段的拉伸曲线如建筑钢和无屈服阶段的拉伸曲线如高强钢变形铝合金等
图2典型的拉伸曲线橙色椭圆所示为拉伸屈服平台
1拉伸曲线可直接反映的具体信息
比例极限
p
应力与应变成正比关系的最大应力
弹性极限
e
材料由弹性变形过渡到弹塑性变形的应力应力超过弹性极限开始发生塑性变形时的应力
屈服极限
s
金属发生明显塑性变形的抗力屈服点屈服点对应的强度有上下屈服极限
条件屈服强度
02
当没有明显屈服平台时规定产生02残余塑性应变时的应力
抗拉强度强度极限
b
试样拉断前最大载荷所决定的临界应力
弹性模量E弹性变形阶段应力和应变成正比例关系即符合胡克定律其比例系数即为弹性模量
延伸率试样拉伸断后标距段的总变形L与原标距长L之比LL100和截面收缩率都是描述材料塑性性能的指标
图3典型拉伸曲线示意图
2拉伸曲线基本特点
材料不同其拉伸曲线也有所不同但总的来说从初始拉伸至最后断裂过程可基本划分为几个特征阶段
1弹性阶段如图4所示这个阶段分为两种当应力小于p时应力和应变成正比超过比例极限后应力和应变虽然不保持正比关系但变形依然是弹性的卸载后变形完全恢复为零直线斜率E其大小反映材料抵抗弹性变形的一种能力代表了材料的刚度此外材料在发生杆的轴向伸长的同时还发生横向收缩横向正应变与纵向正应变之的绝对值称为材料的泊松比反映材料横向变形的弹性常数
图4弹性拉升阶段拉伸曲线示意图
2屈服阶段如图5所示在超过弹性阶段后出现明显的屈服过程即曲线沿一水平段上下波动即应力增加很少变形快速增加这表明材料在此载荷作用下宏观上表现为暂时丧失抵抗继续变形的能力微观上表现为材料内部结构发生急剧变化从微观结构解释这一现象是由于构成金属晶体材料结构晶格间的位错在外力作用下发生有规律的移动造成的由于材料在这一阶段已经发生过量变形必然残留不可恢复的变形塑性变形因此从屈服阶段开始材料的变形就包含弹性和塑性两部分
图5屈服阶段拉伸曲线示意图
3强化阶段如图6所示屈服阶段结束后拉伸曲线又出现上升现象说明材料恢复了对继续变形的抵抗能力材料若要继续变形必须施加足够的载荷如果在这一阶段卸载弹性变形将随之消失而塑性变形将永远保留强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行卸载后若重新加载材料的弹性阶段线将加长屈服强度明显提高塑性将降低这种现象称作应变强化或冷作硬化可用来提高材料的强度强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布的拉伸曲线的应力达到强度极限
b
是材料均匀塑性变形的最大抵抗能力是材料进入颈缩阶段的标志
图6强化阶段拉伸曲线示意图
4颈缩阶段如图7所示应力到达强度极限后开始在试样最薄弱处出现局部变形从而导致试样局部截面急剧颈缩承载面积迅速减少试样承受的载荷很快下降直至断裂断裂时试样的弹性变形消失塑性变形则遗留在断裂的试样上
图7颈缩阶段拉伸曲线示意图
3真实应力应变曲线的处理方法
在设计有关材料结构设计或模拟仿真运算中经常需要依据材料真实性能参数而通常通过拉伸实验直接做出来的拉伸曲线往往是工程上的应力应变曲线并不能完全精确反映材料的真实拉伸情况如拉伸实验误差拉升过程中标距段横截面积的变化等这就需要对拉伸试验的结果进行处理得到真实的应力应变曲线另外由于实验所得的数据太多一般为几千个点甚至为上万个点而平常仿真软件输入的点一般为几百个所以为了得到有效数据必须对原始数据进行处理主要通过以下步骤进行处理以仿真软件CAE为例
31对力位移曲线进行处理
1清理无效数据
将前面的空白点予以删除并对位移进行初步的元整如图8所示图中的0位移节点要删除点直至第一个位移为非0点
图8无效数据清理前后示意图a清理前b清理后
2对位移进行初次处理
位移的数据小数点后有很多位首先处理到适当位置就行
32计算工程应力应变曲线
应力力厚度宽度
应变伸长量初始长度
33计算真实应力应变曲线
真实应力工程应力1工程应变
真实应变Ln1工程应变
34取整
将应力应变曲线进行四舍五入取整
35筛选数值
【脆性材料拉伸应力应变曲线 应力应变曲线怎么看拉伸强度】以一定应变为增量取相应的应力值并绘制折线图然后取有效区域数值如图9中的红圈部分为无效区域应舍去
图9数值帅选示例上图中的红圈部分为无效区域
36有效应力应变
有效应力应变曲线一般是将数据的弹性部分去除如图10表格所示直接将a中0003或0004之前的对应的应力舍去应变不变应力顺移即可获得b即0应变为对应的应力为原来0004对应的应力0002应变对应的应力为原来0006对应的应力
图10有效应力应变数据处理示例图
经过以上的处理方法得到有效应力应变曲线就可以将得到的数值导入到CAE软件中进行数值计算
4其他处理技巧
1当实验测出的位移和力的数值都是从负值开始
正确的做法不应是直接去除负数值的点而只保留非负数的点而应将坐标原点平移即将横纵坐标所有值都各自加上测出得到的相应的最大负数值使各自初始点都从零点开始
2严格计算材料延伸率时是将拉伸总的形变量与原长标距的比值计算得到吗
严格来说延展率是拉伸塑性形变量与原长标距的比值即拉伸曲线上进入塑性变形后的总的变形量减去一开始的弹性变形量才是实际的变形量通常工程上由于弹性变形量相对较小所以将拉伸总的变形量代替拉伸塑性形变量计算得到的
3当遇到拉伸曲线呈特殊情况下应该实验数据取舍问题如遇到下图11所示弹性阶段前出现一小段平线
图11拉伸弹性阶段前出现一小段平线线的特殊拉伸曲线示例
该曲线是通过实验计算得到的应力应变曲线是真实的理论上可以用前面的平缓区绝大部分是因为夹具系统初始的空隙和试样的弱连接的所致应该将前面平线段舍弃后重新作图
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