材料拉伸测试全解析：从标准样件到试验机操作指南

材料的拉伸试验是材料最基本的试验之一。它是测量材料在拉伸载荷作用下一系列特性的试验，也称为拉伸试验。拉伸测试不仅可以检查材料是否满足规定的标准或预期性能，还可以输出模拟计算所需的材料相关输入参数。

拉伸试验的测试工具包括拉伸试验机、传感器、游标卡尺、直尺、应变仪和标准样品。标准样品的规格在检测标准中有明确规定。金属样品参见国家标准GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验方法》。典型样本规格请参考下图。对于不同的材料，例如塑料或橡胶，可以参考其他相关标准。

图1 金属圆形截面样品

图2 拉伸试验机上的样品

试验时，试验机以规定的速率均匀拉伸样品，试验机可自动绘制拉伸曲线。典型的金属材料测试结果如下图所示：

图3 金属材料典型应力应变结果曲线

图中，横轴为应变轴，纵轴为应力轴。应变和应力可以使用以下公式根据相关测量结果计算出来。

式中，ε为应变，σ为应力，L为实验中某一时刻样品的长度，L0为样品的初始长度，A0为样品的初始横截面积， F是拉力。

在曲线的OA部分，可以直观地看出材料的应力-应变曲线呈现线性比例特征，称为材料的弹性阶段。在这个阶段，如果卸载负载，材料响应将沿着线性趋势返回到O点。也就是说，发生卸载时，如果材料仍处于弹性阶段，当载荷卸载时，理论上说材料可以恢复到原来的状态。 A点是材料弹性阶段的终点。当材料超过A点时，材料的响应将不再保持线性趋势。因此，A点称为材料的比例极限（σp）。由于比例极限难以测量，常以极小塑性变形量时发生的应力值来表示，称为规定比例极限。材料在弹性阶段的应力-应变曲线的斜率称为材料的弹性模量E。在仿真软件中，也称为杨氏模量。

顺便说一下，对于金属材料来说，弹性变形是由于材料原子之间的化学键的拉伸，而不是化学键的断裂。由于化学键的拉伸可以恢复，因此材料的弹性变形也可以恢复。然而，一般来说，弹性应变是一个相对较小的量。

当载荷继续导致材料的响应超过A点并到达B点时，材料将进入塑性阶段。如果继续增加载荷，材料的应力不会明显增加，但材料的应变会继续增加；在此阶段，如果发生卸载，材料的响应将不会沿原始路径返回，而是沿后续路径返回。弹性模量E是一条有斜率的直线（即与弹性阶段平行的直线），用于卸载响应，如下图红色直线所示。显然，此时材料不可能回到O点，所以当载荷卸载到零时，材料就会产生残余变形，这就是塑性变形，或者说永久变形。金属成型利用这一原理将金属板增强材料加工成各种形状。 B点称为材料的屈服强度（σS，有时也称为σY，Y取英文单词Yield的第一个字母）。

图4 物料屈服阶段卸料图

从微观角度看，塑性变形是由于剪应力引起原子在不同平面之间的滑移而引起的。这种滑移导致晶体结构内原子之间的重组。

有些材料在屈服初期，材料曲线会出现振荡（左下图）。此时，将振荡阶段的最大峰值定义为上屈服点，将振荡阶段的最小谷值定义为下屈服点。有些材料的屈服点不明显。工程中常将残余应变达到0.2%时的应力值规定为条件屈服极限，表示为σ0.2。

图5 明显收益率和条件收益率

由于比例极限和屈服极限通常非常接近，因此在模拟计算中常常考虑将两点合并为一点。也就是说，在达到屈服强度之前，材料被认为是线弹性的；当材料达到屈服强度时，就会发生塑性变形。

图6 模拟中材料曲线示意图

当材料达到屈服并继续加载时，将进入强化阶段。当材料处于这一阶段时，随着应变的增加，应力将不断增加，直到图4中的E点。当材料的响应达到E点时，应力将达到整条曲线的最大值，称为材料的强度极限 (σB)。

当材料继续加载时，材料的应力将迅速减小，直至F点断裂。 EF段称为材料的颈缩阶段。颈缩是指材料在拉应力作用下可能发生的局部横截面减小。应力达到强度极限后，试样最薄弱处开始出现塑性变形，导致试样局部截面急剧收缩，承载面积迅速减小，试样上的载荷迅速承受减少直至破裂。当断裂发生时，样品的弹性变形消失，而断裂的样品上仍保留塑性变形。试样颈缩后，颈缩区产生三维应力，导致断口形状类似杯状，中间有平坦断口（脆性断裂的特征）。这也表明应力状态可以改变材料的韧脆断裂特性。典型的缩颈状态如下图所示：

图7 低碳钢拉伸实验中的颈缩现象

具有明显屈服和强化阶段的材料称为延性材料，如结构钢、铝合金等。相反，有些材料在经历非常短暂的塑性后就会断裂。这类材料称为脆性材料，如铸铁、混凝土等。

综上所述，当材料受到拉伸载荷时，会经历弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。这几个特征强度值按出现顺序分别是比例极限、屈服极限（通常认为等于比例极限）和强度极限。在模拟中，材料的弹性、屈服和强化阶段通常是令人感兴趣的。因为在表征材料塑性阶段的参数时，由于数值计算的要求，材料曲线必须是单调递增曲线。因此，模拟（隐式算法）仅描述材料的极限强度，并不关注极限强度。地位。材料的弹性相通过杨氏弹性模量和泊松比来描述，而塑性部分则通过塑性应变和总应力曲线或切线模量以及所选的强化模型来描述。

当然，材料的应力应变曲线取决于很多因素，如温度、加载速率等。对于含有玻璃纤维的塑料，还可能与玻璃纤维的方向有关。在模拟中，可以输入不同温度或不同应变率下的应力应变曲线进行计算，这样得到的结果会更加准确。然而，相应的代价是你必须拥有不同温度和应变率的材料。测试的结果，因此这意味着在模拟之前需要投入更多的时间和金钱来进行这些测试。

材料非线性分析是基于材料应力应变关系的非线性弹性的计算。线性弹性是理论上的、人为简化的，而非线性在物理世界中普遍存在。非线性特性有很多，塑性只是其中之一。其他材料非线性包括材料的超弹性、粘弹性、蠕变等。

下次更新：2021 年 7 月 14 日

48 材料塑性（1）：塑性基础理论