取样与加工对金属材料拉伸性能的影响研究

《取样与加工对金属材料拉伸性能的影响研究》论文发表期刊：《信息记录材料》；发表周期：2021年04期

《取样与加工对金属材料拉伸性能的影响研究》论文作者信息：范纬世（1982-），男，河北保定，硕士，河北科技学院讲师，主要研究方向：物理。

　　【摘要】金属材料是当代制造业应用当中最常见的材料之一，在产品制作与研发中起着重要的作用。为了满足不同特征产品的使用需要，测试不同金属材料的力学性能对于研发人员取材、选材有重要意义。而材料拉伸试验是测量其力学性能的有效方式。本文从试样切取方向、试样加工工艺、环境条件等方面分析可能影响测量结果的多种因素，并从理论上进行了分析，探索了减小这些影响的措施，为更好的选择样品加工方法和保证产品质量、提升效果提供了参考。

　　【关键词】金属材料;取样;拉伸性能

　　1引言

　　在当代制造业的当中，各种金属材料被普遍应用，且应用领域十分广泛。如何确定某种金属材料的适用场合，这就要先确定材料的一般力学性能。金属材料的力学性能也即其机械加工或机械运动性能，是指该金属材料在外力影响下抵抗各种形式的形变能力，也可以理解为抵抗外力拉伸、受压弯曲及碰撞冲击的能力。一种材料的力学性能是设计者选材和选型、研发人员制作新材料、采购者验收材料、产品质量检测的主要参考标准。对于不同的机械性能对应有不同的测试方法，例如强度检测、塑性测试、硬度检测以及冲击韧性实验等。一般来说，常见金属材料均具有较好的延展性，而且其拉伸、压缩性能是一个衡量材料应用价值的重要力学参数。通过拉伸试验可以测量材料的屈服强度，确定材料屈服点、延展率，测定其弹性模量、面积缩减量等。因此，拉伸实验已经成为一种被广泛采用的试验办法和检测手段来测定金属材料的屈服强度、抗拉强度等力学性能。金属材料拉伸性能测试的主要流程包括以下几步，首先通过金属材料样坯的切取与制备，获得试样，其次试样再经过加工来满足拉伸试验的一般要求。在加工过程中，试验材料的制备方法、取样尺寸、取样取向等材料自身的特征及其测试过程，都会直接或间接导致拉伸试验结果受到影响。因此只有做到精确且满足材料特性需要的取、制、测的标准化流程，才能将材料力学拉伸性能试验数据的误差降到最小。

　　因此，试样加工需要遵循严格的力学性能试验相关标准，也就是说，切取试样与制备试样一定要按照相关标准进行，一旦存在问题，将会对试验结果产生影响。本文以钢制材料为金属样例，研究影响材料拉伸试验数据结果的因素，并从多方面进行了分析与探讨，希望具有一定的参考价值。

　　2金属材料取样方向对其性能的影响取样要求金属材料满足一定条件：外观合适、尺寸合格、大小适当。其次特别注意要做好样本位置标识，以免弄乱取样方向。且要按照产品标准确定取样的方向和数量。常见金属拉伸试验一般选取纵向拉伸、横向拉伸、45.矩形拉伸三个方向取样[1)。如图1所示，纵向拉伸方向取样即与金属轧制方向一致进行取样;横向拉伸方向取样即与金属轧制方向垂直进行取样：45角方向取样即与金属轧制方向保持夹角45"角的位置进行取样。

　　以厚度为12mm，尺寸为200 mm ×20mm ×8mm，Q235B钢带为对象进行试验，试验数据显示通过对取样方向的不同进行分析，样品材料的抗拉强度和屈服强度都存在比较大的差异。并且在横向(垂直)拉伸方向上，钢材拉伸性能表现最差;沿纵向(水平)方向上，钢材拉伸性能表现最好;沿45。角矩形拉伸方向上，数据显示钢材拉伸性能介于上述两者之间。我们分析原因，这是因为钢锭在轧制过程中内部金属晶体特性所致，外部轧制力导致柱状金属晶体在金属变形过程中发生方向的转变，使晶体纤维沿轧制方向取向排列。另外，钢材掺杂物质也会沿轧制方向取向排列，这就导致了金属材料力学性能的方向差异性。再有，经过冷加工后的钢材会产生残余应力，也会能够导致金属材料的性能出现各向异性。

　　总的来说，实验数据与理论分析结果较为一致，即在轧制方向上金属材料的力学性能较优越，而在与轧制垂直方向上出现金属纤维化，因而影响了金属材料的拉伸性能。

　　3金属材料取样位置对其性能的影响我们常用的金属材料大部分都属于晶体材料，其中尤其是钢材一类金属材料，在钢材制作和加工过程中会经过热处理和轧制等工序处理，必然会由于受力而出现组织纤维化和结晶等现象，从而使其材料力学性能明显出现各向异性，导致不同材料或不同处理方式而产生的物理力学性能差异2。

　　因此，除了要考虑取向因素以外，材料不同位置取出的样品在物理性能上也会存在差异。从理论上分析，加工会导致材料在组织成分、内部缺陷、密度分布等方面呈现不均匀的特性。材料成型时，浇铸模形状不同、位置不同、结构不同导致液态金属在模具中的流速也会不同;因模具出口形状导致的挤压材料流速大小不同而出现材料成型后致密度的差异，材料力学性能也会表现出与位置相关性。从化学成分上来看，材料会呈现局部不均，导致微观金相组织不同位置出现差异。所有这些因素都会在材料的力学拉伸性能中表现出来。因此，同一批次同一产品力学性能与位置的相关性就是一个不可忽略的因素。

　　试验经验表明：以圆钢为例，材料中心区与14直径位置处相比较，抗拉强度值相差30MPa。以槽钢为例，取样位置选在腰部和腿部，其抗拉强度差异值为16MPa，因此，必须结合产品需要，注重选取试样不同部位进行拉伸测量，减小试验数据的不确定度，保证产品质量。

　　4取样方法和工艺对材料性能的影响因取样导致的样品试件力学性能变化也不能忽略。取样方式除了切割、冲压以外，还有较多方法，比如：剪切法、车削、铣削、磨削、线切割等。这些方法均需要考虑如下因素影响，例如：摩擦受热形变、机械加工导致表面硬化等影响因素。取样方式方法应当针对不同材料采取不同措施避免影响测量数据。

　　从工艺上考虑，测试样品必须要留有充足的机械加工剩余量。利用数控机床设备加工样品时，需要将切削热导致的样品试件变化部分去除，刀具与试件挤压硬化部分也应在材料拉伸性能测试时去除。保证因取样方法和加工工艺引入的数据误差最小。此外，产品样坯也应保证校正较平，确保表面质量不影响材料性能测量。所以，试件机械加工过程带来的对材料拉伸等力学性能的影响也应得到重视[3。

　　5加工温度对金属材料拉伸性能的影响根据材料力学理论来分析，温度对拉伸的影响过程主要是：温度会改变金属材料内部的分子运动速度，温度升高时，金属材料内部的分子链的断链能力会增大，那么，分子与分子之间的力就会减小。因此，高温时金属材料的横向拉伸强度会变大。但过高温度会导致材料内大分子链大量断裂，进而影响并减小金属材料的拉伸强度。因此，选取合理的材料加工温度，金属材料的力学拉伸性能才能达到最佳。

　　另外，温度也可能影响样件的检测数据，在某些情况下，例如在使用高精度的材料性能测量仪器进行试验测量时，就必须要修正温度带来的不利影响，必要时进行温度数据补偿。

　　6拉伸速度对金属材料拉伸性能的影响金属材料的力学性能主要还是取决于其内部微观结构。在材料加工的过程中，金属材料的拉伸性能也比较明显地受拉伸速度的影响[1。例如：在缓慢拉伸时，金属材料(扁钢板)大概可承受300 KN的拉力;假如改变拉伸速度，使其增大，对相同材料仍施加相同拉伸力

　　(200kN)，则会导致材料被拉断。这是因为通过外拉力的作用，材料内部晶体超过平移临界点，导致材料内部晶体的晶向与晶面发生运动移位。

　　综上所述，我们在切取和加工金属材料时，为了得到良好的加工性能，要兼顾考虑材料尺寸、位置，加工工艺、材料温度、拉伸速度、加工余量、表面质量的影响。使得材料整体力学性能满足需要。金属材料是当代制造业应用当中最常见的材料之一，在产品制作与研发中起着重要的作用。为了满足不同特征产品的使用需要，测试不同金属材料的力学性能对于研发人员取材、选材有重要意义。【参考文献】

　　[1]林磊，加工对金属材料拉伸性能的影响研究[J].内燃机与配件，2018(9)：123-125.

　　[2]耿富强，刘兵华，李美琳，试样取样与加工对美标金属材料拉伸性能的影响[J].化工装备技术，2013，34(2)：30-32.

　　[3]杨小萌，金航可，陈特，试样加工对金属材料性能的影响[J].南方农机，2016(11)：131.

　　[4]申志敏，高静，浅析加工对金属材料拉伸性能的影响[J].山东工业技术，2017(13)：12.