金屬拉伸試驗的案例
淺談金屬拉伸試驗的必要性
在金屬的制造過程中，一個很重的力學性能就是金屬的拉伸能力。金屬拉伸試驗在金屬材料力學性能試驗中是最常見、最重要的試驗方法之一，它關乎到金屬的韌性、強度等，拉伸性能是通過拉伸試驗判定的。
金屬拉伸試驗所得到的材料強度和塑性性能數(shù)據，對于設計和選材、新材料的研制、材料的采購和驗收、產品的質量控制、設備的安全和評估，都有很重要的應用價值和參考價值。
金屬拉伸試驗一般分為四個階段：
1、彈性階段: 隨著荷載的增加，應變隨應力成正比增加。如卸去荷載，試件將恢復原狀，表現(xiàn)為彈性變形，此階段內可以測定材料的彈性模量。
2、屈服階段: 普碳鋼：超過彈性階段后，載荷幾乎不變，只是在某一小范圍內上下波動，試樣的伸長量急劇地增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。
3、強化階段：試樣經過屈服階段后，若要使其繼續(xù)伸長，由于材料在塑性變形過程中不斷強化，故試樣中抗力不斷增長。應變增加應力也增加，力量最大值就是金屬材料抗拉強度的極限值。
4、頸縮階段：當應變增加應力下降，金屬材料就會產生“頸縮”狀態(tài)，直至斷裂。
我們通過金屬拉伸實驗可以測試出材料的強度、硬度、疲勞等等一系列的機械性能。作為沖壓件加工廠只有充分了解了材料的性能之后才能安全的制定材料的應用環(huán)境，才能放心投產，加工生產出優(yōu)質、合格的沖壓件。
展開 一文搞懂：金屬材料的拉伸試驗 附《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》下載
下載地址：GB／T228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》
室溫下金屬圓棒試樣高應變速率拉伸試驗影響因素分析
全文速讀：
在不同應變速率下對鑄鐵和鑄鋁圓棒試樣進行了單軸高速拉伸試驗，研究了它們的動態(tài)力學性能及斷裂情況，分析了相關因素對試驗的影響。結果表明：測試應變、應力的方法，試樣標距長度及夾持端長度等對試驗準確性和曲線振蕩程度有較大影響；使用比剛度和比強度高的夾具、短標距試樣、應變片測試應力、兩臺相機測試應變、適當增加夾持端長度可以提高試驗結果的準確性。
工程上對金屬材料的拉伸試驗通常要求應變速率在10?2～103 s?1之間。一般應變速率小于0.1 s?1時，可以在靜態(tài)試驗機上進行試驗，規(guī)范參考GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》；當應變速率大于0.1 s?1時，需要在高速拉伸試驗機上進行試驗，稱為高應變速率拉伸測試。ISO 26203-2:2011 Metallic materials — Tensile testing at high strain rates — Part 2: Servo-hydraulic and other test systems 及 GB/T 30069.2—2016對金屬板材試樣的高應變速率拉伸測試有詳細的說明，但對金屬圓棒試樣缺乏指導性規(guī)范。
機械設備結構件多為鑄件，其力學性能關系到產品的碰撞安全性。鑄件的力學性能一般通過測試標準圓棒試樣獲得，因此了解圓棒試樣高應變速率測試時的影響因素，獲得準確的高應變速率條件下的拉伸應力應變曲線等相關信息對零件結構的碰撞安全性評價非常重要。
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試驗材料及方法
試驗材料為啞鈴型鑄鋁和鑄鐵件，根據常用零件的最小壁厚，選擇平行段直徑為 5 mm、夾持端直徑為 12 mm 的試樣。平行段工作部分表面粗糙度為 0.32 μm，同軸度小于 0.01 mm，使用銑床和外圓磨床進行加工。
展開 鋼材單向拉伸試驗Abaqus模擬 附Abaqus詳細教程下載
對比分析
應力云圖與應力-應變曲線對比如下圖所示，可見數(shù)值分析能較好反映試驗結果。
圖4 應力云圖
圖5 應力-應變曲線對比
總結
普通金屬拉伸試驗可通過處理試驗機位移獲得應力-應變全曲線；
Abaqus本構采用真實應力-應變關系，損傷斷裂也如此；
筆者處理的1.0mm Q235冷板、1.5mm Q235熱板損傷演化中的指數(shù)參數(shù)均為-5；
斷裂理論仍在不斷發(fā)展，材料模型在不斷完善。
下載地址：Abaqus詳細教程
基于workbench19.2的金屬材料拉伸仿真 ￥5
塑性材料拉伸力學實驗的詳細實驗方法可參考國家標準《GB/T 228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》。本文以圓形截面拉伸試驗樣件為例利用ansys Workbench仿真塑性材料拉伸力學試驗。根據GB/T 228.1-2010試驗樣件尺寸如下圖所示。
取直徑d0=10mm，L0=5*d0=50mm，Lc=L0+d0/2=55mm，Lt>Lc+4*d0，取Lt=115mm。
2、ANSYS Workbench仿真分析
2.1 材料設置
在ANSYS Workbench中創(chuàng)建結構靜力學分析項目（Static Structural）。設置材料參數(shù)如下：楊氏模量2E11 Pa，泊松比0.325，屈服極限（Tensile Yield Strength）350Mpa，強度極限（Tensile Ultimate Strength）516Mpa。塑性階段采用Multilinear Kinematic hardening(多線性隨動強化模型)材料本構關系模型，用列表形式輸入應力與塑性應變。（關于Multilinear Kinematic hardening(多線性隨動強化模型)材料模型的介紹可
可用電子拉力機對小試件做力學性能試驗來確定的。通過試驗可以得到上述材料應力應變曲線圖。注意試驗得到的是總應變，而在上面材料模型中需要的是Plastic Strain，所以還需將試驗所得的總應變減去對應的彈性應變（即屈服點之后的每一個試驗點的總應變減去這個點對應的彈性應變，其中彈性應變=應力/彈性模量，這里不考慮其他因素影響近似認為總應變=彈性應變+塑性應變）。
有限元模型
載荷邊界設置
如果拉力過小會出現(xiàn)試件根本拉不到屈服階段，如果過大則會導致應力范圍超過之前設定的范圍，而出現(xiàn)計算出錯。
展開 鑄鐵拉伸試驗ABAQUS模擬
鑄鐵拉伸試驗ABAQUS模擬
為什么材料拉伸試驗要用“引伸計”
試驗時，傳感器與試件測量段（亦稱“測量標距”）的兩端點“固定”，傳感器測得標距間的變形（伸長或縮短）并將其轉化為其他信號（如電信號、光信號），經放大器放大并由記錄器采集，從而獲得數(shù)據。
引伸計包括機械式引伸計、光學引伸計、電子引伸計（圖1）等。目前土木工程試驗中較常用電子引伸計，如各類材料的拉伸試驗。而電子引伸計又可分為軸向引伸計、橫向引伸計和夾式引伸計。本文主要談談對
軸向電子引伸計（測量試件沿加載方向的線變形）的一些理解，如圖1，其包括
刀刃、
標距桿、
標距桿墊片、
力臂等部件。
圖1 軸向電子引伸計
2. Why it ?| 為什么需要用引伸計？
目前多數(shù)試驗機都能記錄加載頭的位移，利用位移計也能測量試件的變形，這兩者相對于引伸計的安裝和使用都方便太多，所以剛開始做材料拉伸試驗時，我對試件上額外添加一個引伸計是疑惑的。
那么使用引伸計的意義是什么？
結合試驗來談一談會一點。
當進行材料拉伸試驗時，試件所受荷載可以直接從試驗機獲得，記為
F；試件的“受拉伸長量”也可以直接從試驗機獲得，記加載頭位移為
d；那拉伸試驗的荷載-位移曲線不就已經可以繪制了么？如果試件的截面積為
A，原長為
l，那
σ=
F/
A、
ε=
d/
l后拉伸試驗的應力-應變曲線也能得到。
圖2 應力-應變曲線
好像有道理哈？
展開 基于comsol的卷曲金屬拉伸塑性
基于comsol的卷曲金屬拉伸塑性
基于ABAQUS的低碳鋼拉伸試驗模擬
我們在材料力學實驗課學習過，近距離觀察過低碳鋼鋼桿拉伸實驗，得到了如下圖1所示的應力應變曲線，對應力應變曲線的深刻理解有助于我們在有限元分析中得到正確的結果，對分析做出正確的判斷，那么如何在Abaqus中模擬這一過程呢？
圖1 低碳鋼應力應變曲線
1. 問題描述
對一半徑為5mm，長度為50mm的軸做軸向拉伸，位移載荷為10mm，積分方式單元階次為C3D8R；設置參考點RP1，以此點做一個集合ss，并與右端面剛性耦合，用來施加位移載荷和輸出變量。模型示意如圖2所示。
圖2 模型示意
2. 應力應變曲線的模擬
2.1 彈性階段模擬
2.1.1 材料參數(shù)設置
軸的彈性模量為200000Mpa，泊松比為0.3。材料設置如圖3所示。
圖3材料設置示意 圖4增量步設置示意
2.1.2 分析步設置
僅設置一個靜態(tài)學分析步，將非線性打開（為后續(xù)分析做準備），初始和最大時間增量均為0.1，設置如圖4所示。設置歷程輸出變量為RP1點所在集合的反力RF3和位移U3，設置如圖5所示。
圖4歷程輸出變量設置示意
2.1.3 邊界條件設置
軸的一段設置為全約束，軸的另一端施加10mm的位移載荷，并約束其余5個自由度，邊界設置如圖5所示。
圖5邊界條件設置示意
2.1.4 結果分析
輸出反力RF3，從圖6中可以看到，力隨著時間呈線性變化，這是典型的彈性變形。
展開 盤點影響金屬拉伸性能的主要因素
隨著金屬沖壓件拉伸工藝日益發(fā)展，市場對金屬拉伸件的需求越來越高，對產品的要求也越來越高，包括形狀、性能、外觀等等。金屬拉伸工藝是指利用模具將沖裁后得到的一定形狀平板毛坯沖壓成各種開口空心零件或將開口空心毛坯減小直徑，增大高度的一種機械加工工藝。用拉深工藝可以制造成筒形、階梯形、錐形、球形、盒型和其他不規(guī)則形狀的薄壁零件，與翻邊、脹形、擴口、縮口等其他沖壓成形工藝配合，還能制造形狀極為復雜的零件。
雖然金屬材料拉伸性能取決于材料本身的性質，如化學成分、組織結構等，但即使是相同的材料在不同拉伸試驗過程中所得的結果也很有可能不相同。影響金屬拉伸性能的因素很多，總體來說可以分為金屬原材料的性質和加工對金屬材料拉伸性能的影響這兩大方面。
首先說一下金屬原材料的性質對金屬拉伸性能的影響： 金屬材料通常是指由金屬元素或以金屬元素為主所構成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱，主要包括純金屬、特種金屬、合金以及金屬材料金屬間化合物等。在金屬材料的加工過程中，其組織會受到一定的影響而發(fā)生相應的改變。金屬材料的特殊性質主要表現(xiàn)為如下幾個方面：1.許多金屬材料，在工作過程中需要承受交變載荷，在此作用下，雖然金屬材料的屈服極限遠遠高于應力水平，但經過長期的應力循環(huán)作用后，也會出現(xiàn)突然脆性斷裂現(xiàn)象，此現(xiàn)象就是金屬材料的疲勞，是一種最常見也最危險的斷裂形式。2.在載荷外力的作用下，金屬材料所呈現(xiàn)的永久變形而不被破壞的能力即為金屬材料的塑性。金屬材料的塑性越好，越能在較大的范圍內形成塑性變形，并在塑性變形的過程中強化金屬材料的強度，增加金屬材料的安全性。3.硬度主要是指金屬材料對硬物體壓入其表面的抵抗能力，是考量金屬材料性能的重要指標之一。金屬材料的硬度是起始塑性變形抗力與繼續(xù)塑性變形抗力共同作用的結果，一般來說金屬材料的硬度越高，耐磨性也就會越好。
展開 Ansys案例研究 | 單軸拉伸試驗應變測量
概述：
單軸拉伸試驗是了解大多數(shù)材料并獲取應力與應變關系的主要方法。可靠的拉伸數(shù)據對于組件設計至關重要。本案例展示了如何進行拉伸試驗并獲取應變圖。
目標：
觀察在施加漸進式位移載荷的單軸拉伸試樣中的應變。
步驟：
1、打開Ansys Workbench，創(chuàng)建一個“靜態(tài)結構”系統(tǒng)。
2、定義拉伸試驗樣品的材料屬性。本例中使用的是結構鋼。
3、導入模型，其外觀類似于圖 1 所示。
圖1 單軸拉伸試驗試樣
4、將材料分配給幾何體。
5、按照圖2所示，在試件上施加適當?shù)募s束條件。
圖2 樣品的邊界條件
6、按照圖2所示施加位移。
7、對模型進行網格劃分并運行仿真。繪制等效彈性應變(圖3)。
圖3 等效彈性應變圖
總結：
本案例說明了單軸拉伸試驗樣品中應變的測量方法。
如有疑問歡迎留言或私信！
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XM-12 不銹鋼試樣高溫拉伸試驗解析
XM-12 材料鍛造過程中的真實應力-應變曲線可以為鍛造工藝編制提供有效的數(shù)據支持，然而高溫檢測過程中，試樣有效加熱部分隨試樣延長率變化而變化，且拉伸過程以頸縮變形為主，為真實應力-應變曲線的測試帶來很大難度，且通過伸長率計算的應力-應變曲線與實際存在較大的偏離。因此，真實應力-應變曲線的準確修正在XM-12 不銹鋼鍛造工藝優(yōu)化過程中非常重要。
XM-12 銅沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，廣泛應用于石油開采機械制造，執(zhí)行ASTM A705-2017《Standard Specification for Age-Harding Stainless Forging》標準(含)。通過合金元素Cr、Ni、Cu、Nb 等合金元素的加入，XM-12 不銹鋼擁有良好的耐腐蝕性和良好的機械性能，低溫斷裂韌度非常好，其化學成分要求如表1 所示。
表1 XM-12 化學成分要求(wt%)
XM-12 不銹鋼材料，因其合金含量較高，鍛造過程中存在熱態(tài)變形抗力大，鍛造溫度區(qū)間窄，表面易開裂等特點。因此材料在高溫過程中的真實應力-應變曲線的測試在其鍛造工藝優(yōu)化過程中非常重要。
XM-12 材料高溫拉伸試驗檢測溫度范圍：900 ～1200℃。普通的試驗機無法滿足，因此此次試驗選擇Gleeble-3500 熱模擬試驗機進行光滑圓棒試樣的拉伸試驗。拉伸試樣圖如圖1 所示。
圖1 拉伸試樣尺寸
高溫拉伸測試
本文以1050℃拉伸結果為分析對象，對檢測數(shù)據進行修正分析，試樣實測直徑
φ9.98mm。
試驗時，先將試樣以10℃/s 的加熱速度加熱至1180℃，保溫120s；以5℃/s 的冷卻速度將試樣降溫至1050℃，以3mm/s 的速度進行拉伸試驗。為確保試樣拉斷，夾塊位移選擇15mm(試樣有效加熱區(qū)20mm)。
展開 07:36 ABAQUS拉伸試驗仿真案例講解
07:36 ABAQUS拉伸試驗仿真案例講解
ABAQUS單軸拉伸仿真分析與試驗對比
單軸拉伸試驗與仿真
概述
單軸拉伸試驗是基本的材料力學性能測試試驗，本文采用ABAQUS軟件模擬其試驗過程。
模型設置
模型難點在材料設置上，采用韌性損傷準則，考慮應力三軸度，損傷演化等。
應在場變量輸出中勾選剛度退化、損傷起始準則及單元刪除。
3. 結果對比
頸縮
斷裂
對金屬板料拉伸成形過程中破裂的研究
金屬板料在拉伸成形的過程中，由于受多種因素的共同影響，包括成形零件的形狀、大小、深度，材料本身的厚度、硬度和坯料尺寸，模具中凸、凹模圓角的大小、凸凹模間隙的大小，以及壓邊力設置等，使得金屬板料在拉伸成形過程中，有時會出現(xiàn)破裂或嚴重拉薄的現(xiàn)象，導致零件報廢無法使用。盡管可采取CAE 分析的方式，通過對拉伸系數(shù)、拉伸凸、凹模圓角、壓邊力設置等工藝參數(shù)的調整優(yōu)化，改善拉伸成形的破裂狀況；但有的時候這種調整并不能從根本上解決破裂的問題。
通常，在拉伸成形過程中無法有效改善或避免破裂時，工藝上就會考慮對拉伸成形零件進行回火或局部退火，以軟化材料；或者犧牲材料性能抑或改變零件形狀，以改善拉伸成形性能。而如此改變的結果，要么增加零件的生產成本，要么降低零件的部分功能。
本文從另一個角度，即如何合理利用拉伸成形過程中的破裂，以改善金屬板料的拉伸成形，并結合實際工作中的兩個實例，介紹拉伸成形過程中破裂的合理利用。
拉伸成形過程中破裂產生的原因及其對策
根據金屬板料在拉伸成形過程中其材料在變形區(qū)域內的應力應變分析可知，當處于材料變形區(qū)域內的材料受到的某一矢量方向上的拉應力大于材料本身的抗拉強度，且此時材料又無法沿著較大的受力方向做相應移動時，此處的材料就會破裂。
因此，為了不使材料被拉破或嚴重拉薄，從理論上來說，就是要改變在拉伸成形過程中材料的受力狀況或使材料在受到較大外力時，可以在相應的方向上做相應的移動。
在實際生產中，人們歸納總結了許多的方法和經驗，如：改變拉伸成形凸、凹模圓角半徑大小并使其粗糙度變小，改變壓邊力的設置，調整每道工序的拉伸系數(shù)，注意控制好凸凹模之間的間隙等等，其目的均是改變材料在拉伸變形區(qū)域內所受的應力大小及其材料變形程度，使其所受的拉應力小于材料本身的抗拉強度，以避免材料破裂。
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