金屬材料高溫拉伸試驗是在室溫以上的高溫下進行的拉伸試驗。高溫拉伸試驗時，除考慮應力和應變外，還要考慮溫度和時間兩個參量。溫度對高溫拉伸性能影響很大，因此對溫度的控制要求很嚴格。試樣一般采用電爐加熱，爐子工作空間要有足夠的均熱帶，用儀表進行自動控制溫度。
高溫拉伸試驗是一種常見的材料強度性能測試方法，廣泛應用于金屬、塑料、陶瓷和復合材料等各種工程材料的研究和開發(fā)中。通過高溫拉伸試驗，可以評估材料在高溫環(huán)境下的機械性能、變形行為、延展性以及臨界斷裂強度等。本文將介紹高溫拉伸試驗的相關內(nèi)容，包括試驗原理、試驗設備、試驗步驟以及數(shù)據(jù)分析等。
一、試驗原理：高溫拉伸試驗基于材料的應力-應變關系，通過加載試樣并在高溫環(huán)境下施加恒定的拉力，以測量材料的破壞強度。在拉伸過程中，材料會發(fā)生塑性變形，應變會隨著應力的增加而增加，直至達到材料的破壞點。通過測量應力和應變的變化曲線，可以獲得材料的應力-應變曲線。
二、試驗設備：高溫拉伸試驗的設備一般包括拉伸機、加熱爐和溫控系統(tǒng)。拉伸機用于加載試樣，并測量試樣的應力和應變值。加熱爐則提供高溫環(huán)境，確保試樣在設定的溫度下進行拉伸試驗。溫控系統(tǒng)用于控制加熱爐的溫度，并保持溫度的穩(wěn)定。
三、試驗步驟：
1. 準備試樣：根據(jù)材料的特性和試驗要求，選擇合適的試樣形狀和尺寸，并進行必要的加工和處理，以確保試樣的質(zhì)量和準確性。
2. 安裝試樣：將試樣裝夾到拉伸機的夾具上，并確保試樣的對稱性和穩(wěn)定性。確保試樣與夾具之間的浮動盡可能小，以避免試驗結果的誤差。
3. 加載試樣：啟動拉伸機，施加恒定的拉力，使試樣開始拉伸。在整個拉伸過程中，記錄試樣的應力和應變數(shù)據(jù)，并及時保存。
4. 設定溫度：根據(jù)試驗要求，設定加熱爐的溫度，并確保溫度的穩(wěn)定。一般來說，溫度會逐漸升高到設定值，并保持一段時間，以使試樣充分適應高溫環(huán)境。
5. 進行拉伸試驗：在設定的高溫環(huán)境下，繼續(xù)對試樣進行加載，直至試樣破壞。記錄試樣破壞前的最大應力和應變值，并計算其他相關的力學性能參數(shù)。
6. 數(shù)據(jù)分析：根據(jù)試驗結果和相應的數(shù)據(jù)處理方法，分析材料在高溫條件下的拉伸性能，并繪制應力-應變曲線。通過比較不同溫度下的試驗結果，可以評估材料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。
四、數(shù)據(jù)分析與結果：在高溫拉伸試驗中，應力-應變曲線是評估材料性能的重要指標。通過分析曲線的斜率、屈服點和斷裂點等參數(shù)，可以得出材料的塑性變形能力、強度和韌性等信息。同時，還可通過對比不同試樣的試驗結果，評估材料的一致性和可重復性。
高溫拉伸試驗方法是一種評估材料在高溫環(huán)境下力學性能的重要手段。它可以為工程材料的研發(fā)和應用提供可靠的數(shù)據(jù)支持，為工程設計、制造和安全評估提供指導。然而，注意在試驗過程中保證試樣與夾具的穩(wěn)定性，并根據(jù)具體需求選擇合適的試驗參數(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，以獲得準確和可靠的試驗結果。
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ASTM E21-2020標準是關于金屬材料在高溫下進行拉伸試驗的方法。高溫拉伸試驗是一種常用的測試方法，用于評估材料在高溫環(huán)境下的性能和可靠性。
首先，讓我們來了解ASTM E21-2020標準的背景和目的。這個標準是由美國材料與試驗協(xié)會（ASTM International）制定的，旨在提供一種標準化的方法來測量金屬材料在高溫下的拉伸性能。高溫拉伸測試是金屬材料研究和應用中非常重要的一部分，因為許多金屬材料在高溫環(huán)境下會發(fā)生變形、破裂或失去性能。
標準中術語定義：
1）試樣的小截面段是橫截面比夾持兩端部小的試樣長度中間部分，其橫截面是均勻的。
2）小截面段的長度是形成縮減部分邊界兩過渡圓弧的兩切點之間的距離。
3）小截面段的調(diào)節(jié)長度是比縮減部分的長度長出一個用來補償過渡弧區(qū)的應變計算值
4）標距是標在試樣上兩標記之間用于測定斷后延伸率的原始距離.
5）軸向應變是在相對兩側并與試樣軸等距離處所測量的應變之平均值
6）最大彎曲應變是在試樣的最小截面段上彎曲應變的最大值。它可以從兩個不同的縱向位置在每個位置上取三個圈向位置測得的應變計算得到。
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ASTM E21-2020標準主要包括以下幾個方面的內(nèi)容。
一.首先是試樣的選擇和制備
試樣的選擇要考慮到材料類型、尺寸、形狀等因素，以及試驗過程中受到的應力和溫度。試樣的制備要符合標準中給出的要求，確保試樣的準確性和可重復性。
1.取樣要求
1）取自代表該批材料的部位。
2）從最終狀態(tài)的材料切取樣坯。每批做一次試驗。
3）一批相同爐號、相同標稱尺寸和相同狀態(tài)（特征）的材料。
4）試樣的取向應使試樣軸線平行于加工方向。
5）厚度、直徑或兩面間的距離等于或小于38毫米的產(chǎn)品在中心部位。
6）厚度、直徑或兩面間的距離大于 38 毫米的產(chǎn)品，在產(chǎn)品的中心至其表面的中間部位。
二.試驗設備和條件的設置
ASTM E21-2020標準詳細描述了拉伸試驗設備的要求，包括拉伸機、溫度控制系統(tǒng)、試樣夾具等。試驗條件的設置包括試樣的初始長度、加載速率、試驗溫度等。這些條件設計要符合要求，以確保試驗結果的準確性和可比性。
1.試驗機的精度滿足于E4 方法 " 試驗機的校驗 " 中規(guī)定的允許偏差范圍內(nèi)。
1）試驗機具有合格條件的零負荷和最低負荷下讀取的應變讀數(shù)為基礎進行計算時，試驗機和夾頭應能對精確加工的試樣施加負荷而使試樣的最大彎曲應變不超過其軸向應變的 10% 。
2）試驗脆性材料時，即使是在 10% 的彎曲應變下也可以產(chǎn)生比在改進的軸向性情況下應該得到的強度低
3）通過室溫下測定的軸向性來證明試驗設備合格。在對設備進行軸向性測量時，所用試樣形狀應與在高溫下所用的試樣相同。
4）在高溫下重復使用，夾持裝置和拉桿可能氧化、翹曲和蠕變，結果可能增加彎屈應力。因此，應定期重復檢驗夾頭和拉桿的軸向性，必要時應重新加工。
5）對于容易受其環(huán)境（例如金屬在空氣中氧化）浸蝕的材料高溫拉伸試驗，可以把試樣封閉在容器內(nèi)，使之能夠在真空或惰性氣氛中進行試驗。
2.加熱裝置
1）除非雙方事先特意商定其他介質(zhì)，否則均應用電阻絲爐或輻射爐在大氣氣氛中加熱試樣。
2）試驗期間（從加力到斷裂的時間），指示溫度與標稱溫度之差不應超過下列限度：
?≤ 1000 ℃，± 3 ℃
?＞ 1000 ℃，± 6 ℃
3）當在幾百度的溫度下試驗時，由于塑性加工的內(nèi)加熱，可能使溫度升高超過上述規(guī)定范圍。
3.溫度測量裝置
1）試驗期間（從加力到斷裂的時間），指示溫度與標稱溫度之差不應超過下列限度：≤ 1000 ℃，±3 ℃ ＞ 1000 ℃，±6 ℃。
2）應用與電位計或毫伏計相連接的熱電偶進行溫度測量。
3）應使用標定過的熱電偶測量溫度。
4.引伸計系統(tǒng)
1）依據(jù)方法ASTM E83 挑選符合要求的引伸計，確定靈敏度和精確度。
2）當僅在試樣一側測量應變時，在小應變下負荷的不同心度通常足以產(chǎn)生明顯誤差，因此，應裝卡引伸計到試樣相對兩側的應變，則應力——應變曲線的斜度通常將在彈性模量的10%以內(nèi)。
3）將引伸計安裝在小試樣上可能難以實行。在這種情況下，可記錄試樣兩夾頭或十字頭的分離移動，并用此來測定與 0.2% 偏置量屈服強度相應的應變。這樣得到數(shù)值的精確度較低，因而必須注明為“近似屈服強度”。觀測到的伸長應通過 9.6.3 和10.1.3 條所敘述的程序進行修正。
5.標定與標準化
1）需標定和校準的項目
?力值——測量系統(tǒng) E4 和 E74
?引伸計 E83
?加荷裝置的軸向性
?熱電偶 E220
?電位計
?測微計 （千分尺）
2）標定周期
?試驗機至少應每年標定一次。
?經(jīng)常使用或差不多經(jīng)常使用的儀器更應經(jīng)常進行標定。
?偶而使用的儀器應在每次使用前進行標定。
三.試驗過程
ASTM E21-2020標準規(guī)定了在高溫下進行拉伸試驗的步驟和要點。首先，試樣被夾持在拉伸機上，然后通過加載系統(tǒng)施加拉力。試驗過程中需要記錄試樣的變形、載荷和溫度等數(shù)據(jù)。試驗結束后，可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算和評估材料的力學性能，如強度、延伸率、模量等。
1.溫度控制
1）按照 E633 焊接熱電偶的焊珠，熱電偶焊珠應盡可能小，不應有短路（在熱電偶焊珠后面可能發(fā)生扭接），在熱電偶熱區(qū)通常使用陶瓷珠絕緣，若用其他材料需要驗證在高溫下是否還具有點絕緣性。
2）熱電偶綁扎到試樣上時，其接點必須與試樣保持緊密接觸，并要遮蔽直接的熱輻射熱。
3）當縮減部分的長度<50 毫米時，在兩端各固定一支熱電偶。≥50 毫米時在縮減部分的中心附近添加第三個熱電偶。
4）試驗期間（從加力到斷裂的時間），指示溫度與名義溫度之差不應超過下列限度。
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2.試樣安裝
要注意安裝試樣時不引入非軸向力。
3.應變測量和應變率
1）需要測定屈服強度
?測定屈服強度期間，試樣均勻部分的應變率應保持在 0.005 ± 0.002/ 分范圍內(nèi)。
?測定屈服強度之后，增加十字頭移動速率到每分鐘試樣縮減部分修正長度的 0.05 ± 0.01 倍。
?為了避免引伸計受損傷，在達到最大負荷前將引伸計的敏感元件卸下。
2）不要求測定屈服強度時
?速度為每分鐘試樣縮減部分修正長度的 0.05 ± 0.01 倍。
3）測定屈服強度的三種方法
?對于正常尺寸和塑性的試樣，將引伸計裝卡到試樣的縮減部分上
?試驗塑性差的金屬時，可將引伸計裝卡到試樣的兩凸臺上
?對于小型試樣，測量夾頭或十字頭分離位移以測定近似屈服強度
4.試驗程序
如果使用負荷- 伸長記錄儀自動記錄，則在引伸計敏感元件卸下之后應繼續(xù)記錄負荷。在任何情況下，都得觀測和人工記錄最大負荷。
5. 對圓形橫截面試樣的斷面收縮率測量
1）先將斷裂的試樣的兩個斷口仔細拼接在一起，并在室溫下測量其最小直徑，精確到 0.2 毫米（ 0.01 英寸）。
2）如果斷裂的橫截面不圓，則要進行足夠的測量以確定斷裂處橫截面積。
3）如果斷裂是發(fā)生在圓角處或標記上，則此斷面收縮率不能代表該材料。
4）在驗收試驗情況下，如果斷面收縮率達到規(guī)定的最小值，則不要求重做試驗。
5）如果斷面收縮率低于規(guī)定最小值時，則此試驗作廢，并且重做試驗。
6.計算
1）屈服強度
?除非另作規(guī)定，屈服強度按試驗方程E8/E8M中的規(guī)定，在殘余應變?yōu)?/span>0.2%下測定并報告。
?引伸計必須裝卡在試樣的凸臺上，以小截面段的調(diào)整長度作為殘余變形伸長量（單位為英寸或毫米）作為基礎。即對應殘余應變時的屈服強度為小截面段的調(diào)整長度的 0.002 倍。
2）抗拉強度
?通過區(qū)分試驗中試樣斷裂時的最大截面，除以試樣小截面段的原始最小橫截面積來計算得到抗拉強度。
3）延伸率
?當標長標記在具有公稱均勻橫截面積的試樣的小截面段上時，其延伸率等于斷裂后的標長減去原始標長，其差值以原始標長的百分數(shù)來表示。
?如果標長包括角弧、凸臺螺紋等，標長的增量則以試樣的小截面段的調(diào)整長度的百分比來表示。
4）斷面收縮率
?斷面收縮率等于試驗前試樣小截面段最小橫截面積減去試驗后小截面段最小橫截面積，將其差除以試驗前小截面段最小所得的百分比值即為斷面收縮率。
?只有圓形橫截面試樣才要報告斷面收縮率。
四.試驗報告
ASTM E21-2020標準還提供了試驗結果的分析和報告要求。試驗結果可以通過統(tǒng)計分析和圖表展示，以便更好地理解材料的性能。試驗報告需要包括試驗的目的、方法、結果和結論等內(nèi)容，以便他人能夠理解和評估試驗過程和結果。具體報告內(nèi)容要求如下。
1）關于試驗材料的說明應包括產(chǎn)品的制造方法、類型和尺寸、與工藝規(guī)程有關的加工資料以及熱處理、顯微結構和化學成分等。
2）試樣尺寸，應包括橫截面尺寸、 圓角、小截面段的長度、小截面的調(diào)整長度（如采用時）、連接端類型、是否機加工，局部機加工還是鑄造加工。
3）試驗溫度。
4）屈服時的應變率或屈服后的應變率。
5）屈服強度，如果必要，橫梁下降屈服點（如果發(fā)生這種屈服點）。
6）要求測定一種或多種屈服強度時，殘余變形的量應以數(shù)值表示出來。
7）如果引伸計裝卡到試樣凸肩上，則應在其值上加一腳注說明
8）如果引伸計沒有直接卡在試樣上，試驗值應以“近似屈服強度（殘余變形=0.2%）”列出。
在進行高溫拉伸試驗時，還需要考慮一些其他因素。首先是溫度控制。試驗溫度需要在一個準確、穩(wěn)定的范圍內(nèi)保持，并且在試驗過程中需要實時監(jiān)測和記錄溫度變化。其次是試樣的保護措施。一些金屬材料在高溫下容易與氧氣、水蒸氣等反應，可能導致試樣的表面氧化或脆化，因此需要在試驗過程中采取相應的保護措施。此外，試驗過程中還需要注意試樣的失效形式（如斷裂、塑性流動等）、應力-應變曲線的測量和分析、試驗結果的可靠性評估等。
綜上所述，ASTM E21-2020標準為金屬材料的高溫拉伸試驗提供了詳細的方法和指導。高溫拉伸試驗可以用于評估金屬材料在高溫下的力學性能和可靠性，對于材料研究和應用具有重要意義。在進行高溫拉伸試驗時，需要根據(jù)標準的要求選擇和制備試樣，設置試驗設備和條件，并進行試驗過程的記錄和分析。通過遵循ASTM E21-2020標準，可以獲得準確可靠的試驗結果，為金屬材料的設計和選用提供有力的支持。
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