拉伸

科学术语

拉伸是指使高聚物中的高分子链沿外作用力方向进行取向排列，从而达到改善高聚物结构和力学性能的一种方法。拉伸可分为单轴拉伸和双轴拉伸两种，前者使链沿一个方向进行取向排列，后者使链沿平面进行取向排列。

拉伸过程

拉伸通常是在高于玻璃化温度的条件下进行的。单轴取向和双轴取向都能使高聚物产生各向异性（力学、光学、热学、电学等），双轴取向使平面内分子链的方向是无规的。结晶高聚物拉伸时其球晶能变形直至破坏，部分折叠链片晶被拉成伸直链，在一定条件下可沿拉伸方向排列成规整而完全的伸直链晶体。高聚物在拉伸过程中形成的这种新结构通常称为微丝晶结构。在其形成过程中伸直链段数目增加，折叠链段数目减少，同时增加了片晶间的连接链，从而提高了高聚物的力学强度和韧性。

应用

单轴拉伸是提高化学纤维强度的一种重要手段。通常用纤维拉伸前后长度之比来定义纤维的拉伸比。随着拉伸比的增加，纤维的模量和强度也都增加。在纺丝过程中希望尽可能多地生成伸直链结构来制得高强度、高模量的合成纤维（如聚芳酰胺类纤维）。薄膜单轴拉伸时与拉伸方向平行的强度随着拉伸比的增加而增加。但垂直于拉伸方向的强度则随之下降，高度的单轴拉伸薄膜甚至可导致高聚物微纤化。因此，它也是制造纤维的一种方法。双轴拉伸是改进高聚物薄膜或薄片性能的一种重要方法。双轴拉伸可用来防止单轴拉伸时在薄膜平面内垂直于拉伸方向上强度变差的缺点，双轴拉伸的制品比未拉伸者具有较大的抗拉强度和抗冲击韧性。因此，双轴拉伸的薄膜可用于性能要求很高的电影片基和录音磁带、录像磁带等的带基。

拉伸实验

实验概述

单轴拉伸实验是研究材料机械性能的最基本、应用最广泛的实验。由于试验方法简单而且易于得到较为可靠的试验数据，在工程上和实验室中都广泛利用单轴拉伸实验来测取材料的机械性能。多数工程材料拉伸曲线的特性介于低碳钢和铸铁之间，但其强度和塑性指标的定义与测试方法基本相同，因此通过单轴拉伸实验分析比较两种材料的拉伸过程，测定其机械性能，在机械性能的试验研究中具有典型的意义，掌握其拉伸和破坏过程的特点有助于正确合理地认识和选用材料，了解静载条件下结构材料的许用应力的内涵。

目的

1.通过单轴拉伸实验，观察分析典型的塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的拉伸过程，观察断口，比较其机械性能。

2.测定材料的强度指标（屈服极限、强度极限）和塑性指标（延伸率和面缩率）。

设备

1.电子万能材料试验机WDW-100A。

2.计算机、打印机。

3.游标卡尺。

试样

材料性能的测试是通过试样进行的，试样制备是试验的重要环节，国家标准GB6397-86对此有详细的规定。本试验采用圆棒试样，如图1所示。试样的工作部分（即均匀部分，其长度为）应保持均匀光滑以确保材料的单向应力状态。均匀部分的有效工作长度称为标距，和分别为工作部分的直径和面积。试样的过渡部分应有适当的圆角以降低应力集中，两端的夹持部分用以传递载荷，其形状与尺寸应与试验机的钳口相匹配。

材料性能的测试结果与试样的形状、尺寸有关，为了比较不同材料的性能，特别是为了使得采用不同的实验设备、在不同的实验场所测试的试验数据具有可比性，试样的形状与尺寸应符合国家标准（GB6397-86）。例如，由于颈缩局部及其影响区的塑性变形在断后延伸率中占很大比重，同种材料的延伸率不仅取决于材质，而且还取决于试样标距。按国家标准规定，材料延伸率的测试应优先采用两类比例试样：

（1）长试样：（圆形截面试样），或（矩形截面试样）

（2）短试样：（圆形截面试样），或（矩形截面试样）

用长试样和短试样测得的断后延伸率分别记做和，国家标准推荐使用短比例试样。

其他相关

将拉伸通过外力拉长一定长度（弹性变形范围内），螺栓就具有一定回复的力（相当与将弹簧拉长），而这个力就可以将工件把紧。

性能影响

碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/AI)具有高比强度、高比模量、耐高温、导电、导热、热膨胀系数小、尺寸稳定性好等优异的综合性能，但由于SiCp/AI复合材料塑韧性差，在航天领域的应用受到局限。除了热处理和热加工等因素，SiCp本身如尺寸、分布对复合材料性能影响很大。对此研究工作者作了相当多的工作，但并未取得一致的见解。在粉末冶金法中，合理选择SiCp的尺寸，对于制备性能优异、加工性能好的SiCp/AI复合材料很有意义。

在现有工艺条件下对所制备的不同SiCp尺寸增强铝基复合材料的断裂行为进行了探讨，以期在设计材料时提供一定的依据。

尺寸变化对拉伸性能的讨论

本实验所使用的复合材料用同样的工艺条件制备，因此可以认为不同尺寸颗粒增强的复合材料界面强度都是相同的。即使存在颗粒聚集，在实验观察中也并未发现颗粒和基体界面结合不好的现象。可以认为多数颗粒和基体的界面结合是好的。所以，复合材料所受的载荷能够通过界面有效传递到增强颗粒上。大尺寸的SiCp由于本身存在的晶体缺陷如层错等较多，而且由于颗粒越大，基体和颗粒的界面积越大，通过界面传递到颗粒上的载荷越大，因此解理倾向较大，此外，在复合材料塑性变形过程中，大尺寸颗粒较难协同基体合金流动，由此容易产生应力集中也会导致颗粒开裂。小尺寸的SiCp容易和基体合金一起发生塑性流动，而且由于其尺寸小，内部缺陷较少，因而解理倾向小，在界面结合良好的前提下，裂纹扩展将始终在基体合金内进行，直至试样最终断裂。

以上实验结果表明，小尺寸增强颗粒能提高复合材料拉伸强度和屈服强度。根据Arsenault的理论研究，颗粒增强金属基复合材料的屈服强度与颗粒和位错的交互作用紧密相关，用Orowan机制来阐述

其中，是剪切屈服强度，为临界剪切屈服强度，b是Burgers矢量，T是位错线张力，L是平均颗粒间距。L可以用以下公式计算

其中，是体积分数，dm是平均颗粒直径。而位错线张力T由下式表示

其中，μ为切变模量。

在颗粒尺寸在微米级时，其尺寸对复合材料的强度影响机制不能通过Orowan机制来解释。也就是说位错与SiCp的交互作用不是增强颗粒强化的主要方式在本实验所使用的复合材料中，SiCp的强化机制可能是通过界面载荷传递为主要的强化方式。大颗粒由于容易开裂，有可能成为裂纹源，所以不能起到很好的强化作用。另一方面，同样体积分数下，与小颗粒相比，大颗粒在基体合金中间距较大，在热处理过程中由于增强颗粒与基体合金的热膨胀系数差异造成的位错密度较低，而且颗粒周围的位错间距大，割阶、塞积等相互作用较弱，因此屈服强度低，而塑性却较好。另外，位错密度的差异明显会造成复合材料达到峰时效时间不同。本实验中，对所有复合材料的热处理工艺是相同的，小颗粒增强的复合材料达到峰时效时，大颗粒增强复合材料还处于欠时效状态，由此导致性能差异。最后，在界面结合良好的前提下，后者界面数量较前者少，这也是其强度低而塑性高的原因。在这方面还需较多的微观结构观察来证明。

本实验中，7μm的SiCp增强效果最理想，这可能是以上所有因素共同作用的结果7μm的颗粒比3.5μm的SiCp在尺寸上更接近铝合金粉末，分布有可能会更理想，由此避免了由于颗粒积聚产生的界面结合不好等问题，所以其对应的复合材料强度要比3.5μm的SiCp增强的复合材料要高。而且由于上述原因，其复合材料的强度要比10和20μm的SiCp增强的复合材料强度高。

研究结论

SiCp增强2024AI基复合材料的拉伸强度随着SiCp尺寸增加而减小，由于小尺寸颗粒在基体合金中的分布不如大尺寸颗粒分布均匀，因此塑性随着颗粒尺寸增加而增加。另外，小尺寸增强复合材料断裂是以界面附近的基体撕裂为主，大尺寸颗粒增强复合材料则以颗粒解理开裂为主。

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