金属材料六种伸长率的对比与分析

1、金属材料六种伸长率的分析摘要 金属材料伸长率分为6种：断后伸长率、断裂总延伸率、最大力总延伸率、最大力非比例延伸率、残余伸长率和屈服点延伸率。本文介绍国标中各伸长率的测定方法，揭示各种伸长率的含义、用途、区别、影响因素以及换算关系。关键词 伸长率；延伸率；1 前言伸长率是衡量金属材料塑形的一项参数，其种类、定义及换算执行国标GB/T228的规定。国标GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温实验方法参照国际标准ISO6892-1:2009进行了修订，整体结构、层次划分等均与ISO6892-1:2009基本一致，代替了原国标GB/T228-2002金属材料室温实验方法。GB/T2

2、28.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温实验方法将伸长率分为6种：断后伸长率（A）、残余伸长率（Ar）、断裂总延伸率（At）、最大力总延伸率（Agt）、最大力非比例延伸率（Ag）和屈服点延伸率（Ae）。其中4项延伸率均为在应力状态下测定的指标，2项伸长率为卸载应力后测定的指标。（在原国标GB/T228-2002金属材料室温实验方法中，残余伸长率在应力下测定）。2 伸长率种类、定义和用途GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温实验方法定义伸长时采用了两个近义术语：伸长和延伸。拉伸试验期间任一时刻，试样原始标距（L0）的增量称为“伸长”；延伸可以理解为拉伸试验期间任一给定

3、时刻，引伸计上标距（Le）的增量。试验中用测量延伸的方法测定伸长，两者并无本质区别。2.1断后伸长率国标中定义断后伸长率：断后标距的残余伸长（Lu-Lo）与原始标距（L0）之比的百分率。断后伸长率是在拉断后的试样上测取得，国标规定：为了测定断后伸长率，应将试样断裂的部分仔细地配接在一起使其轴线处于同一直线上，并采取特别措施确保试样断裂部分适当接触后测量试样断后标距。计算方法如下：A=Lu-LoL0×100%式中：L0试样原始标距，mm；Lu断后试样拼接后的标距，mm。如规定的最小断后伸长率小于5%，建议采取特殊方法进行测定试验前在平行长度的两端处做一很小的标记，使用调节到标距的分规，

4、分别以标记为圆心画一圆弧。拉断后，将断裂的试样置于一装置上，最好借助螺丝施加轴向力，以使其在测量时牢固地对接在一起。以最接近断裂的原圆心为圆心，以相同的半径划第二个圆弧。用工具显微镜或其他合适的仪器测量两个圆弧之间的距离即为断后伸长。如断裂处与最接近的标距标记的距离小于原始标距的三分之一时，可采用移位法测定断后伸长率试验前将试样原始标距细分为5mm到10mm的N等份，试验后，以符号X表示断裂后试样短段的标距标记，以符号Y表示试样长段的等分标记。如X与Y之间的分格数为n，按如下测定断后伸长率：A=XY+2XY-L0L0×100A=XY+YZ'+YZ''-L0L0

5、×100断后伸长率也可以通过引伸计测得，见图1。图中Lr实际上代表塑性伸长与局部缩颈伸长，计算方法如下：A=LrLe×100%图1 用图解法测定断后延伸和断裂总延伸2.2断裂总延伸率国标定义：断裂时刻原始标距的总延伸（弹性延伸加塑性延伸）与引伸计标距Le之比的百分率。断裂总延伸率是在应力下测定的伸长率。试验时记录应力-延伸曲线，确定图1中的C点，OC为断裂总伸长（Lf），则断裂总延伸率计算方法如下：At=LfLe×100%2.3最大力塑形延伸率国标定义：最大原始标距的塑性延伸Lg与引伸计上标距Le之比的百分率。在用引伸计测得的应力-应变曲线图上，从最大总延伸Lm中

6、扣除弹性延伸部分即为塑性延伸Lg。最大力塑性延伸率实际反映了试样塑性变形伸长率。其计算公式如下：Ag=LmLe-RmmE×100%式中，Le引伸计标距；mE应力-应变曲线上弹性变形部分的斜率；Rm抗拉强度；Lm最大力下总延伸。也可用图解法测定最大延伸率，见下图：当最大力出现平台时，取平台中点的最大力对应的塑性延伸为L。此时，最大力塑性延伸率的计算如下：Ag=LgLe×100%图2 用图解法测定最大力延伸率方法2.4最大力总延伸率国标定义：最大力时原始标距的总延伸Lm与引伸计标距Le之比的百分率。最大力总延伸率是在应力下测定的延伸率，见图2，将最大力点的总延伸Lm除以引伸计标

7、距Le，即为最大力总延伸率，即Agt=LmLe×100%2.5残余伸长率残余伸长率是在引伸计上测定的伸长率，指试样施加并卸除指定应力后，引伸计标距的残余伸长量与引伸计标距（Le）之比的百分率，曾称为永久伸长率。2.6屈服点延伸率屈服点延伸率是在应力下测定的伸长率，对呈现不连续屈服的材料，指从应力-应变曲线图上，均匀加工硬化开始点的延伸减去上屈服强度对应的延伸得到的延伸Ay，再用Ay除以引伸计标距Le即得到屈服点延伸率，即Agt=LyLe×100%如图3，均匀加工硬化开始点的确定方法为：根据经过不连续屈服阶段的最后的最小值点做一条水平线，或经过均匀加工硬化前屈服范围的回归线，

8、与均匀加工硬化开始处曲线的最高斜率线相交点确定。图3 屈服点延伸率的不同评估方法(左为水平线法，右为回归线法)2.7 小结从上述对国标GB/T228.1-2010相关内容的解读中不难发现断后伸长率（A）、残余伸长率（Ar）、断裂总延伸率（At）、最大力总延伸率（Agt）、最大力非比例延伸率（Ag）和屈服点延伸率（Ae）这六种伸长率（延伸率）不同而互有联系，总结起来就是：1） 概念不同，所代表的含义不同。2) 对于同一件试样，这六种伸长(延伸)率的试验结果有显著性的差别。2) 这六种伸长（延伸）率呈线性正相关。图4 断后伸长率、断裂总延伸率、最大力总延伸率、最大力非比例延伸率对比3 影响伸长率的

9、因素3.1 金属材料锭内部存在各种冶金缺陷现有金属材料，无论板材还是棒料，几乎都要经过压力加工，而在压力加工过程中，金属晶粒沿主变形方向拉长，夹杂也沿变形方向排列，行程金属纤维，造成材料各向异性，即使同一批产品，取样部位和取样方向不同，伸长率往往有一定的差异。因此在制备试样时，必须按照规定进行切取样坯和制备试样，国标GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温实验方法中对此没有详细说明，详细规定制定在国标GB/T 2975中，有特殊需求的也可按照相关产品标准进行。3.2 拉伸试验速率拉伸试验时的拉伸速率对金属材料的伸长率有明显影响，伸长率的值一般随拉伸速度增加而降低。不同钢种对速

10、率变化的敏感程度各异，到目前为止尚未找到一个公式或一个固定的数值来表示拉伸速率对伸长率的影响。因此GB/T228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分：室温实验方法根据钢铁材料的特性，规定测定屈服点延伸率（Ae）时，应变速度控制在0.00025/s-0.0025/s范围内；测定其他伸长率（或延伸率）时，应变速率应控制在不大于0.008/s范围内，以此来排除速率的影响。如果试验以应力速率为基准，国标中亦有对应速率标准。3.3 试样的几何形状、标距、直径同一材料，其试样外形、规格不同，性能亦有所差异，比如圆形横截面试样比矩形横截面试样具有更高的断后伸长率和断面收缩率。因此GB/T228.1-201

11、0中对试样的几何形状、标距等进行了详细的规定。将试样标距分为比例标距和非比例标距两种，凡试样原始标距（L0）与原始横截面积（S0）存在L0=kS0关系的称为比例试样，不存在上述关系的称为非比例试样。常用比例系数有k=5.65和k=11.3两种，分别称为短（标距）试样和长（标距）试样。国标GB/T228.1优先推荐k=5.65的短试样，同时规定原始标距不得小于15mm。当原始截面积太小，短试样标距不足15mm时，可选用长试样（优先考虑）或非比例试样。对于同一材料，选用不同标距测得的伸长率数值不一样，用短试样和长试样测得的伸长率分别用A5.65和A11.3表示。仅当标距（引伸计标距）、横截面形状和

12、面积相同、或比例系数相同时，断后伸长率才具有可比性。3.4 试样表面光洁度、拉力试验机的夹具、引伸计精度、试样对中状况和热耗等。GB/T228.1在试样加工、试验设备的精准度、实验速率、加持方法等相关条款中均有明确的规定，以此来保证试验结果具有可比性。比如，GB/T228.1规定制备试样应不影响其力学性能，应通过机加工方法除去由于剪切或冲切而产生的加工硬化部分材料。这些材料优先从板材或带材上制备，如果可能，应保留原轧制面。而通过冲切制备的试样，在材料性能方面会产生明显变化，尤其是屈服强度或规定延伸强度，会由于加工硬化而发生明显变化，对于这类呈现明显加工硬化的材料，通常通过铣或磨削等手段加工。4

13、 伸长率之间的换算4.1 包氏关系式包氏在分析断后伸长时提出，塑性均匀变形伸长是整个试样的均匀伸长，可表示为L塑=L0；局部缩颈伸长是局部伸长。可表示为：L缩颈=S0，则断后伸长率A=塑性均匀变形伸长率+局部缩颈伸长率，即A=+S0L0式中与是与材料特性相关的常数。从关系式中可以看到：随原始标距增加，断后伸长率减小；同一材料，试样截面积不同，即使采用同一标距测得的断后伸长率也不同；只有采用同一比例系数的试样，检测结果才有可比性。包氏关系式所反映的断后伸长率与试样尺寸的关系不那么准确，所以有修正公式：A=+S0L0-S0L0×SS0式中S为缩颈处最小截面积。4.2 奥式公式一般认为奥式

14、公式比包氏公式更准确、更适用，其基本表达式为：A=RS0L0n式中R和n是与材料特性相关的常数。对于某种材料，取不同标距和不同截面积的试样测定断后伸长率，然后对测得数据进行数理分析，求出常数R和n，即可得到该材料断后伸长率的计算公式。4.3 同牌号、不同标距钢材断后伸长率换算国标GB/T17600-1998钢的伸长率换算第1部分以及钢的伸长率换算第2部分对此有详细规定，标准中所用公式以奥氏公式为基础确定，在此不再赘述。5 各伸长率的应用在断后伸长率（A）、残余伸长率（Ar）、断裂总延伸率（At）、最大力总延伸率（Agt）、最大力非比例延伸率（Ag）和屈服点延伸率（Ae）这6种伸长率中，断后伸长

15、率（A）、残余伸长率（Ar）、断裂总延伸率（At）、最大力总延伸率（Agt）、最大力非比例延伸率（Ag）是成品金属材料常选用的检测项目，屈服点延伸率（Ae）一般不被选用。目前，绝大多数金属材料试验中都选择测定的伸长率是断后伸长率，原因可能是断后伸长率是在断裂后的试样上测得，操作简单，对试验设备要求低，数据处理容易，同时在伸长率的换算方面断后伸长率已有较为完备的体系。选用其它伸长率的实例如：GB/T11182-2006橡胶管增强用钢丝中要求钢丝断裂总延伸率不小于2.0%（L0=250mm），预应力应小于10%Rm；GB/T5223-2002预应力混凝土用钢丝中要求冷拉钢丝最大总延伸率不小于1.5%，消除应力光圆及螺旋肋钢丝最大力总延