金属材料高温拉伸试验是在室温以上的高温下进行的拉伸试验。高温拉伸试验时，除考虑应力和应变外，还要考虑温度和时间两个参量。温度对高温拉伸性能影响很大，因此对温度的控制要求很严格。试样一般采用电炉加热，炉子工作空间要有足够的均热带，用仪表进行自动控制温度。

高温拉伸试验是一种常见的材料强度性能测试方法，广泛应用于金属、塑料、陶瓷和复合材料等各种工程材料的研究和开发中。通过高温拉伸试验，可以评估材料在高温环境下的机械性能、变形行为、延展性以及临界断裂强度等。本文将介绍高温拉伸试验的相关内容，包括试验原理、试验设备、试验步骤以及数据分析等。

一、试验原理：高温拉伸试验基于材料的应力-应变关系，通过加载试样并在高温环境下施加恒定的拉力，以测量材料的破坏强度。在拉伸过程中，材料会发生塑性变形，应变会随着应力的增加而增加，直至达到材料的破坏点。通过测量应力和应变的变化曲线，可以获得材料的应力-应变曲线。

二、试验设备：高温拉伸试验的设备一般包括拉伸机、加热炉和温控系统。拉伸机用于加载试样，并测量试样的应力和应变值。加热炉则提供高温环境，确保试样在设定的温度下进行拉伸试验。温控系统用于控制加热炉的温度，并保持温度的稳定。

三、试验步骤：

1. 准备试样：根据材料的特性和试验要求，选择合适的试样形状和尺寸，并进行必要的加工和处理，以确保试样的质量和准确性。

2. 安装试样：将试样装夹到拉伸机的夹具上，并确保试样的对称性和稳定性。确保试样与夹具之间的浮动尽可能小，以避免试验结果的误差。

3. 加载试样：启动拉伸机，施加恒定的拉力，使试样开始拉伸。在整个拉伸过程中，记录试样的应力和应变数据，并及时保存。

4. 设定温度：根据试验要求，设定加热炉的温度，并确保温度的稳定。一般来说，温度会逐渐升高到设定值，并保持一段时间，以使试样充分适应高温环境。

5. 进行拉伸试验：在设定的高温环境下，继续对试样进行加载，直至试样破坏。记录试样破坏前的最大应力和应变值，并计算其他相关的力学性能参数。

6. 数据分析：根据试验结果和相应的数据处理方法，分析材料在高温条件下的拉伸性能，并绘制应力-应变曲线。通过比较不同温度下的试验结果，可以评估材料在高温环境下的稳定性和可靠性。

四、数据分析与结果：在高温拉伸试验中，应力-应变曲线是评估材料性能的重要指标。通过分析曲线的斜率、屈服点和断裂点等参数，可以得出材料的塑性变形能力、强度和韧性等信息。同时，还可通过对比不同试样的试验结果，评估材料的一致性和可重复性。

高温拉伸试验方法是一种评估材料在高温环境下力学性能的重要手段。它可以为工程材料的研发和应用提供可靠的数据支持，为工程设计、制造和安全评估提供指导。然而，注意在试验过程中保证试样与夹具的稳定性，并根据具体需求选择合适的试验参数和数据处理方法，以获得准确和可靠的试验结果。

ASTM E21-2020标准是关于金属材料在高温下进行拉伸试验的方法。高温拉伸试验是一种常用的测试方法，用于评估材料在高温环境下的性能和可靠性。

首先，让我们来了解ASTM E21-2020标准的背景和目的。这个标准是由美国材料与试验协会（ASTM International）制定的，旨在提供一种标准化的方法来测量金属材料在高温下的拉伸性能。高温拉伸测试是金属材料研究和应用中非常重要的一部分，因为许多金属材料在高温环境下会发生变形、破裂或失去性能。

标准中术语定义：

1）试样的小截面段是横截面比夹持两端部小的试样长度中间部分，其横截面是均匀的。

2）小截面段的长度是形成缩减部分边界两过渡圆弧的两切点之间的距离。

3）小截面段的调节长度是比缩减部分的长度长出一个用来补偿过渡弧区的应变计算值

4）标距是标在试样上两标记之间用于测定断后延伸率的原始距离.

5）轴向应变是在相对两侧并与试样轴等距离处所测量的应变之平均值

6）最大弯曲应变是在试样的最小截面段上弯曲应变的最大值。它可以从两个不同的纵向位置在每个位置上取三个圈向位置测得的应变计算得到。

一.首先是试样的选择和制备

试样的选择要考虑到材料类型、尺寸、形状等因素，以及试验过程中受到的应力和温度。试样的制备要符合标准中给出的要求，确保试样的准确性和可重复性。

1.取样要求

1）取自代表该批材料的部位。

2）从最终状态的材料切取样坯。每批做一次试验。

3）一批相同炉号、相同标称尺寸和相同状态（特征）的材料。

4）试样的取向应使试样轴线平行于加工方向。

5）厚度、直径或两面间的距离等于或小于38毫米的产品在中心部位。

6）厚度、直径或两面间的距离大于 38 毫米的产品，在产品的中心至其表面的中间部位。

二.试验设备和条件的设置

ASTM E21-2020标准详细描述了拉伸试验设备的要求，包括拉伸机、温度控制系统、试样夹具等。试验条件的设置包括试样的初始长度、加载速率、试验温度等。这些条件设计要符合要求，以确保试验结果的准确性和可比性。

1.试验机的精度满足于E4 方法 " 试验机的校验 " 中规定的允许偏差范围内。

1）试验机具有合格条件的零负荷和最低负荷下读取的应变读数为基础进行计算时，试验机和夹头应能对精确加工的试样施加负荷而使试样的最大弯曲应变不超过其轴向应变的 10% 。

2）试验脆性材料时，即使是在 10% 的弯曲应变下也可以产生比在改进的轴向性情况下应该得到的强度低

3）通过室温下测定的轴向性来证明试验设备合格。在对设备进行轴向性测量时，所用试样形状应与在高温下所用的试样相同。

4）在高温下重复使用，夹持装置和拉杆可能氧化、翘曲和蠕变，结果可能增加弯屈应力。因此，应定期重复检验夹头和拉杆的轴向性，必要时应重新加工。

5）对于容易受其环境（例如金属在空气中氧化）浸蚀的材料高温拉伸试验，可以把试样封闭在容器内，使之能够在真空或惰性气氛中进行试验。

2.加热装置

1）除非双方事先特意商定其他介质，否则均应用电阻丝炉或辐射炉在大气气氛中加热试样。

2）试验期间（从加力到断裂的时间），指示温度与标称温度之差不应超过下列限度：

•≤ 1000 ℃，± 3 ℃

•＞ 1000 ℃，± 6 ℃

3）当在几百度的温度下试验时，由于塑性加工的内加热，可能使温度升高超过上述规定范围。

3.温度测量装置

1）试验期间（从加力到断裂的时间），指示温度与标称温度之差不应超过下列限度：≤ 1000 ℃，±3 ℃    ＞ 1000 ℃，±6 ℃。

2）应用与电位计或毫伏计相连接的热电偶进行温度测量。

3）应使用标定过的热电偶测量温度。

4.引伸计系统

1）依据方法ASTM  E83 挑选符合要求的引伸计，确定灵敏度和精确度。

2）当仅在试样一侧测量应变时，在小应变下负荷的不同心度通常足以产生明显误差，因此，应装卡引伸计到试样相对两侧的应变，则应力——应变曲线的斜度通常将在弹性模量的10%以内。

3）将引伸计安装在小试样上可能难以实行。在这种情况下，可记录试样两夹头或十字头的分离移动，并用此来测定与 0.2% 偏置量屈服强度相应的应变。这样得到数值的精确度较低，因而必须注明为“近似屈服强度”。观测到的伸长应通过 9.6.3 和10.1.3 条所叙述的程序进行修正。

5.标定与标准化

1）需标定和校准的项目

•力值——测量系统         E4 和 E74

•引伸计                           E83

•加荷装置的轴向性

•热电偶                           E220

•电位计

•测微计 （千分尺）

2）标定周期

•试验机至少应每年标定一次。

•经常使用或差不多经常使用的仪器更应经常进行标定。

•偶而使用的仪器应在每次使用前进行标定。

三.试验过程

ASTM E21-2020标准规定了在高温下进行拉伸试验的步骤和要点。首先，试样被夹持在拉伸机上，然后通过加载系统施加拉力。试验过程中需要记录试样的变形、载荷和温度等数据。试验结束后，可以根据这些数据计算和评估材料的力学性能，如强度、延伸率、模量等。

1.温度控制

1）按照 E633 焊接热电偶的焊珠，热电偶焊珠应尽可能小，不应有短路（在热电偶焊珠后面可能发生扭接），在热电偶热区通常使用陶瓷珠绝缘，若用其他材料需要验证在高温下是否还具有点绝缘性。

2）热电偶绑扎到试样上时，其接点必须与试样保持紧密接触，并要遮蔽直接的热辐射热。

3）当缩减部分的长度<50 毫米时，在两端各固定一支热电偶。≥50 毫米时在缩减部分的中心附近添加第三个热电偶。

4）试验期间（从加力到断裂的时间），指示温度与名义温度之差不应超过下列限度。

2.试样安装

要注意安装试样时不引入非轴向力。

3.应变测量和应变率

1）需要测定屈服强度

•测定屈服强度期间，试样均匀部分的应变率应保持在 0.005 ± 0.002/ 分范围内。

•测定屈服强度之后，增加十字头移动速率到每分钟试样缩减部分修正长度的 0.05 ± 0.01 倍。

•为了避免引伸计受损伤，在达到最大负荷前将引伸计的敏感元件卸下。

2）不要求测定屈服强度时

•速度为每分钟试样缩减部分修正长度的 0.05 ± 0.01 倍。

3）测定屈服强度的三种方法

•对于正常尺寸和塑性的试样，将引伸计装卡到试样的缩减部分上

•试验塑性差的金属时，可将引伸计装卡到试样的两凸台上

•对于小型试样，测量夹头或十字头分离位移以测定近似屈服强度

4.试验程序

如果使用负荷- 伸长记录仪自动记录，则在引伸计敏感元件卸下之后应继续记录负荷。在任何情况下，都得观测和人工记录最大负荷。

5. 对圆形横截面试样的断面收缩率测量

1）先将断裂的试样的两个断口仔细拼接在一起，并在室温下测量其最小直径，精确到 0.2 毫米（ 0.01 英寸）。

2）如果断裂的横截面不圆，则要进行足够的测量以确定断裂处横截面积。

3）如果断裂是发生在圆角处或标记上，则此断面收缩率不能代表该材料。

4）在验收试验情况下，如果断面收缩率达到规定的最小值，则不要求重做试验。

5）如果断面收缩率低于规定最小值时，则此试验作废，并且重做试验。

6.计算

1）屈服强度

•除非另作规定，屈服强度按试验方程E8/E8M中的规定，在残余应变为0.2%下测定并报告。

•引伸计必须装卡在试样的凸台上，以小截面段的调整长度作为残余变形伸长量（单位为英寸或毫米）作为基础。即对应残余应变时的屈服强度为小截面段的调整长度的 0.002 倍。

2）抗拉强度

•通过区分试验中试样断裂时的最大截面，除以试样小截面段的原始最小横截面积来计算得到抗拉强度。

3）延伸率

•当标长标记在具有公称均匀横截面积的试样的小截面段上时，其延伸率等于断裂后的标长减去原始标长，其差值以原始标长的百分数来表示。

•如果标长包括角弧、凸台螺纹等，标长的增量则以试样的小截面段的调整长度的百分比来表示。

4）断面收缩率

•断面收缩率等于试验前试样小截面段最小横截面积减去试验后小截面段最小横截面积，将其差除以试验前小截面段最小所得的百分比值即为断面收缩率。

•只有圆形横截面试样才要报告断面收缩率。

四.试验报告

ASTM E21-2020标准还提供了试验结果的分析和报告要求。试验结果可以通过统计分析和图表展示，以便更好地理解材料的性能。试验报告需要包括试验的目的、方法、结果和结论等内容，以便他人能够理解和评估试验过程和结果。具体报告内容要求如下。

1）关于试验材料的说明应包括产品的制造方法、类型和尺寸、与工艺规程有关的加工资料以及热处理、显微结构和化学成分等。

2）试样尺寸，应包括横截面尺寸、 圆角、小截面段的长度、小截面的调整长度（如采用时）、连接端类型、是否机加工，局部机加工还是铸造加工。

3）试验温度。

4）屈服时的应变率或屈服后的应变率。

5）屈服强度，如果必要，横梁下降屈服点（如果发生这种屈服点）。

6）要求测定一种或多种屈服强度时，残余变形的量应以数值表示出来。

7）如果引伸计装卡到试样凸肩上，则应在其值上加一脚注说明

8）如果引伸计没有直接卡在试样上，试验值应以“近似屈服强度（残余变形=0.2%）”列出。

在进行高温拉伸试验时，还需要考虑一些其他因素。首先是温度控制。试验温度需要在一个准确、稳定的范围内保持，并且在试验过程中需要实时监测和记录温度变化。其次是试样的保护措施。一些金属材料在高温下容易与氧气、水蒸气等反应，可能导致试样的表面氧化或脆化，因此需要在试验过程中采取相应的保护措施。此外，试验过程中还需要注意试样的失效形式（如断裂、塑性流动等）、应力-应变曲线的测量和分析、试验结果的可靠性评估等。

综上所述，ASTM E21-2020标准为金属材料的高温拉伸试验提供了详细的方法和指导。高温拉伸试验可以用于评估金属材料在高温下的力学性能和可靠性，对于材料研究和应用具有重要意义。在进行高温拉伸试验时，需要根据标准的要求选择和制备试样，设置试验设备和条件，并进行试验过程的记录和分析。通过遵循ASTM E21-2020标准，可以获得准确可靠的试验结果，为金属材料的设计和选用提供有力的支持。