液压夹具夹持力对金属材料室温拉伸曲线的影响及处理

摘 要： 针对日常检测中金属材料室温拉伸曲线出现的异常现象，分析材料试验机液压夹具夹持力大小对金属材料室温拉伸曲线的影响情况。结果表明：液压夹具夹持力对拉伸曲线的影响不可忽视，应注意观察试样最大拉力并适时调整夹具夹持力；在判明曲线异常为液压夹具夹持力所致时，应人为处理曲线得出正确测试结果。

通过拉伸试验可以测得金属材料的弹性模量、泊松比、屈服强度、规定非比例延伸强度、抗拉强度、应变硬化指数等基本力学性能指标。拉伸试验通常用材料拉伸试验机来完成，目前试验机的夹具主要有手动、气动、液压夹具等，液压夹具因其具有操作方便、夹持力可调等优点而被广泛选用。在拉伸试验过程中，影响拉伸曲线的因素很多，如试样的粗糙度、试验机精度、拉伸速度等，这些影响因素的控制要求在GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》[1]中都有明确规定，但在工作中发现，液压夹具夹持力(由油压控制)对拉伸曲线的影响较大，选择的夹持力偏大或偏小都会使拉伸曲线变形失真，此时对拉伸曲线的适当处理显得至关重要，而这方面的研究报道较少，为此本文分析液压夹具夹持力影响拉伸曲线的几种情况及处理方法。

1 试验材料和方法

试验所用材料为油管用调质态4140、13Cr，根据文献[1-2]中的相关规定，制备同规格的夹持式标准圆形拉伸试样。试验方法严格执行GB/T 228.1A224。试验设备为深圳新三思的CMT5305型电子万能试验机(液压夹具)，试验机油箱上油压和试验力之间合适的比例标识可供试验者参考(如表1)，但试验力的不可预知使油压的选择只能凭经验而定，偏差不可避免。

表1 根据试验力选择油压

2 试样的制备

用调质态4140或13Cr的试块制备成直径为12.5mm、平行长度为65mm的纵向标准圆形室温拉伸夹持试样，试样的加工精度相同且符合相关要求[3-4]。

3 试验结果分析与处理

3.1 夹持力偏小对拉伸曲线的影响及处理

3.1.1 拉伸曲线弹性段中部出现抖动室温拉伸试验最常见的异常是试样与夹具间打滑导致拉伸曲线弹性段中部出现抖动。图1是夹具油压为4MPa时调质态4140的室温拉伸曲线，最大拉力98.84kN相对应的油压应不小于6MPa，所选4MPa的油压显然过小，油压偏小使得夹持力不足，造成曲线弹性段中部出现明显抖动，但在抖动点前后都遵从虎克定律(呈直线)，曲线完整，且在屈服阶段存在明显的拐点，所以只需将弹性段起点移到抖动点以上位置，弹性段终点取在拐点附近，即能得到准确的检测结果。

图1 弹性段中部抖动的曲线及处理

3.1.2 接近屈服点的位置出现双拐点

拉伸曲线在弹性段靠近屈服点的位置提前出现拐点，然后继续遵从虎克定律前行，到达屈服点时再次出现屈服拐点，貌似两次屈服，此时较难确定真正的屈服点，需要试验人员通过对材料特性的了解，结合最大拉力和油压的选择关系做出正确判断。图2是夹具油压为7MPa时调质态4140的室温拉伸曲线，试样硬度为335HBW10/3000，从合金钢材料的抗拉强度Rm≈3HBW[5-6]看，所测强度与硬度相符，如此高强度的材料不应出现如此宽度的屈服平台，且在第1拐点后曲线仍遵从虎克定律，所以第1拐点并非真屈服，是夹具油压偏小造成夹持力小于拉力引起的试样打滑所致；第2拐点才是真正的屈服点，应按图2所示处理曲线，将平台以上的部分平行左移，使弹性阶段、屈服阶段与加工硬化阶段光滑对接[7]，然后用两点法存取弹性段起点和终点，平移切线获取规定塑性延伸强度FP0.2，处理结果见表2。

3.1.3 屈服阶段向应变硬化的过渡段缺失

调质态13Cr取两个平行试样，分别选用夹具油压为4MPa和7MPa，其它拉伸条件相同的状态下进行室温拉伸试验。7MPa的拉伸曲线正常，而4MPa的拉伸曲线在屈服阶段向应变硬化(加工硬化)阶段过度时出现异常，其原因是下钳口夹板与下钳口座接触面内可能有氧化皮等较硬杂物形成了机械间隙；随着拉力的增大，夹持力不足和机械间隙在屈服阶段向应变硬化阶段过渡时影响了试验机的响应速率和实时性[8]，此时应按光滑对接原则将曲线对接完整后人为处理，从而得到正确的处理结果(见图3、表3)。

图2 双拐点的曲线及处理

表2 平行试样的正常检测值与异常曲线处理后的检测结果

图3 4MPa油压时的异常拉伸曲线及处理

3.2 夹持力偏大对拉伸曲线的影响及处理

对于材质较软或试样较小的金属材料室温拉伸试验，往往会出现夹具油压(夹持力)选择偏大的现象，试验初始阶段夹持力偏大使夹持端产生塑性变形，弹性段起始部分呈弧线状，到弹性中段才开始遵循虎克定律。图4是夹具油压为8MPa时调质态13Cr的室温拉伸曲线。试验初期因油压较大，使拉伸试样所受夹持力偏大而产生夹持端的塑性变形，影响了弹性段初期的线性，轴向拉力与夹持力平衡后才回归正常状态。对这种特征明显的变形曲线，不难做出正确判断，只要在遵循虎克定理的弹性段部分正常存取特征点即可。

表3 平行试样的正常值与异常曲线处理前后的检测结果

图4 夹持力偏大时异常拉伸曲线的处理

4 结论

(1)材料试验机液压夹具夹持力大小会对拉伸曲线造成不可忽视的影响。

(2)试验人员应根据材料特性，选择合适的夹具油压，随时注意油压控制的夹持力对曲线的影响并调整油压。

(3)在判明曲线异常是由油压控制的夹具夹持力引起时，应人为处理曲线，以得到正确的测试结果。

文章引用：包凯迪, 王呈利, 张庆欣等. 液压夹具夹持力对金属材料室温拉伸曲线的影响及处理[J]. 沈阳理工大学学报, 2015, 34(2):52-55.