铝合金锻件力学性能检测中的屈服强度与延伸率测试方法

铝合金锻件因轻量化、高强度、耐腐蚀等特性，广泛应用于航空航天、汽车制造、轨道交通等领域。其力学性能是保障产品安全与可靠性的核心指标，其中屈服强度（反映材料抵抗塑性变形的能力）与延伸率（衡量材料塑性的关键参数）更是评估锻件质量的“黄金指标”。准确、规范的测试方法是获取真实力学性能数据的基础，直接关系到锻件的设计应用与质量管控。本文围绕铝合金锻件中屈服强度与延伸率的测试方法展开，从试样制备、测试操作到误差控制，系统阐述关键要点。

试样制备的规范要求

试样是测试的基础，其质量直接决定结果的准确性。依据《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1-2010），铝合金锻件的拉伸试样需根据锻件形状选择对应类型——圆柱试样（适用于圆截面锻件）或板状试样（适用于板带锻件）。圆柱试样标距部分直径通常为Φ10mm或Φ5mm，板状试样标距部分厚度应与锻件原始厚度一致，且平行度误差需≤0.001倍标距直径（或厚度），避免加载时应力不均。

试样加工需采用冷机加工（如铣床、车床），严禁热切割（如气割、等离子切割），防止热影响区改变材料组织。标距部分表面粗糙度需达到Ra≤0.8μm，避免划痕、毛刺导致应力集中。此外，试样需从锻件的“关键部位”取样——如航空锻件的承力区、汽车锻件的受力焊缝附近，且需考虑锻造方向性（沿锻压方向与垂直方向的性能差异），确保试样具有代表性。

需注意，试样的非标距部分（如夹持端）需与试验机夹具匹配：圆柱试样夹持端直径应略大于标距部分（通常大2-3mm），板状试样夹持端宽度需大于标距部分，防止测试时夹持端断裂。加工完成后，需标记试样的锻压方向（如用箭头标注），便于后续结果分析。

屈服强度测试的原理与操作步骤

屈服强度的定义是“材料开始发生塑性变形时的应力”，根据铝合金的成分与状态（如退火、时效），可分为“有明显屈服现象”与“无明显屈服现象”两类。前者常见于Al-Mg系合金（如5083锻件），拉伸曲线会出现“上屈服点”（应力峰值）与“下屈服点”（应力平台）；后者多见于Al-Cu系、Al-Zn系合金（如2024、7075锻件），曲线无明显峰值，需用“规定非比例延伸强度（σ_p0.2）”替代。

测试前需完成三项准备：一是安装试样，确保试样轴线与试验机力的作用线重合（用同轴度夹具调整），避免偏心加载；二是清零——试验机开机预热30分钟后，对力值、位移（或引伸计）进行清零；三是设置加载速率，依据GB/T 228.1，铝合金拉伸测试的加载速率需控制在0.00025/s至0.0025/s（即每秒应力增加0.25MPa至2.5MPa，对应Φ10mm试样的加载力速率为19.6N/s至196N/s）。

加载过程中，试验机需实时记录“力-位移”或“力-应变”曲线。对于有明显屈服现象的试样，上屈服强度为曲线第一个峰值对应的应力（σ_su = F_su / A_0，F_su为上屈服力，A_0为试样原始横截面积）；下屈服强度为曲线平台段的最小应力（σ_sl = F_sl / A_0）。对于无明显屈服现象的试样，需采用“0.2%非比例延伸法”：在曲线弹性阶段作切线，再从原点作一条平行于切线的直线（偏移量为0.2%L_0），直线与曲线的交点对应的应力即为σ_p0.2。

需注意，若试样在弹性阶段出现“跳动”（如曲线波动），需放慢加载速率，待曲线平稳后再继续；若引伸计脱落（如试样塑性变形过大），需立即停止加载，更换引伸计或采用位移法补测，但位移法仅适用于塑性较好的试样。

延伸率测试的关键操作要点

延伸率是试样拉断后标距部分的伸长量与原始标距的百分比（δ = (L_1 - L_0)/L_0 × 100%，L_1为断后标距），反映材料的塑性能力。铝合金锻件通常采用“短标距”（L_0=5d_0，d_0为圆柱试样标距直径），更能体现材料的塑性差异。

原始标距的标记需精准：对于圆柱试样，用划针或激光标距仪在标距部分划出两条平行于轴线的标记线（间距为L_0），标记线宽度≤0.1mm，深度≤0.02mm，避免损伤试样表面；对于板状试样，需在标距部分两端用冲点标记（冲点直径≤0.5mm），或用激光标距仪标记连续的点线。标记完成后，需用游标卡尺测量L_0，精确至0.01mm（如L_0=50mm时，测量值应为50.00mm±0.02mm）。

断后标距的测量是延伸率测试的难点。试样拉断后，需先将两段试样沿断口对齐（确保断口完全吻合，无错位），再用游标卡尺或断后标距测量仪测量L_1。若断口距离标距端点小于L_0/3（如L_0=50mm时，断口距离端点<16.7mm），则试验结果无效（因断裂位置靠近夹持端，应力分布不均），需重新取样测试。对于脆性断裂的试样（如时效态Al-Cu合金），对齐时需轻拿轻放，避免断口碎片丢失。

需特别注意，延伸率的计算需基于“原始标距”而非“实际标距”。例如，若原始标距L_0=50.00mm，断后标距L_1=62.50mm，则延伸率δ=(62.50-50.00)/50.00×100%=25%。若试样在标距外断裂（如夹持端），则延伸率结果无效，需重新测试。

规定非比例延伸强度（σ_p0.2）的测试细节

对于无明显屈服现象的铝合金锻件（如2024-T6、7075-T6），σ_p0.2是最常用的“屈服强度”指标，其定义为“试样标距部分的非比例延伸达到原始标距的0.2%时的应力”。非比例延伸是指材料发生塑性变形的部分（弹性延伸之外的变形），因此σ_p0.2更能反映材料的“实际屈服能力”。

测试σ_p0.2的核心是准确绘制“偏移线”。具体步骤为：首先从“力-应变”曲线的原点O作一条与弹性阶段切线平行的直线OA，切线的斜率为材料的弹性模量E（铝合金的E约为70GPa）；然后计算偏移量：Δε=0.2%=0.002（应变），对应标距L_0=50mm的试样，偏移的变形量为ΔL=0.2%×L_0=0.1mm；最后，直线OA与曲线的交点对应的应力即为σ_p0.2。

为提高准确性，建议采用“引伸计法”替代“位移法”——引伸计直接夹持在试样标距部分，测量试样的真实应变，避免试验机机架变形（位移法会包含机架的弹性变形，导致曲线偏移）。引伸计的精度需符合GB/T 12160的要求（如级别为1级，最大允许误差±1%），安装时需确保引伸计的标距与试样原始标距一致（如L_0=50mm时，引伸计标距也为50mm）。

若曲线的弹性阶段不明显（如退火态铝合金，弹性模量较低），需采用“多点拟合”法计算切线斜率：在弹性阶段选取3-5个点（如力值为10%σ_b至30%σ_b，σ_b为抗拉强度），用线性回归法计算这些点的斜率，作为弹性模量E。避免仅选取原点附近的1-2个点（易受曲线噪声影响）。

加载速率对测试结果的影响及控制

加载速率是影响屈服强度与延伸率的关键因素。铝合金属于“应变率敏感材料”，加载速率过快会导致材料内部位错运动跟不上应力增加速度，表现为屈服强度偏高、延伸率偏低；加载速率过慢则会引发“蠕变变形”，导致屈服强度偏低、延伸率偏高。

以7075-T6铝合金圆柱试样（Φ10mm，L_0=50mm）为例：当加载速率为0.00025/s时，σ_p0.2约为480MPa，延伸率约为11%；当加载速率提高至0.0025/s时，σ_p0.2升至495MPa（增加3%），延伸率降至10%（减少9%）。因此，严格控制加载速率是确保结果重复性的关键。

控制加载速率的方法有两种：一是采用“应力速率控制”（试验机自动调整加载力，使应力增加速率恒定），适用于圆柱试样（横截面积固定）；二是采用“应变速率控制”（通过引伸计测量应变，调整加载力使应变速率恒定），适用于板状试样（横截面积可能变化）。对于伺服液压试验机，可直接设置“应力速率”或“应变速率”模式；对于电子万能试验机，需通过软件计算加载力速率（如Φ10mm试样，应力速率0.001/s对应加载力速率为78.5N/s）。

需注意，加载过程中不能随意调整速率——若加载速率突然加快（如操作员误触按钮），需立即停止测试，更换试样重新开始。若试样在加载过程中出现“颈缩”（塑性变形集中在某一段），需保持速率不变，直至试样断裂（颈缩是延伸率的重要组成部分，不能提前停止）。

试样加工质量的影响与控制

试样加工过程中的缺陷（如表面划痕、热影响区、平行度误差）会显著影响测试结果。以表面划痕为例：若圆柱试样标距部分有一条深度0.1mm的划痕，会导致局部应力集中，使屈服强度降低5%-10%，延伸率降低15%-20%（划痕处易先发生塑性变形，导致提前断裂）。

表面质量的控制要点：一是加工设备——采用高精度车床或铣床（如数控车床，精度达0.01mm），避免手工打磨（易产生划痕）；二是刀具选择——使用硬质合金刀具（如钨钴合金刀），切削速度控制在50-100m/min，进给量0.05-0.1mm/r，减少切削热（切削热会导致试样表面退火，降低硬度）；三是表面处理——加工完成后，用细砂纸（如1200#）轻轻打磨标距部分，去除刀具痕迹，再用酒精清洗表面（去除油污）。

平行度与同轴度的控制：圆柱试样标距部分的平行度误差需≤0.001d_0（如d_0=10mm时，平行度≤0.01mm），可用千分尺测量标距部分两端的直径（差值≤0.01mm）；板状试样标距部分的厚度误差需≤0.01mm，可用厚度规测量。若平行度误差过大，需重新加工试样（如用磨床修磨标距部分）。

热影响区的避免：严禁用氧气-乙炔焰切割试样（会导致表面氧化，形成1-2mm的热影响区），需采用锯床（如带锯床）切割锻件毛坯，再进行机加工。机加工时，切削液需充足（如乳化液），降低切削温度（切削温度需控制在100℃以下，避免铝合金软化）。

常见测试误差及解决方法

在实际测试中，常遇到“屈服点判断不准确”“延伸率测量误差大”“结果重复性差”等问题，需针对性解决。

问题1：屈服点判断模糊（无明显屈服现象的试样）

问题2：延伸率测量误差大（如同一批试样延伸率差值＞2%）

问题3：结果重复性差（同一试样重复测试，屈服强度差值＞5MPa）