北科大低碳钢拉伸报告

1、低碳钢拉伸试验一、试验目的1、测定低碳钢在退火、正火和淬火三种不同热处理状态下的强度与塑性性能2、测定低碳钢的应变硬化指数和应变硬化系数二、试验要求：按照相关国标标准（GB/T228-2002：金属材料室温拉伸试验方法）要求完成试验测量工作。1、试验温度一般在室温1035范围内,。对温度要求严格的试验，试验温度为235。2、若仅测定下屈服强度，在试样平行长度的屈服期间应变速率应在0.00025/s0.0025/s之间。平行长度内的应变速率尽可能保持恒定。如不能直接调节这一应变速率，应通过调节屈服即将开始前的应力速率来调整，在屈服完成之前不再调节试验机的控制。3、对弹性模量大于等于150000N

2、/mm2的材料，应力速率最小为6 (N/mm2)s-1，最大为60 (N/mm2)s-1。三、引言低碳钢式样在拉伸试验中表现典型的变形与抗力关系。拉伸过程有弹性变形、塑性变形、断裂三个阶段。通过拉伸试验可以绘制应力应变曲线，确定力与变形之间的关系，确定材料的强度性能和塑性性能，强度性能可由上屈服强度Re、下屈服强度ReL和抗拉强度Rm表征，塑性性能由断后伸长率表征。同时可以塑性变形阶段用Hollomon公式确定材料的应变硬化系数与指数。四、试验准备内容1、试验材料与试样 根据国标规定，试样需符合GB/T2975-1998 钢及钢产品力学性能实验取样位置和试样制备的标准。退火低碳钢、正火低碳钢、

3、淬火低碳钢的标准式样各一个。表式样的规格尺寸标距平行长度界面原始直径过渡弧直径头部直径50mm60mm10mm8mm20mm表2式样的尺寸公差尺寸公差形状公差0.07mm0.04mm各试样热处理及特点:退火：将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以较慢速度冷却。目的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。正火：是将工件加热至Ac3或Acm以上4060，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化，去除材料的内应力，降低材料的硬度。淬火：淬火是使钢强化的基

4、本手段之一，对于亚共析钢，即低碳钢和中碳钢加热到Ac3以上30-50，在此温度下保持一段时间，使钢的组织全部变成奥氏体，然后快速冷却（水冷或油冷），使奥氏体来不及分解而形成马氏体组织,随后回火以提高韧性，是使钢获得高综合机械性能的传统方法。2、试验测试内容与相关的测量工具、仪器、设备1、实验测试内容1）直接测量的物理量：原始标距L0、断后标距Lu、原始直径d0、断面直径du。2）由万能材料试验机连续测量加载过程中的载荷P和试样的伸长量（L=LuL0）的数据，并给出应力应变曲线。2、实验工具、仪器、设备根据国标规定，试验机应按照GB/T16825进行检验，并应为1级或优于1级准确度。引伸计的准确

5、度级别应符合GB/T12160的要求，测定上下屈服强度、屈服点延伸率、规定非比例延伸强度、规定总延伸强度、规定残余延伸强度，以及规定残余延伸强度的验证试验，应使用不劣于1级准确度的引伸计；测定其他具有较大延伸率的性能，例如抗拉强度、最大力总延伸率和最大力非比例延伸率、断裂总伸长率，以及断后伸长率，应使用不劣于2级准确度的引伸计。 应使用分辨力优于0.1mm的量具或测量装置测定断后标距，准确到0.25mm。测量原始直径的的装备或量具的分辨力不大于0.05mm。本实验采用工具、仪器、设备：1）游标卡尺：用于测量试样标距长度与直径，最高精度为 0.02mm2）划线器：应用小标记、细划线或细墨线标记原

6、始标距，不得用引起过早断裂的缺口做标记，标记准确到1%。3）万能材料试验机 WDW-200D。主要性能指标如下: 最大试验力：200kN；试验力准确度：优于示值的0.5%；力值测量范围：最大试验力的0.4%-100%；变形测量准确度：在引伸计满量程的2%-100%范围内优于示值的1%；横梁位移测量：分辨率的0.001mm； 横梁速度范围：0.005mm/min 500mm/min，无级，任意设定；夹具形式：标准楔形拉伸附具、压缩附具、弯曲附具。4）引伸计：YYU-12.5/25，标距25mm，最大位移量为12.5mm，在满量程的2%-100%范围内优于示值的1%。3、试验步骤或程序 1、准备好

7、实验所用仪器，给三个试样编号1、2、3。 2、用游标卡尺在相互垂直的两个方向上，在试样中间等直杆上中下三部分测量直径并分别取平均值，最终取三者的最终平均值为试样的原始直径d0，检查该数据是否符合R4的公差要求，若符合则以d0计算试样的原始截面积S0，若不符合则重新测量。 3、用划线器划线，测量试样标距的原始标距L0。 4、安装引伸计在试样的标距内并调整指针位于零刻度，将试样安装在试验机的上下夹头上。 5、设置试验参数，开动试验机检查试验机工作是否正常，如正常则将载荷和位移清零。 6、启动测试程序，由计算机记录载荷-伸长量数据。在试样出现颈缩时取下引伸计，以防损坏设备。7、加载至试样断裂。取下拉

8、断试样，将拉断试样放在水平桌面上仔细拼接在一起并使其轴线处在一条直线上（拼好后两段试样不发生相对转动），用游标卡尺测量断裂后试样标距Lu，用游标卡尺测量断口处最小直径，即为断面直径du，二者均保留四位有效数字。8、对2、3号试样重复上述操作步骤并记录数据。4、试验数据1、试样原始尺寸测量 表3 试样原始尺寸记录表标号原始标距L0/mm 试样原始直径d0/mm平均直径do/mm试样原始面积S0/ mm2上端测量中间测量 下端测量第一次第二次平均值第一次第二次平均值第一次第二次平均值150.009.929.929.929.969.949.959.949.949.949.9477.29250.009

9、.889.889.889.889.909.899.909.909.909.8976.82350.009.829.829.829.809.809.809.829.809.819.8175.58其中S0=1/4* d2 ，d为上中下三端直径平均值的最小值。三个试样的最大值与最小值之差均小于0.04mm，满足R4试样的国标形状公差，但试样1、 2、3超出了国标的尺寸公差。2、试样断裂后尺寸测量 表4 试样断裂后尺寸记录试样标号断后标距Lu /mm断口缩颈处最小直径du/mm断口颈缩处最小面积Su/ mm2测量值平均值测量值平均值170.1270.155.725.7025.5270.165.7070.

10、205.6870.105.68267.8067.845.705.7225.7067.765.7067.865.7067.885.7267.905.745.74359.9059.905.425.4122.995.40 其中Su=1/4* du21号试样断后标距Lu测量4组数据，因此：Lu=13(70.12-70.152+70.16-70.152+70.20-70.152+70.10-70.152) =0.0447mm0.25mm2号试样断后标距Lu测量5组数据，因此：Lu=14(67.80-67.842+67.76-67.842+67.86-67.842+67.88-67.842+67.90-6

11、7.842)=0.0583mm0.25mm2号试样断后标距du测量6组数据，因此：du=15(5.70-5.722+5.70-5.722+5.70-5.722+5.72-5.722+5.74-5.722+(5.74-5.72)2)=0.0200mm dud=0.0200/5.72=0.35 1以上测量数据均符合精度要求。3、有试验机得到的材料强度性能数据 表5 强度性能数据记录表试样标号屈服强度ReL或Rp0.2/MPa抗拉强度Rm/MPa最大力非比例伸长率Ag（）修约前修约后修约前修约后修约前修约后1276.704275442.382144021.383621.52289.214290448

12、.188849020.688620.53347.1491345580.0093580/ /根据国标，ReL、Rm在200N/ mm21000N/ mm2范围内时，修约间隔为5N/ mm2 A、Z的修约间隔为0.5五、试验数据处理1、强度性能强度性能可由屈服强度ReL或Rp0.2、抗拉强度m表征，三个试样的这两项性能已经列于表5中。2、塑性性能 塑性性能可由断后伸长率A、断面收缩率Z表征。1、断后伸长率A A=LuL0L0=LuL0-1试样1：L0=50.00mm ，Lu =70.15mmA=LuL0L0=LuL0-1=70.1550-1=40.3按照国标修约要求，修约后A=40.5%试样2：L

13、0=50.00mm ，Lu =67.84mm A=LuL0L0=LuL0-1=67.8450-1=35.7按照国标修约要求，修约后A=35.5%试样3由于在端口处断裂，无法计算断后伸长率A。2、断面收缩率Z Z=S0SuS0=1-SuS0试样1：S0=77.29 mm2 ，Su =25.52 mm2Z=S0SuS0=1-25.5277.29=67.0按照国标修约要求，修约后Z=67.0%试样2：S0=76.82mm2 ，Su =25.70mm2Z=S0SuS0=1-25.7076.82=66.5按照国标修约要求，修约后Z=66.5%试样3：S0=75.58mm2 ，Su =22.99mm2Z=

14、S0SuS0=1-22.9975.58=69.6按照国标修约要求，修约后Z=69.5%3、应变硬化系数与应变硬化指数的计算 工程应力的计算公式为 =PS0工程应变的计算公式为 = LL0真应力S、真应变e与工程应力、工程应变有以下关系： S=（1+） e=LoldLL=ln（1+）根据Hollomon公式 S=Ken lnS=lnln根据实验所得真应力、真应变数据做出ln、lnS的变化曲线，则曲线的斜率即为应变硬化指数。曲线与lnS轴的截距即为应变硬化系数的对数ln，由此可得到低碳钢的应变硬化系数。1、试样1： 图1 试样1的应力-应变曲线根据上图，在均匀塑性变形阶段取10个点，如下表： 表6

15、 试样1 拉伸均匀塑性变形阶段取点列表载荷/kN位移量/mm工程应/MPa工程应变真应力S/MPa真应变elnSlne25.21.693260.03383370.03325.820-3.40426.21.923390.03843520.03775.864-3.27927.22.193520.04383670.04295.906-3.14928.22.503650.05003830.04885.948-3.02029.22.883780.05764000.05605.990-2.88230.23.353910.06704170.06496.033-2.73531.23.954040.079043

16、60.07606.077-2.57632.24.784170.09564560.09136.123-2.39333.26.104300.12204820.11516.178-2.16133.87.654370.15305040.14246.223-1.949根据上表中的lnS、lne数据作图，得如下图： 图2 试样1的lnS-lne关系曲线及拟合曲线拟合直线方程为 lnS=0.278lne+6.7821，线性相关系数R2=0.9938，由此可得应变硬化指数n=0.278，应变硬化系数试样2图3 试样2的应力-应变曲线根据上图，在均匀塑性变形阶段取10个点，如下表： 表7 试样2拉伸均匀塑性变形

17、阶段取点列表载荷/kN位移量/mm工程应/MPa工程应变真应力S/MPa真应变elnSlne24.61.593200.03183300.03135.800-3.46425.31.663290.03323400.03275.830-3.42226.31.863420.03723550.03655.872-3.31027.32.123550.04243700.04155.915-3.18128.12.353660.04703830.04605.948-3.08129.02.663780.05323980.05185.985-2.96030.03.083910.06164150.05986.027-

18、2.81731.03.624040.07244330.06996.070-2.66132.04.334170.08664530.08316.115-2.48833.05.404300.10804760.10266.165-2.277根据上表中的lnS、lne数据作图，得如下图： 图4 试样2的lnS-lne关系曲线及拟合曲线拟合直线方程为 lnS=0.303lne+6.8710，线性相关系数R2=0.9904，由此可得应变硬化指数n=0.303，应变硬化系数试样3图5 试样3的应力-应变曲线根据上图，在均匀塑性变形阶段取10个点，如下表：表8 试样3拉伸均匀塑性变形阶段取点列表载荷/kN位移量

19、/mm工程应/MPa工程应变真应力S/MPa真应变elnSlne35.01.054630.02104730.02086.158-3.87335.91.184750.02364860.02336.187-3.75836.81.334870.02664990.02636.214-3.64037.71.494990.02985140.02946.242-3.52838.61.675110.03345280.03296.269-3.41639.41.865210.03725410.03656.293-3.30940.52.165360.04325590.04236.326-3.16341.52.515

20、490.05025770.04896.357-3.01642.63.055640.06105980.05926.394-2.82743.53.805760.07606190.07326.428-2.614 图6 试样3的lnS-lne关系曲线及拟合曲线拟合直线方程为 lnS=0.218lne+7.0091，线性相关系数R2=0.9952，由此可得应变硬化指数n=0.218，应变硬化系数六、误差分析1、屈服强度ReL（0.5+2* 0.02d0）*ReL试样1：do =9.94mm ReL =276.7MPaReL（0.5+2* 0.02d0）*ReL=（0.5+2* 0.029.94）*276

21、.7=2.5MPa试样2：do =9.89mm ReL =289.2MPaReL（0.5+2* 0.02d0）*ReL=（0.5+2* 0.029.89）*289.2=2.6MPa试样3：do =9.81mm Rp0.2 =347.1MPaRp0.2（0.5+2* 0.02d0）* Rp0.2=（0.5+2* 0.029.89）*347.1=3.1MPa 所以可知，国标规定屈服强度在200N/mm21000N/mm2范围内，修约间隔为5N/mm2是合理的。2、抗拉强度Rm（0.5+2* 0.02d0）*Rm试样1：do =9.94mm Rm =442.4MPaRm（0.5+2* 0.02d0）

22、*Rm=（0.5+2* 0.029.94）*442.4=4.0MPa试样2：do =9.89mm Rm =448.2MPaRm（0.5+2* 0.02d0）*Rm=（0.5+2* 0.029.89）*448.2=4.1MPa试样3：do =9.81mm Rm =580.0MPaRm（0.5+2* 0.02d0）*Rm=（0.5+2* 0.029.81）*580.0=5.3MPa由于3号试样在拉伸试验中在一端断裂，可能是由于应力集中导致的，其结果不准确也不具有代表性（可多准备一些试样重新测量，可得到有效数据）。但1、2号试样则表明国标规定抗拉强度在200N/mm21000N/mm2范围内，修约间

23、隔为5N/mm2是合理的。3、断后伸长率A=（LuLu+1）*（1+A）=（0.0583Lu+1）*（1+A） （Lu=0.0283mm为试样2所测得5组数据所得，其余两个试样同样适用这个数值）试样1：Lu =70.15mm A =40.3A=（0.0583Lu+1）*（1+A）=（0.058370.15+1）*（1+40.3）=1.5试样2：Lu =67.84mm A =35.7A=（0.0583Lu+1）*（1+A）=（0.058367.84+1）*（1+35.7）=1.5试样3：由于断裂在端口，无法计算断后伸长率。 由以上数据可知，1、2号试样的试验误差超过了国标规定的断面收缩率的修约间隔0.5%。4、断面收缩率Z=2*dud02du+ 2*du2d03d0=（dud02+ du2d03）*0.04（du=0.0283mm为试样2所测得6组数据所得，其余两个试样同样适用这个数值.）试样1：do =9.94mm du=5.70mm Z =（dud02+ du2d03）*0.04=（5.709.942+ 5.7029.943）*0.04=0.36试样2：do =9.89mm du=5.72mmZ =（d