材料力学拉伸试验

1、§1-1轴向拉伸实验一、实验目的1、测定低碳钢的屈服强度 ReL （Os）、抗拉强度Rm （仃b）、断后伸长率Al1.3（ 6 10）和断 面收缩率Z （中）。2、测定铸铁的抗拉强度 Rm （0b）。3、比较低碳钢?5 （塑性材料）和铸铁 ?5 （脆性材料）在拉伸时的力学性能和断口特征。注：括号内为GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法发布前的旧标准引用符号。二、设备及试样1、电液伺服万能试验机（自行改造）。2、0.02mm游标卡尺。3、低碳钢圆形横截面比例长试1¥一根。把原始标距段L0十等分，并刻画出圆周等分线。4、铸铁圆形横截面非比例试样一根。注：GB/T22

2、8-2002规定，拉伸试样分比例试样和非比例试样两种。比例试样的原始标距Lo与原始横截面积 So的关系满足Lo = k西。比例系数k取5.65时称为短比例试样，k取11.3时称为长比例试样，国际上使用的比例系数k取5.65。非比例试样L0与&无关。三、实验原理及方法低碳钢是指含碳量在 0.3%以下的碳素钢。这类钢材在工程中使用较广，在拉伸时表现出的力学性能也最为典型。低碳钢拉伸图（F-AL曲线）以轴向力F为纵坐标，标距段伸长量 A L为横坐标，所绘出的试验曲线图称为拉伸图， 即F A L曲线。低碳钢的拉伸图如上图所示，FeL为下屈服强度对应的轴向力，FeH为上屈服强度对应的轴向力，Fm

3、为最大轴向力。F-AL曲线与试样的尺寸有关。为了消除试样尺寸的影响，把轴向力 F除以试样横截 面的原始面积 So就得到了名义应力，也叫工程应力，用 b表示。同样，试样在标距段的伸 长A L除以试样的原始标距L 0得到名义应变，也叫工程应变，用 £表示。b £曲线与F -A L曲线形状相似，但消除了儿何尺寸的影响，因此代表了材料本质属性，即材料的本构 关系。低碳钢应力一应变图(T- 8曲线)典型低碳钢的拉伸 b 8曲线，如上图所示，可明显分为四个阶段： , 一 . . (1)弹性阶段oa：在此阶段试样的变形是弹性的，如果在这一阶段终止拉伸并卸载， 试样仍恢复到原先的尺寸，试验

4、曲线将沿着拉伸曲线回到初始点，表明试样没有任何残余变形。习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律，其应力、应变为正比关系，即e =Ez式中比例系数 E代表直线的斜率，称为材料的弹性模量，其常用单位为GPa。它是代表材料发生弹性变形的主要性能参数。E的大小反映材料抵抗弹性变形的一种能力，代表了材料的刚度。此外，材料在发生杆的轴向伸长的同时还发生横向收缩。反映横向变形的横向应变e /与e之比的绝对值 科称为材料的泊松比。它是代表材料弹性变形的另一个性能参数。(2)屈服阶段ab:在超过弹性阶段后出现明显的屈服过程，即曲线沿一水平段上下波 动，即应力增加很少，变形快速增加。这表明材料在此载荷作用下，宏观

5、上表现为暂时丧失 抵抗继续变形的能力，微观上表现为材料内部结构发生急剧变化。从微观结构解释这一现象，是由于构成金属晶体材料结构晶格间的位错，在外力作用下发生有规律的移动造成的。如果试样表面足够光滑、材料杂质含量少，可以清楚地看出试样表面有450方向的滑移线。根据GB/T228 -2002标准规定，试样发生屈服而力首次下降前的最大应力称为上屈服 强度，记为“Re；在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力称为下屈服强度，记为“ReL”，若试样发生屈服而力首次下降的最小应力是屈服期间的最小应力时，该最小应力称为初始瞬时效应，不作为下屈服强度。通常把试验测定的下屈服强度ReL作为材料的屈服极限 bs,

6、 bs是材料开始进入塑性的标志。不同的塑性材料其屈服阶段的曲线类型有所不同，其屈服强度按GB/T228-2002规定确定。结构、零件的外加载荷一旦超过这个应力，就可以认为这一结构或零件会因为过量变形而失效。因此，强度设计中常以屈服极限bs作为确定许可应力的基础。由于材料在这一阶段已经发生过量变形，必然残留不可恢复的变形(塑性变形)，因此，从屈服阶段开始，材料的变形就包含弹性和塑性两部分。(3)强化阶段bc：屈服阶段结束后，(7- £曲线又出现上升现象，说明材料恢复了对 继续变形的抵抗能力，材料若要继续变形必须施加足够的载荷。如果在这一阶段卸载，弹性变形将随之消失，而塑性变形将永远保留

7、。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后若重新加载，材料的弹性阶段线将加长、屈服强度明显提高，塑性将降低。这种现象称作应变 强化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料极为宝贵的性质之一。塑性变形与应变强化二者结合，是工厂强化金属的重要手段。例如：喷丸、挤压，冷拔等工艺，就是利用材料的冷作硬化来 提高材料的强度。强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布的。随塑性变形的增长，试样表面的滑移线亦愈趋明显。b £曲线的应力峰值 Rm为材料的强度极限 b b。对低碳钢来说b b是材料均匀塑性变形的最大抵抗能力，也是材料进入颈缩阶段的标志。(4)颈缩阶段cd:应力到达强度极限后，开始在试样最薄弱处出现局部变

8、形，从而导 致试样局部截面急剧颈缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直至断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在断裂的试样上。塑性材料和脆性材料的拉伸曲线存在很大差异。低碳钢和铸铁是工程材料中最具典型意义的两种材料，前者为塑性材料，后者为脆性材料。观察它们在拉伸过程中的变形和破坏特 征有助于正确、合理地认识和选用材料。根据试验机绘制的拉伸 F A L曲线确定低碳钢的CTs、crb和铸铁的CTb。(1)原始横截面面积(So)的测定：圆形横截面试样，应分别在标距内两端及中部测 量直径。测量某处的直径时，应在该处测量两个互垂方向的直径，取其算术平均值。原始横截面面积So取三处测得

9、的最小直径计算，并至少保留4位有效数字。(2)强度指标(仃s、仃b)的测定：从低碳钢的 F-AL曲线读取试样的FeL和Fm值，将其分别除以试样的原始横截面面积So得低碳钢的屈服强度 0 s和抗拉强度仃b ;从铸铁的F一AL曲线读取试样的Fm值，将其除以试样的原始横截面面积So得铸铁抗拉强度 仃b；根据拉断后低碳钢试样的断口直径及标距段长度确定A11.3和Z(1)原始标距Lo的标记：低碳钢拉伸试样的标距段原始长度为100mm，分十等分，用划线机划细的圆周线作为标记。(2)低碳钢断面收缩率 Z的测定：断裂后试样横截面的最大缩减量So-Su与原始横截面面积So之比的百分率为断面收缩率。测量时将试样断

10、裂部分仔细地配接在一起，使其轴线处于同一直线上。测量圆形横截面缩颈处的最小直径计算缩颈后的试样最小横截面面积Su。(3)低碳钢断后伸长率 A11.3的测定：断后标距的残余伸长 Lu Lo与原始标距Lo之比 的百分率为断后伸长率。对于比例试样，若原始标距不为565V反，则符号A应附下标注明所使用的比例系数，例如 A11.3表示原始标距Lo为11.3jSo的试样断后伸长率。测量时将试样断裂部分仔细地配接在一起，应使试样二段的轴线处于同一直线上，并 且断裂部分适当接触。当断裂处与最接近的标距标记的距离不小于原始标距的三分之一时， 标距段长度Lu按要求配接后直接测量，否则应按下述移位方法测量Lu。试验

11、前将原始标距 Lo细分为N等分，把每一等分的细圆周线称为标距等分标记试验后，以符号 X表示断裂后试样短的一段距离试样夹持部最近的标距等分标记，以符号Y表示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求Y与断裂处的距离最接近 X与断裂处的距离，X与Y之间的标距等分格数为 no若N - n为偶数，以符号 Z表示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求 Z与Y的标N n距等分格数为 N一n 。分别测量X与丫之间的距离记为 XY、丫与Z之间的距离记为 YZ , 2则试样断后的标距段长度Lu=XY+2YZ,如下图(a)所示。若N n为奇数，以符号 Z 和Z,装示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求Z,与YN n 1的

12、标距等分格数为 N n 1 , Z与Z的标距等分格数为1。分别测量X与Y之间的距离记2为XY、Y与Z之间的距离记为 Y Z、Z与Z之间的距离记为 Z Z ,则试样断后的标距段 长度Lu=XY+2Y Z +Z' Z ,如下图(b)所示。口工Y(a)NN-n h AZ（b）四、实验步骤1、按要求测量试样的原始横截面面积S0。低碳钢标距段原始长度不用测量，为100mm。铸铁不定标距，不用测量。2、按要求装夹试样（先选其中一根），并保持上下对中。3、按指导老师要求选择“试验方案” -“新建实验” -“金属圆棒拉伸实验”进行试 验，详细操作要求见电液伺服万能试验机使用说明。4、试样拉断后拆下试样

13、，重新调整试验机活动台的合理高度（一般为10mm,按要求装夹另一根试样，选择“继续实验”进行第二根试样的拉伸试验。5、第二根试样拉断后拆下试样，根据电液伺服万能试验机使用说明把两根试样的F-AL曲线添加不同的颜色一起显示在微机显示屏上。从低碳钢的FA L曲线上读取FeL、Fm值，从铸铁的F-AL曲线上读取Fm值。并比较两条曲线的特征。6、测量低碳钢拉断后的断口最小横截面面积Su。7、根据低碳钢断口的位置选择直接测量或移位方法测量标距段长度Lu。8、比较低碳钢和铸铁的断口特征。9、试验机复原。五、实验数据及处理要求1、试样直径的测量与测量工具的精度保持一致。2、横截面面积的计算值取 4位有效数字。3、拉伸力学性能指标的数值确定应保留计算过程，最终结果值按下表要求修约。性能名称范围修约间隔屈服强度和抗拉强度<200MPa1MPa>2001000MPa5MPa&g