-
伸长率的种类、定义和換算
东北特钢集团大连特殊钢丝有限公司
徐效谦、牛振伟
内容摘要：
对广大冷加工工作者来说，伸长率是一个既熟悉又陌生的概念。本文从分析钢铁材料拉伸
时应力
-
应变特性着手，揭示了各种伸长率的含
义、区别及换算关系。同时根据大量实验数据，努力探
索组织结构和冷加工工艺对伸长率
的影响，为深入研究伸长率找到突破口。
关键词：
伸长率、延伸率、换算。
<
/p>
钢丝伸长率是衡量钢丝塑性的一项参数，其种类、定义和換算执行国标
GB/T228
的规定。新国标
GB/T228.1-20
10
《金属材料
拉伸试验
第
1
部分
:
室温试验方法》参照国际标准
ISO6892-1:2009
进行了
修订，整体结构、层次划分、编写方法和技术内容与
ISO6892-1:2009
基本一致，代替了原国标
GB/T228-2002
《金属材料
室温拉伸试验方法》
。新国标将伸长率分
6
种：断后伸长率（
< br>A
）
、残余伸长
率（
A
r
）
、最大力塑性延伸
率（
A
g
）
、
最大力总延伸率（
A
gt
）
、断裂总延伸率（
A
t
）
和屈服点延伸率（
A
e
）
。
其中
4
项延伸率均为在应
力状态下测定的指标，
2
项伸长率为卸除应力后测定的指标，<
/p>
但对于残余伸长
率新国标只给出定义：
“
卸除指定应力后，伸长相对于原始标距（
L
o
< br>）的百分率”
，对其测定方法未作
统一规定。
1.
伸长率种类、定义和用途
GB/T228.1-2010
定义伸长时采用了两个近义术语：伸
长（
elongation
）和延伸（
extension
）
。拉伸试
验期间
任一时刻，试样原始标距（
L
o
）的增
量称为
“
伸长
”
；延伸可以理解为拉伸试验期间任一给定时
刻，引伸计上标距（
L
e
）的增量。试验中可以用测延伸的方法测定伸长，两者无
本质区别。
1.1
断后伸长率（
Percentage elongation
after fracture
）
断
后标距的永久伸长（
L
u
－
L
o
）与原始标距（
L<
/p>
o
）之比的百分率。断后伸长率是在拉断后的试样上
测取的，计算方法如公式
1
。
A
＝
L
u
－
L
o
×
100%
公式
1
L
o
式中：
L
o
—
试样原始标距，
mm
；
L
u
—
断后试样拼接后的标距，
mm
。
断后伸长率也可以通过引伸计测得，图
2
中
ΔL
r
实际上代表塑性伸长
+
局部缩颈伸长，计算方法如
公式
2
。
A
＝
ΔL
r
< br>×
100%
公式
2
L
e
1
图
2
用图解法测定断后伸长率和断裂总延伸率
1.2
断裂总延伸率
（
Percentage
total extension at fracture
）
断裂时刻标距的总延伸
ΔL
f
（弹性延伸
+
塑性延伸
+
缩颈延伸）与引伸计标距
L
e
之比的百分率，断
裂总延伸率是在应力下测定的伸长率，如图
1
。试验时纪录应力
-
延伸曲线，引伸计的标距为
L
e
，确定
图中
C
点，
O
C
为断裂总伸长
(
ΔL
f
)
，则断裂总延伸率计算方法如公式
3
。
A
t
＝
ΔL
f
L
e
×
100%
公式
3
1.3
最大力塑性延伸率（
Percentage plastic
extension at maximum force
）
最大力原始标距的塑性延伸
Δ
L
g
与引伸计上标距
L
e
之比的百分率，见图
1
。在用引伸计
测得的应
力
-
应变曲线图上，从最大力
总延伸
Δ
L
m
中扣除弹性延伸部分即为塑性延伸
ΔL
g
，将其除以引伸计标矩
L
e
，即为最
大力塑性延伸率，见公式
4
。最大力塑性延伸率实际反映了试样
塑性变形伸长率。
A
g
＝
(
?
L
m
R
m
－
)
?
100
%
公式
4
L<
/p>
e
m
E
式中：
L
e
—
—
引伸计标距；
m
E
——<
/p>
应力
-
应变曲线上弹性变形部分的斜率；
R
m
——
抗拉强度；
ΔL
m<
/p>
——
最大力下总延伸。
也可用图解法测定最大力延伸率，见图
3a
；当最大力出现平台时，取平台中点的最大力对应的塑
性延伸为
ΔL
ξ
，见图
3b
。此时，最大力塑性延伸率的计算如公式
5
。
A
g
＝
?
L
g
L
e
?
100
%
公式
5
a.
最大力明显时
b.
最大力出现平台时
2
图
3
用图解法测定最大力延伸率方法
1.4
最大力总延伸率（
Percentage total
extension at maximum force
）
最大力时原始标距的总延伸
ΔL
m
（弹性延伸
+
塑性延伸）
< br>与引伸计标距
L
e
之比的百分率
，
最大力总
伸长率是在应力下测定的延伸率，见图
3
，将最大力点的总延伸
ΔL
m
除以引伸计标矩
L
e
，即为最大力
总延伸率，见公式
6
< br>。如拉伸力
-
延伸曲线在最大点呈现一个平台，则取平台
宽度的中点作为最大力总
伸长率的最大力点。最大力总伸长率实际包含了试样弹性伸长和
塑性变形伸长两项伸长率。
A
gt
=
ΔL
m
×
100%
公式
6
L
e
1.5
残余伸长率（
Percentage permanent
elongation
）
残余伸长率
是在引伸计上测定的伸长率，指试样施加并卸除指定应力后，引伸计标距的残余伸长
量与
引伸计标距
(
L
e
)
之比的百分率，曾称为永久伸长率。
1.6
屈服点延伸率（
Percentage yield
point extension
）
屈服点延伸率是在应力下测定的伸长率，对呈现不连续屈服的材料，指从应力
-
应变曲线图上，均
匀加工硬化开始点的延伸减去上屈服强度对应的延伸得
到的延伸
ΔA
y
，再用
ΔA
y
除以引伸计延伸
L
e
即
得到屈服点延伸率，
< br>见图
4
和公式
7
。
均匀加工硬化开始点的确定方法为：
根据经过不连续
屈服阶段的
最后的最小值点（图
4a
）
作一条水平线，或经过均匀加工硬化前屈服范围的回归线（图
4b
）
，与均匀
加工硬化开始处曲线的最高斜率线相交点确定。<
/p>
A
e
＝
ΔL
y
L
e
×
100%
公式
7
式中：
A
e
—
—屈服点延伸率；
ΔA
y
——屈服点延伸。
a.
水平线法
b.
回归线法
图
4
屈服点延伸率
A
e
的不同评估方法
图中：
ΔA
< br>y
——屈服点延伸；
Δ
L
——应
变；
3
R
——应力；
R
eH
——上屈服强度。
a.
经过均匀加工硬化前最后最小值点的水平线；
b.
经过均匀加工硬化前屈服范围的回归线；
c.
均匀加工硬化开始处曲线的最高斜率线。
1.7
伸长率应用实例
上述
6
种伸长率中，断后伸长率、断裂总延伸率、最大力总延伸率、最大力塑性延伸
率和残余伸
长率是成品钢丝选用的检测项目，尚无成品钢丝选用屈服点延伸率的实例
2
。目前，绝大多数钢丝标准
中要求测定的
伸长率均指断后伸长率。选用其他伸长率的实例有：
GB/T11182-2006
《橡胶管增强用钢
丝》中要求钢丝断裂总延伸率不小于
2.0%
（
L
0
=250mm)
，预应力应小于
10%R
m
；
YB/T123-
2005
《铝包
钢丝》中要求钢丝断裂总延伸率不小于
1.5%
（
L
0
=250mm)
；
GB/T5223-200
2
《预应力混凝土用钢丝》
中要求冷拉钢丝最大力总延伸率不小
于
1.5%
，
消除应力光圆及螺旋肋钢
丝最大力总延伸率不小于
3.5%
（
L
0
=200mm)
；
< br>YB/T156-
2005
《中强度预应力混凝土用钢丝
》中要求成品钢丝最大力总延伸率不小于
2.5%
；
YB/T125-1997
《光缆用镀锌碳素钢丝》中要求
“
钢丝永久伸长率不得大于
0.1%
< br>”
，对永久伸长率
的测量方法规定如下：
“把钢丝试样夹紧在合适的拉力试验机上，施加最小破断拉力
2%
的初负荷，标
定好
250mm
以上的距离
L
1
为标记长度，然后以
不大于
50mm/min
的拉伸速度加载到最小破断拉力的
60%
，
（保持此力
10
～
12s
后）
< br>再卸载到初负荷，
接着测出标记长度
L
< br>2
,
，
按公式
< br>
计算永久伸长率的值。
”
<
/p>
残余伸长率（永久伸长率）
A
r
=
L
2
－
L
1
?
100
%
公式
8
L
1
2.
影
响伸长率的因素
1
、
3
2.1
金属材料锭坯内部存在各类冶金缺陷
.
在压力加工过程中，金属晶粒沿主变形方向拉长，夹杂也沿变形方向排列，形成金属纤维，造
成
材料各向异性，即使是同一批产品，取样部位和取样方向不同，伸长率往往有一定的差
异，因此产品
标准应对试样的截取部位和方向有明确的规定。
2.2
拉伸试验速率
.
拉伸试验时的拉伸速率对金属材料的伸长率有明显的影响，伸长率值一般随拉伸速率增加而降
低。拉伸速率对不锈钢断后伸长率的影响如图
5
。
图
5
4
不同钢种对速率变化的敏感程度
各异，到目前为止尚未找到一个公式或一个固定的数值来表示拉
伸速率对伸长率的影响。
因此
GB/T228.1
根据钢铁材料的特性，规定测定屈服点
延伸率（
A
e
）时，应
变速率（
）应控制在
0.00025/s
～
0.0025/s
范围内；测定其他伸长率时，应
变速率应控制在≤
0.008/s
范围内，以此来排除速率的影
响。
2.3
试样的几何形状、标距、直径
同一材
料，圆形横截面试样比矩形横截面试样具有更高的断后伸长率和断面收缩率；试样标距分
为比例标距和非比例标距两种，凡试样原始标距（
L
o
）与原始横截面积（
S
o
）存在
L
o
＝
k
S
o
关系的称
为比例试样，不存在上述关系的称为非比例试样。常用比例系数有
k
＝
5.65
和
k
＝
11.3
两种，分别称为
短（标距）试样和长（标距）试样。国际标准
ISO
和
GB/T228.1
均优先推荐
k
＝
5.65
的短试样，同时
规定原始标距不得小于
15mm
，当试样原始横截面积太小，短
试样标距不足
15mm
时，可选用长试样
（优先考虑）或非比例试样。实际上短试样和长试样最初是按照圆形截面试样设定的，相当于
< br>L
o
＝
5d
和
L
o
＝
10d
。因为圆截面积
S
0
＝
?
2
d
，则
d
＝
4
S
o
,
短试样
L
o
＝
5d
＝
5
4
S
o
＝
5.65
S
< br>o
。这就是
4
?
?
比例系数
k
＝
5.65
和
k
＝
11.3
的来源。
对于同
一材料，选用不同标距测得的伸长率数值
不一样，用短试样和长试样测得的伸长率分别用
A
5.65
和
A
11.3
表示。仅当标距（引伸计标距）
、横截面
形状和面积相同、或比例系数相同时，断后伸长率才具有可比性。对于直径
或厚度小于
4mm
的钢丝，
GB/T2
28.1
推荐采用
L
o
＝
100mm
（
R9
试样）或
200mm
的非比例试样（
R10
试样）
，此时测得的伸长率
用
A
表示，但必须注明原始标准长度
< br>L
O
=100mm
或
L
O
=200mm
，也可
以用
A
100mm
或
< br>A
200mm
来表示。
2
.4
试样表面光洁度、拉力试验机
的夹具、引伸计精度、试样对中状况和热耗等。
GB/
T228.1
在试样加工、试验设备的准确度、试验速率、夹持方法等相关条款中均有明
确的规定，
检测时必须严格按规定操作。
3.
伸长率的换算
< br>3.1
奥氏（
Oliver
）公
式
一般认为奥氏公式比包氏关系式更
准确、更适用，现行国际标准
ISO
2566:1984
和国家标准
GB/T17600-1998
《钢的伸长率換算》均是以奥氏公式为基础演算出来的。奥氏公式的基本表达式为：
<
/p>
n
?
S
o
?
?
公式
9
A
＝
R
?
?
L
o
?
?
?
式中
R
和
n
是与材料特性相关的常数。对于某种材料，取不同标距和不同截面积的试
样测定断后
伸长率，然后对测得数据进行数理分析，求出常教
R
和
n
，即可得到该材料断后伸长率的计
算公式。
奥氏公式准确地给出了断后伸长率和试样尺寸的关系
，只要对基本表达式进行适当变换，就可以
用于断后伸长率的换算。对于比例标距基本表
达式可变換为：
5
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