试验速率对金属材料力学性能的影响

余泽利，张浩，郑晓斐，孙晓峰

（西部金属材料股份有限公司理化检验中心，陕西西安 710016）

对于不同的金属材料，拉伸时表现出的物理现象和力学性能不尽相同，试验速率对性能的测定影响也不同。金属材料性能指标受速度的影响程度随材料的不同而有所差异，因此拉伸试验应严格按照标准试验方法的规定速率范围进行，所测得的试验数据才有较好的可比性。

拉伸试验速率控制有两种方式，即应变速率控制和应力速率控制。根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》标准中的规定，应变速率控制主要包括横梁位移速率控制和引伸计反馈控制这两种方式。试验过程中，测量应变速率敏感参数时，采用应变速率控制方式，有助于减少测量结果的不确定度和试验速率的变化，因此金属材料拉伸试验过程中通常采用应变速率控制。

对于同一种标准试样，采用不同的试验速率进行试验，其力学性能可能出现屈服强度、抗拉强度和延伸率不合格的现象［1］；而对于不合格的试样，如果试验速率过大，可能会导致屈服强度、抗拉强度的提高，从而导致其力学性能合格，因此在金属材料拉伸性能测试过程中试验速率的控制尤为重要［2］。

1 试验速率对钢性能的影响

测试钢性材料力学性能时，试验速率对测量结果影响很大。李忠民［3］等人通过对均匀性较好的Q235和40Si2MnV钢材在不同试验速率下的力学性能进行了研究，试验在同一根ψ12mm钢筋上截取20个试样，在室温条件下进行，结果表明，在标准规定的试验速率范围内，随着试验速率的提高，Q235的屈服点提高7.04%、抗拉强度提高1.80%，40Si2MnV的屈服点提高3.12%、抗拉强度提高1.18%。

李培芬［4］等人采用不同的试验速率对45钢的抗拉强度和断后伸长率进行研究，实验采用经850℃正火处理30min的45钢，在(1.0-24)mm/min条件下进行试验，随着试验速率的增加，45钢的抗拉强度逐渐增大，断后伸长率不断减小，当试验速率增加到10mm/min后，断后伸长率的减小速率和抗拉强度的增大速率均开始减小。

研究表明，对于钢材力学性能测试，增大试验速率可以提高钢材抗拉强度和屈服强度、降低钢材塑性。试验速率对强度高塑性差的钢材(40Si2MnV)的强度影响较小，对强度低塑性好的钢材(Q235)的强度影响较大。

2 试验速率对铝合金性能的影响

李培芬［4］等通过测试LY12铝合金在不同拉伸速率下的抗拉强度和断后伸长率，结果发现，当拉伸速率由1mm/min增大到24mm/min时，LY12铝合金的抗拉强度增加7.9MPa、断后伸长率减小了2.1%，因此拉伸速率的提高会导致抗拉强度的提高和断后伸长率的降低。

梁波［5］等人通过讨论不同试验速率及试样尺寸对铝合金7050T74拉伸性能的影响，结果表明：控制试验速率为1mm/min至100mm/min时，试验速率对铝合金7050T74的抗拉强度影响较小，对断后伸长率影响较大，随着试验速率的增大，断后伸长率逐渐减小，并得出铝合金材料拉伸试验速率控制为50mm/min时为宜。

张臻［6］等人研究了应变速率对Al-Zn-Mg合金室温拉伸性能的影响，结果表明，在应变速率较低时，主要以韧性断裂为主，随着应变速率增加，开始由韧性断裂向脆性断裂转变，Al-Zn-Mg合金挤压材沿拉伸方向变形明显，且出现一些细小析出相，Al-Zn-Mg合金的极限抗拉强度略有增加，屈服强度增大，伸长率显著下降。

研究表明，试验速率对铝合金断后伸长率影响较大，对抗拉强度和屈服强度影响不大，试验速率过快，铝合金塑性降低，可能导致测量结果不合格。

3 试验速率对钛合金性能的影响

郝芳［7］等人研究了室温拉伸测试过程中应变速率对TA15钛合金力学性能的影响，研究结果表明，在准静态(低试验速率)试验条件下，试验速率对TA15钛合金材料的屈服强度影响较大，对材料的断后伸长率、断面收缩率和抗拉强度影响较小，随着试验速率的增大，TA15钛合金的屈服强度逐渐增大；在动态试验条件下，试验速率对钛合金屈服强度影响更加突出，屈服强度是准静态试验条件下的1.65倍。

4 试验速率对镁合金性能的影响

王越［8］等人为了研究应变速率对AZ31B变形镁合金力学性能的影响，在应变速率为(10-4～10-1)mm/mm/s，试验温度为室温条件下进行试验，结果表明，变形镁合金AZ31B的屈服强度和抗拉强度随着试验速率的增大逐渐增大，断后延伸率随着试验速率的增大却逐渐减小；室温条件下，AZ31B变形镁合金的拉伸断裂机制为韧脆性断裂。

曹韩学［9］等人采用圆柱形试样对不同应变速率下AM60B镁合金压缩变形行为进行了研究，结果表明：随着试验速率的增加，镁合金AM60B材料的塑性变形率不断降低，流变应力不断增加。

5 结论

（1）增大试验速率可以提高钢材抗拉强度和屈服强度、降低钢材塑性，试验速率对强度高塑性差的钢材强度影响较小，对强度低塑性好的钢材强度影响较大。

（2）试验速率对铝合金和镁合金材料的塑性影响较大，对强度影响较小，随着试验速率的提高，抗拉强度和屈服强度随之提高，而延伸率却逐渐减小。

（3）试验速率对钛合金材料的屈服强度影响较大，对材料的断后伸长率、断面收缩率和抗拉强度影响较小，随着试验速率的增大，钛合金的屈服强度逐渐增大，在动态试验条件下表现得更加突出。

（4）对于不同的金属材料，试验速率对金属材料力学性能的测定影响也不同，合理控制试验速率，有利于提高对金属材料力学性能测试的准确性。