鋼管等鋼鐵材料的拉伸試驗(yàn)拉伸曲線解讀，拉伸曲線是由拉伸試驗(yàn)機(jī)（圖1）測出的，用來描述鋼管材料的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系的曲線。拉伸曲線可以反映出材料包括彈性變形、塑性變形和斷裂這三種基本力學(xué)行為的相關(guān)信息，可用來綜合評定材料各種力學(xué)性能，包括強(qiáng)度，塑性，韌性及加工硬化等。在科學(xué)研究和實(shí)際工程應(yīng)用中作用顯著，因此掌握拉伸曲線分析技巧意義重大。
圖1. 典型的拉伸試驗(yàn)測試設(shè)備.
典型的材料拉伸曲線如圖2所示，按照有無屈服平臺(tái)（橙色橢圓所示：應(yīng)力與應(yīng)變一階導(dǎo)約為零）：大致可分為有屈服階段的拉伸曲線（如建筑鋼）和無屈服階段的拉伸曲線（如高強(qiáng)鋼，變形鋁合金等）。
圖2. 典型的拉伸曲線（橙色橢圓所示為拉伸屈服平臺(tái)）
1拉伸曲線可直接反映的具體信息
比例極限σp：應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)力；
彈性極限σe：材料由彈性變形過渡到彈-塑性變形的應(yīng)力。應(yīng)力超過彈性極限，開始發(fā)生塑性變形時(shí)的應(yīng)力；
屈服極限σs：金屬發(fā)生明顯塑性變形的抗力，屈服點(diǎn)：屈服點(diǎn)對應(yīng)的強(qiáng)度，有上、下屈服極限；
條件屈服強(qiáng)度σ0.2：當(dāng)沒有明顯屈服平臺(tái)時(shí)，規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力；
抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）σb：試樣拉斷前最大載荷所決定的臨界應(yīng)力；
彈性模量E：彈性變形階段，應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系(即符合胡克定律)，其比例系數(shù)即為彈性模量。
延伸率δ：試樣拉伸斷后標(biāo)距段的總變形ΔL與原標(biāo)距長L之比：δ=ΔL/L×100%，和截面收縮率ψ都是描述材料塑性性能的指標(biāo)。
圖3. 典型拉伸曲線示意圖
2拉伸曲線基本特點(diǎn)
材料不同，其拉伸曲線也有所不同，但總的來說：從初始拉伸至最后斷裂過程可基本劃分為幾個(gè)特征階段。
1）彈性階段：如圖4所示，這個(gè)階段分為兩種，當(dāng)應(yīng)力小于σp 時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變成正比；超過比例極限后，應(yīng)力和應(yīng)變雖然不保持正比關(guān)系，但變形依然是彈性的，卸載后變形完全恢復(fù)為零，直線斜率E，其大小反映材料抵抗彈性變形的一種能力代表了材料的剛度。此外，材料在發(fā)生桿的軸向伸長的同時(shí)還發(fā)生橫向收縮。橫向正應(yīng)變?chǔ)排c縱向正應(yīng)變?chǔ)胖慕^對值μ稱為材料的泊松比，反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。
圖4. 彈性拉升階段拉伸曲線示意圖
2）屈服階段：如圖5所示，在超過彈性階段后出現(xiàn)明顯的屈服過程，即曲線沿一水平段上下波動(dòng)，即應(yīng)力增加很少，變形快速增加。這表明材料在此載荷作用下，宏觀上表現(xiàn)為暫時(shí)喪失抵抗繼續(xù)變形的能力，微觀上表現(xiàn)為材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化。從微觀結(jié)構(gòu)解釋這一現(xiàn)象是由于構(gòu)成金屬晶體材料結(jié)構(gòu)晶格間的位錯(cuò)，在外力作用下發(fā)生有規(guī)律的移動(dòng)造成的。由于材料在這一階段已經(jīng)發(fā)生過量變形，必然殘留不可恢復(fù)的變形塑性變形因此，從屈服階段開始，材料的變形就包含彈性和塑性兩部分。
圖5. 屈服階段拉伸曲線示意圖
3）強(qiáng)化階段：如圖6所示，屈服階段結(jié)束后，拉伸曲線又出現(xiàn)上升現(xiàn)象，說明材料恢復(fù)了對繼續(xù)變形的抵抗能力，材料若要繼續(xù)變形必須施加足夠的載荷。如果在這一階段卸載，彈性變形將隨之消失，而塑性變形將永遠(yuǎn)保留。強(qiáng)化階段的卸載路徑與彈性階段平行。卸載后若重新加載，材料的彈性階段線將加長、屈服強(qiáng)度明顯提高，塑性將降低。這種現(xiàn)象稱作應(yīng)變強(qiáng)化或冷作硬化，可用來提高材料的強(qiáng)度。強(qiáng)化階段的塑性變形是沿軸向均勻分布的。拉伸曲線的應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限σb，是材料均勻塑性變形的最大抵抗能力，是材料進(jìn)入頸縮階段的標(biāo)志。
圖6. 強(qiáng)化階段拉伸曲線示意圖
4）頸縮階段：如圖7所示，應(yīng)力到達(dá)強(qiáng)度極限后，開始在試樣最薄弱處出現(xiàn)局部變形，從而導(dǎo)致試樣局部截面急劇頸縮，承載面積迅速減少，試樣承受的載荷很快下降，直至斷裂。斷裂時(shí)，試樣的彈性變形消失，塑性變形則遺留在斷裂的試樣上。
圖7. 頸縮階段拉伸曲線示意圖
3真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線的處理方法
在設(shè)計(jì)有關(guān)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或模擬仿真運(yùn)算中，經(jīng)常需要依據(jù)材料真實(shí)性能參數(shù)，而通常通過拉伸實(shí)驗(yàn)直接做出來的拉伸曲線，往往是工程上的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并不能完全精確反映材料的真實(shí)拉伸情況（如拉伸實(shí)驗(yàn)誤差；拉升過程中標(biāo)距段橫截面積的變化等），這就需要對拉伸試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行處理，得到真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線。另外，由于實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)太多，一般為幾千個(gè)點(diǎn)，甚至為上萬個(gè)點(diǎn)，而平常仿真軟件輸入的點(diǎn)一般為幾百個(gè)，所以為了得到有效數(shù)據(jù)必須對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。主要通過以下步驟進(jìn)行處理（以仿真軟件CAE為例）：
3.1 對力-位移曲線進(jìn)行處理
1）清理無效數(shù)據(jù)
將前面的空白點(diǎn)予以刪除，并對位移進(jìn)行初步的元整，如圖8所示，圖中的0位移節(jié)點(diǎn)，要?jiǎng)h除點(diǎn)，直至第一個(gè)位移為非0點(diǎn)。
圖 8. 無效數(shù)據(jù)清理前后示意圖:（a）清理前；（b）清理后
2）對位移進(jìn)行初次處理
位移的數(shù)據(jù)，小數(shù)點(diǎn)后有很多位，首先處理到適當(dāng)位置就行。
3.2 計(jì)算工程應(yīng)力應(yīng)變曲線
應(yīng)力= 力/（厚度*寬度）
應(yīng)變 = 伸長量/初始長度
3.3 計(jì)算真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線
真實(shí)應(yīng)力 = 工程應(yīng)力*（1+工程應(yīng)變）；
真實(shí)應(yīng)變 = Ln(1+工程應(yīng)變)
3.4 取整
將應(yīng)力應(yīng)變曲線, 進(jìn)行四舍五入取整。
3.5 篩選數(shù)值
以一定應(yīng)變?yōu)樵隽?，取相?yīng)的應(yīng)力值，并繪制折線圖，然后取有效區(qū)域數(shù)值。如圖9中的紅圈部分為無效區(qū)域，應(yīng)舍去。
圖9. 數(shù)值帥選示例（上圖中的，紅圈部分為無效區(qū)域）
3.6有效應(yīng)力應(yīng)變
有效應(yīng)力應(yīng)變曲線一般是將數(shù)據(jù)的彈性部分去除，如圖10表格所示，直接將(a)中，0.003或0.004之前的對應(yīng)的應(yīng)力舍去，應(yīng)變不變，應(yīng)力順移即可獲得(b)，即：0應(yīng)變?yōu)閷?yīng)的應(yīng)力為原來0.004對應(yīng)的應(yīng)力，0.002應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力為原來0.006對應(yīng)的應(yīng)力。
圖10. 有效應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)處理示例圖
經(jīng)過以上的處理方法，得到有效應(yīng)力應(yīng)變曲線，就可以將得到的數(shù)值導(dǎo)入到CAE軟件中，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。
4.其他處理技巧
1) 當(dāng)實(shí)驗(yàn)測出的位移和力的數(shù)值都是從負(fù)值開始：
正確的做法不應(yīng)是直接去除負(fù)數(shù)值的點(diǎn)，而只保留非負(fù)數(shù)的點(diǎn)，而應(yīng)將坐標(biāo)原點(diǎn)平移，即：將橫縱坐標(biāo)所有值都各自加上測出得到的相應(yīng)的最大負(fù)數(shù)值，使各自初始點(diǎn)都從零點(diǎn)開始。
2）嚴(yán)格計(jì)算材料延伸率時(shí)，是將拉伸總的形變量與原長（標(biāo)距）的比值計(jì)算得到嗎？
嚴(yán)格來說，延展率是拉伸塑性形變量與原長（標(biāo)距）的比值，即：拉伸曲線上進(jìn)入塑性變形后的總的變形量，減去一開始的彈性變形量才是實(shí)際的變形量。通常，工程上，由于彈性變形量相對較小，所以將拉伸總的變形量代替拉伸塑性形變量計(jì)算得到的。
3）當(dāng)遇到拉伸曲線呈特殊情況下應(yīng)該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取舍問題：如遇到下圖11所示，彈性階段前出現(xiàn)一小段平線。
圖11. 拉伸彈性階段前出現(xiàn)一小段平線線的特殊拉伸曲線示例
該曲線是通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，是真實(shí)的，理論上可以用， 前面的平緩區(qū)絕大部分是因?yàn)閵A具系統(tǒng)初始的空隙和試樣的弱連接的所致，應(yīng)該將前面平線段舍棄后重新作圖。
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