[科普中國]-拉伸

拉伸是指使高聚物中的高分子鏈沿外作用力方向進行取向排列，從而達(dá)到改善高聚物結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的一種方法。拉伸可分為單軸拉伸和雙軸拉伸兩種，前者使鏈沿一個方向進行取向排列，后者使鏈沿平面進行取向排列。

拉伸過程拉伸通常是在高于玻璃化溫度的條件下進行的。單軸取向和雙軸取向都能使高聚物產(chǎn)生各向異性（力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等），雙軸取向使平面內(nèi)分子鏈的方向是無規(guī)的。結(jié)晶高聚物拉伸時其球晶能變形直至破壞，部分折疊鏈片晶被拉成伸直鏈，在一定條件下可沿拉伸方向排列成規(guī)整而完全的伸直鏈晶體。高聚物在拉伸過程中形成的這種新結(jié)構(gòu)通常稱為微絲晶結(jié)構(gòu)。在其形成過程中伸直鏈段數(shù)目增加，折疊鏈段數(shù)目減少，同時增加了片晶間的連接鏈，從而提高了高聚物的力學(xué)強度和韌性。

應(yīng)用單軸拉伸是提高化學(xué)纖維強度的一種重要手段。通常用纖維拉伸前后長度之比來定義纖維的拉伸比。隨著拉伸比的增加，纖維的模量和強度也都增加。在紡絲過程中希望盡可能多地生成伸直鏈結(jié)構(gòu)來制得高強度、高模量的合成纖維（如聚芳酰胺類纖維）。薄膜單軸拉伸時與拉伸方向平行的強度隨著拉伸比的增加而增加。但垂直于拉伸方向的強度則隨之下降，高度的單軸拉伸薄膜甚至可導(dǎo)致高聚物微纖化。因此，它也是制造纖維的一種方法。雙軸拉伸是改進高聚物薄膜或薄片性能的一種重要方法。雙軸拉伸可用來防止單軸拉伸時在薄膜平面內(nèi)垂直于拉伸方向上強度變差的缺點，雙軸拉伸的制品比未拉伸者具有較大的抗拉強度和抗沖擊韌性。因此，雙軸拉伸的薄膜可用于性能要求很高的電影片基和錄音磁帶、錄像磁帶等的帶基。

拉伸實驗實驗概述單軸拉伸實驗是研究材料機械性能的最基本、應(yīng)用最廣泛的實驗。由于試驗方法簡單而且易于得到較為可靠的試驗數(shù)據(jù)，在工程上和實驗室中都廣泛利用單軸拉伸實驗來測取材料的機械性能。多數(shù)工程材料拉伸曲線的特性介于低碳鋼和鑄鐵之間，但其強度和塑性指標(biāo)的定義與測試方法基本相同，因此通過單軸拉伸實驗分析比較兩種材料的拉伸過程，測定其機械性能，在機械性能的試驗研究中具有典型的意義，掌握其拉伸和破壞過程的特點有助于正確合理地認(rèn)識和選用材料，了解靜載條件下結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力的內(nèi)涵。1

目的1.通過單軸拉伸實驗，觀察分析典型的塑性材料（低碳鋼）和脆性材料（鑄鐵）的拉伸過程，觀察斷口，比較其機械性能。

2.測定材料的強度指標(biāo)（屈服極限 、強度極限）和塑性指標(biāo)（延伸率和面縮率）。

設(shè)備1.電子萬能材料試驗機WDW-100A。

2.計算機、打印機。

3.游標(biāo)卡尺。

試樣材料性能的測試是通過試樣進行的，試樣制備是試驗的重要環(huán)節(jié)，國家標(biāo)準(zhǔn)GB6397-86對此有詳細(xì)的規(guī)定。本試驗采用圓棒試樣，如圖1所示。試樣的工作部分（即均勻部分，其長度為 ）應(yīng)保持均勻光滑以確保材料的單向應(yīng)力狀態(tài)。均勻部分的有效工作長度 稱為標(biāo)距， 和 分別為工作部分的直徑和面積。試樣的過渡部分應(yīng)有適當(dāng)?shù)膱A角以降低應(yīng)力集中，兩端的夾持部分用以傳遞載荷，其形狀與尺寸應(yīng)與試驗機的鉗口相匹配。

材料性能的測試結(jié)果與試樣的形狀、尺寸有關(guān)，為了比較不同材料的性能，特別是為了使得采用不同的實驗設(shè)備、在不同的實驗場所測試的試驗數(shù)據(jù)具有可比性，試樣的形狀與尺寸應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)（GB6397-86）。例如，由于頸縮局部及其影響區(qū)的塑性變形在斷后延伸率中占很大比重，同種材料的延伸率不僅取決于材質(zhì)，而且還取決于試樣標(biāo)距。按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，材料延伸率的測試應(yīng)優(yōu)先采用兩類比例試樣：

（1）長試樣： （圓形截面試樣），或 （矩形截面試樣）

（2）短試樣： （圓形截面試樣），或 （矩形截面試樣）

用長試樣和短試樣測得的斷后延伸率分別記做 和 ，國家標(biāo)準(zhǔn)推薦使用短比例試樣。

其他相關(guān)將拉伸通過外力拉長一定長度（彈性變形范圍內(nèi)），螺栓就具有一定回復(fù)的力（相當(dāng)與將彈簧拉長），而這個力就可以將工件把緊。

SiC_p尺寸對鋁基復(fù)合材料拉伸性能的影響碳化硅顆粒增強鋁基復(fù)合材料(SiCp/AI)具有高比強度、高比模量、耐高溫、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)異的綜合性能，但由于SiCp/AI復(fù)合材料塑韌性差，在航天領(lǐng)域的應(yīng)用受到局限。除了熱處理和熱加工等因素，SiCp本身如尺寸、分布對復(fù)合材料性能影響很大。對此研究工作者作了相當(dāng)多的工作，但并未取得一致的見解。2在粉末冶金法中，合理選擇SiCp的尺寸，對于制備性能優(yōu)異、加工性能好的SiCp/AI復(fù)合材料很有意義。

在現(xiàn)有工藝條件下對所制備的不同SiCp尺寸增強鋁基復(fù)合材料的斷裂行為進行了探討，以期在設(shè)計材料時提供一定的依據(jù)。

尺寸變化對拉伸性能的討論本實驗所使用的復(fù)合材料用同樣的工藝條件制備，因此可以認(rèn)為不同尺寸顆粒增強的復(fù)合材料界面強度都是相同的。即使存在顆粒聚集，在實驗觀察中也并未發(fā)現(xiàn)顆粒和基體界面結(jié)合不好的現(xiàn)象。可以認(rèn)為多數(shù)顆粒和基體的界面結(jié)合是好的。所以，復(fù)合材料所受的載荷能夠通過界面有效傳遞到增強顆粒上。大尺寸的SiCp由于本身存在的晶體缺陷如層錯等較多，而且由于顆粒越大，基體和顆粒的界面積越大，通過界面?zhèn)鬟f到顆粒上的載荷越大，因此解理傾向較大，此外，在復(fù)合材料塑性變形過程中，大尺寸顆粒較難協(xié)同基體合金流動，由此容易產(chǎn)生應(yīng)力集中也會導(dǎo)致顆粒開裂。小尺寸的SiCp容易和基體合金一起發(fā)生塑性流動，而且由于其尺寸小，內(nèi)部缺陷較少，因而解理傾向小，在界面結(jié)合良好的前提下，裂紋擴展將始終在基體合金內(nèi)進行，直至試樣最終斷裂。

以上實驗結(jié)果表明，小尺寸增強顆粒能提高復(fù)合材料拉伸強度和屈服強度。根據(jù)Arsenault的理論研究，顆粒增強金屬基復(fù)合材料的屈服強度與顆粒和位錯的交互作用緊密相關(guān)，用Orowan機制來闡述

其中， 是剪切屈服強度， 為臨界剪切屈服強度，b是Burgers矢量，T是位錯線張力，L是平均顆粒間距。L可以用以下公式計算

其中，是體積分?jǐn)?shù)，dm是平均顆粒直徑。而位錯線張力T由下式表示

其中，μ為切變模量。

在顆粒尺寸在微米級時，其尺寸對復(fù)合材料的強度影響機制不能通過Orowan機制來解釋。也就是說位錯與SiCp的交互作用不是增強顆粒強化的主要方式在本實驗所使用的復(fù)合材料中，SiCp的強化機制可能是通過界面載荷傳遞為主要的強化方式。大顆粒由于容易開裂，有可能成為裂紋源，所以不能起到很好的強化作用。另一方面，同樣體積分?jǐn)?shù)下，與小顆粒相比，大顆粒在基體合金中間距較大，在熱處理過程中由于增強顆粒與基體合金的熱膨脹系數(shù)差異造成的位錯密度較低，而且顆粒周圍的位錯間距大，割階、塞積等相互作用較弱，因此屈服強度低，而塑性卻較好。另外，位錯密度的差異明顯會造成復(fù)合材料達(dá)到峰時效時間不同。本實驗中，對所有復(fù)合材料的熱處理工藝是相同的，小顆粒增強的復(fù)合材料達(dá)到峰時效時，大顆粒增強復(fù)合材料還處于欠時效狀態(tài)，由此導(dǎo)致性能差異。最后，在界面結(jié)合良好的前提下，后者界面數(shù)量較前者少，這也是其強度低而塑性高的原因。在這方面還需較多的微觀結(jié)構(gòu)觀察來證明。

本實驗中，7μm的SiCp增強效果最理想，這可能是以上所有因素共同作用的結(jié)果7μm的顆粒比3.5μm的SiCp在尺寸上更接近鋁合金粉末，分布有可能會更理想，由此避免了由于顆粒積聚產(chǎn)生的界面結(jié)合不好等問題，所以其對應(yīng)的復(fù)合材料強度要比3.5μm的SiCp增強的復(fù)合材料要高。而且由于上述原因，其復(fù)合材料的強度要比10和20μm的SiCp增強的復(fù)合材料強度高。

研究結(jié)論SiCp增強2024AI基復(fù)合材料的拉伸強度隨著SiCp尺寸增加而減小，由于小尺寸顆粒在基體合金中的分布不如大尺寸顆粒分布均勻，因此塑性隨著顆粒尺寸增加而增加。另外，小尺寸增強復(fù)合材料斷裂是以界面附近的基體撕裂為主，大尺寸顆粒增強復(fù)合材料則以顆粒解理開裂為主。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

陳紅 - 副教授 - 西南大學(xué)