拉伸试验是材料科学和工程领域里最基础，也是最重要的力学性能测试方法之一。通过简单的拉伸过程，把材料的性能绘制成一条应力--应变曲线，成为选材和设计的核心依据。
一、试样的准备
图一 拉伸试验的试样
典型的拉伸试样，并不是随意截取的一段材料。如上图所示，试样需要经过精密加工，中间部分具有精确的初始直径d₀，以及被称为标距长度l₀。
标距长度的两端通常用冲点标记，方便在试验过程中精确测量长度的变化。试样两端需要加工有较大直径和螺纹，方便牢固装夹在试验机上。
试样的标距部分往往要经过镜面抛光处理，这一细节很重要。表面微小的缺陷都可能成为应力集中点，导致提前的断裂，影响试验结果的准确。
试验的时候，将试样安装在拉伸试验机上，用缓慢的可控的速度施加拉力，直到试样断裂。过程中，试验机需要连续记录两个关键参数，施加的载荷P和标距长度的变化Δl。
二、从载荷到应力，从变形到应变
拉伸试验直接测量的是力和位移，但是绘制出的却是应力-应变曲线。这一转换揭示了材料性能的本质。
应力σ定义是单位面积上所承受的载荷，计算公式为σ=P/A₀。其中A₀是试样原始的横截面积。应力的单位是帕斯卡，它消除了尺寸效应，使不同尺寸试样的强度可以相互的比较。
应变ε的定义是单位长度的变化量，ε=(l-l₀)/l₀。它是一个无量纲的比值，表示材料的相对变形。
正是通过这两个标准化参数，我们才能抛开试样的具体尺寸，真正关注材料本身的力学响应。
三、解读应力-应变曲线：材料的性能图谱
图二 低碳钢 应力--应变曲线
图三 经过退火热处理的高碳钢 应力--应变曲线
上图所示的应力-应变曲线，特别是低碳钢的曲线，清晰地展示了材料在拉伸过程中的几个关键阶段和性能指标。
弹性阶段（O-pl点），这一阶段的应力和应变成正比，材料服从胡克定律。直线的斜率就是材料的弹性模量E，它表征了材料抵抗弹性变形的能力，也就是刚度。
弹性模量是材料极其稳定的本征属性。例如高强度钢和低强度钢的强度可能相差数倍，但是它们的弹性模量却基本的相同，大约是207GPa。热处理或者添加合金元素对其影响也很有限。
比例极限（pl点）和弹性极限（el点），pl点是应力-应变保持线性比例关系的极限点。el点是材料不发生永久塑性变形的极限点，超过这个点卸载后试样将不能恢复原长。两点通常非常接近，可以视作重合。
弹性极限是材料服役的安全边界。在设计弹簧和精密结构件等不允许出现永久变形的部件的时候，工作应力必须控制这个极限之下。
四、塑性变形和材料强化
当应力超过弹性极限后，材料进入了塑性阶段。这时，即使卸载后，变形也不能完全恢复，留下永久的变形。
对于低碳钢等材料，曲线会出现明显的屈服平台，就是说应力不增加或者略有下降而应变显著增加的现象。这说明材料内部晶粒开始发生大规模的滑移。
屈服之后，材料不会立即断裂，反而因为塑性变形引起的加工硬化，需要继续增加应力才能使其继续变形，直至达到最大应力——抗拉强度。
曲线的最后阶段，试样出现局部颈缩，横截面积急剧减小，实际应力虽然增大，但是按照原始面积计算的工程应力就会下降，直到断裂。
五、拉伸试验的工程价值
拉伸试验得到的参数，例如弹性模量、屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率等，是工程设计和材料选择的基础数据。
设计承力构件的时候，屈服强度决定了许用应力，弹性模量影响结构的刚，而断后伸长率则表征了材料的塑性储备或者安全余量，塑性好的材料在过载的时候能通过变形发出警告，而不是突然脆断。
不同的材料拥有截然不同的应力-应变曲线。脆性材料例如铸铁，曲线几乎没有塑性阶段；而韧性材料例如低碳钢和铝合金，拥有明显的塑性变形能力。理解这些曲线的差异，是合理选择材料，避免失效的关键。
应力-应变曲线末尾没有显示的，是试样断裂后试验人员的工作——他们将断裂的两部分拼合，测量最终的标距长度和颈缩处的最小直径，计算出材料的延展性和韧性指标。
消息来源：“溯金铸铭”公众号
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