材料拉伸实验

1、实验一：光滑静态拉伸试验金属材料的拉伸试验是人们应用最广泛的测定其力学性能的方法。试验时取一定的标准试样，在温度、环境介质、加载速度均为确定条件下将载荷施加于试样两端，使试样在轴向拉应力作用下产生弹性变形、塑性变形、直至断裂。通过测定载荷和试样尺寸变化可以求出材料的力学性能指标。一、实验数据分析与处理附表 光滑试样拉伸试验数据表试样编号数 据1铸铁光滑2钢光滑拉 伸 前L0/mm49.7549.20d0/mm9.91510.040A0/mm277.21879.169拉 断 后Pp/KN6.47526.35Pe/KN6.47526.35Ps/KN22.109722.5489Pb/KN22.353

2、35.424LK/ mm49.6167.67LK/ mm-0.1418.47dK/ mm9.845.75AK/ mm276.04725.967整 理 后E/MPa1.424×1051.896×105p/ MPa83.85419332.8125e/ MPa83.85419332.8125s/ MPa286.32815284.82b/ MPa289.47626447.455s / b0.9890.6365-0.281%37.541%1.527%67.200%SeK/ MPa874.38n0.2721Sb290.6534535.09796eB0.004060.17887eB-0.

3、00406-0.178871.1光滑钢计算机数据图11 钢光滑拉伸试验应力应变曲线图12 钢光滑拉伸试验均匀塑性变形阶段lgSlge的线性拟合2010-4-5 15:43Linear Regression for A0709032_lgS:Y = A + B * XParameterValueError-A2.94170.00425B0.27210.00386-RSDNP-0.993210.0078870<0.0001经计算得：K=10A=102.9417=874.38MPan=B=0.2721坐标纸数据图13 钢光滑拉伸试验载荷位移曲线图14 钢光滑拉伸试验应力应变曲线图15 钢光滑拉

4、伸试验均匀塑性变形阶段lgSlge的线性拟合2010-4-6 20:24Linear Regression for Data1_lgs:Y = A + B * XParameterValueError-A3.190160.05524B0.65780.06625-RSDNP-0.957260.0264511<0.0001经计算得：K=10A=103.19016=1549.39MPan=B=0.65781.2光滑铸铁计算机数据图16 铸铁光滑拉伸试验应力应变曲线坐标纸数据图17 铸铁光滑拉伸试验载荷位移曲线图18 光滑铸铁拉伸试验应力应变曲线（注：对于光滑铸铁，没有“均匀塑性变形阶段”，所以

5、不能得到K，n值。）二、实验结果与讨论1、将记录装置所绘制的拉伸曲线和计算机采集的数据文件分别用绘图软件（Origin5.0、Excel97或其它软件）分别画出钢和铸铁试样的曲线和Se曲线（同种采集方式得到的数据可绘在同一张图中），并用作图法分别求出钢和铸铁的K，n。答：钢和铸铁试样的曲线和Se曲线如图所示。由于光滑铸铁没有“均匀塑性变形阶段”，因此不能得到K，n值。对于光滑钢试样，由于计算机数据较为准确，所以采用计算机数据拟合整个均匀塑性变形阶段的lgSlge得到K=874.38MPa，n=0.2721。2、分析比较钢和铸铁曲线和Se曲线的区别及屈服比s/b、K、n的大小，并根据所学知识进行

6、解释。答：钢和铸铁曲线和Se曲线的区别：（1）从钢的曲线，我们可以看出钢的变形过程可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形四个阶段，而铸铁的曲线，我们可以看出铸铁的变形过程只有弹性变形阶段（没有明显的线性部分），不发生明显的宏观塑性变形。这是因为钢是塑性材料，可通过晶体的滑移和孪生进行塑性变形，当应力增大至强度极限之后，试样出现局部显著收缩，这一现象称为颈缩。颈缩出现后，使试件继续变形所需载荷减小，故应力应变曲线呈现下降趋势，直至最后断裂。而铸铁是脆性材料，可以具有较强的抗分子滑移能力，因此在这些材料中发生分子间相互滑移，需要较高应力，以致在达到此应力前，材料先发生

7、断裂。（2）从钢的曲线和Se曲线中我们可以看出，在弹性变形阶段，两曲线基本重合，真实屈服应力和工程屈服应力在数值上比较接近，这是因为试样的伸长和截面收缩都很小的缘故，而在塑性变形阶段，两者之间出现了明显的差异，真实应力要大于工程应力，这是因为塑性变形阶段变形量增大并且出现颈缩现象的缘故，而铸铁的曲线和Se曲线 基本重合，这是因为铸铁是脆性材料，不发生明显的塑性变形，所以两者差值不大。（3）从计算机数据上我们可以看到光滑铸铁的抗拉强度为289.47626MPa要明显小于光滑钢的抗拉强度447.45517MPa。屈服比s/b的大小：从所整理的数据我们可以得到钢的s/b=0.6365，而铸铁的 s/

8、b=0.989（注：s由s0.2作图所得），因此铸铁的屈服比s/b较大。这是因为钢是塑性材料，有塑性变形阶段，有缓和应力集中，阻止裂纹扩展的作用，因此使得钢的抗拉强度大于铸铁；另外，铸铁中含碳量较高，使位错运动受阻，从而使屈服强度高于钢，综上所述，这将使得在同样条件下铸铁的屈服比s/b比钢的大。钢和铸铁K、n的大小：由于铸铁没有明显的“均匀塑性变形阶段”，因此不能得到K，n值。 所以无法比较。由计算机数据可以得到光滑钢的应变硬化指数n=0.2721，而从坐标纸上得到的应变硬化指数n=0.6578，而大多数金属的n值在0.10.5之间，所以计算机上的数据较为准确。应变硬化指数n是一个常用的金属材

9、料性能指标，它反映了材料抵抗继续塑性变形的能力。金属材料的n值的大小与层错能的高低有关。层错能低的n值就大，层错能高的n值就小。因为层错能的高低也反映了交滑移的难易程度。所以n值大的其滑移变形的特征为平坦的滑移带，而n值小的材料，则表现为波纹状的滑移带。此外，n值对材料的冷热变形也十分敏感。通常，退火态金属n值比较大，而在冷加工状态下则比较小，且随材料强度等级的降低而增加。3、比较钢和铸铁和值的大小及eB和eB值的大小，并解释原因。答：钢=37.541%，铸铁=-0.281%，因此钢的大于铸铁的值钢=67.200%, 铸铁=1.527%，因此钢的大于铸铁的值这是因为钢是塑性材料，在拉伸过程中具

10、有弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形这4个阶段，在后3个阶段为塑性变形阶段，有较大的变形量，而铸铁是脆性材料，在拉伸试验中只有弹性阶段，在撤去外力后基本恢复原状，变形量很小，所以铸铁的断后伸长率较钢的小；另外，由于钢是塑性材料，所以当在应变硬化与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于试样局部区域而产生颈缩现象，使钢试样的截面积收缩减小，而铸铁是脆性材料，在达到最大应力值后就直接断裂，不存在颈缩现象，所以断面收缩率很小。钢eB=0.17887，铸铁eB=0.00406，因此钢的eB大于铸铁的eB值 钢eB=-0.17887，铸铁eB=-0.

11、00406，因此钢eB的绝对值大于铸铁的eB的绝对值这是因为钢较铸铁有较好的抗拉强度和塑性变形能力，所以钢的值要大于铸铁。4、n是否等于eB，并加以分析。答：在拉伸试验中，在均匀塑性变形阶段，利用最小二乘法对lgSlge进行直线拟合所求出的n值不等于最大载荷点的真应变eB。只有当F=Fb时，应变硬化指数n等于最大载荷点的真应变eB，分析如下：颈缩是韧性金属材料在拉伸实验时变形集中于局部区域的特殊现象，它是应变硬化指数（物理因素）与截面减小（几何因素）共同作用的结果。在金属试样拉伸曲线极大值B点之前，塑性变形是均匀的，因为材料应变硬化使承载能力增加，可以补偿因试样截面减小使其承载力的下降。在B点

12、之后，由于应变硬化跟不上塑性变形发展，使变形集中于试样局部区域产生颈缩。在B点之前，dF>0，B点以后，dF<0。B点是最大力点，也是局部塑性变形开始点，因此颈缩形成点对应于工程应力应变曲线上的最大载荷点，因此dF=0。依据这一关系可以导出该点应力、应变与应变硬化指数n和系数k的关系。按照式表示的真应力应变关系，载荷F可表示为真应力e与瞬时截面积A的函数，即（1-1）对上式全微分，得（1-2）根据真应变的定义，（1-3）代入式（1-2），得n=e 因此在F=Fb时，n=eB 。5、根据课堂所学内容分析钢和铸铁宏观断口的区别。答：钢在室温下的静拉伸断裂具有典型的韧性断裂特征。韧性断裂

13、是材料断裂前及断裂过程中产生明显宏观塑性变形的断裂过程。韧性断裂时一般裂纹扩展过程较慢，而且要消耗大量塑性变形能。韧性断裂的裂纹面一般平行于最大切应力并与主应力成45°，用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，而灰暗色则是纤维断口表面对光反射能力很弱所致。钢的宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，纤维区位于试样中心位置，该区颜色灰暗，表面有较大起伏，如山脊状；反射区表面较光亮平坦，有较细的放射性条纹；剪切唇区表面粗糙发深灰色。有颈缩。而铸铁在室温下的静拉伸断裂具有典型的脆性断裂特征。脆性断裂是材料断裂前基本上

14、不产生明显的宏观塑性变形，没有明显预兆，往往表现为突然发生的快速断裂过程，因而具有很大的危险性。铸铁断裂的宏观断口一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，呈现放射状或结晶状。无颈缩。三、思考题1、为什么要测定规定非比例伸长应力？答：比例极限p和弹性极限e只是一个理论上的物理定义，因为对于实际使用的工程材料，用普通的测试方法很难测出准确而唯一的比例极限和弹性极限数值。因此，为了便于实际测量和应用，应以发生非比例伸长值作为定义，因此从这个意义上来说，比例极限和弹性极限已经没有质的区别，只是非比例伸长率大小不同而已，都表征材料对微量塑形变形的抗力；另外，对于许多具有连续屈服特征的金属材料，在拉伸实验使

15、看不到明显的屈服现象，因此通过测定规定非比例伸长应力来表征材料对微量塑性变形的抗力。2、由试验时发生的现象和试验结果比较低碳钢和铸铁的力学性能有什么不同？答：不均匀屈服塑性变形均匀塑性变形不均匀屈服塑性变形不均匀集中塑性变形3、拉伸试验所确定的各项力学性能指标有什么使用价值？答：（一）弹性变形的力学性能指标（1）弹性模量E：在工程中弹性模数是表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。在机械零件或建筑结构设计时为了保证不产生过大的弹性变形，都要考虑所选用材料的弹性模数。（2）比例极限p 和弹性极限e ：对于要求服役时其应力应变关系严格遵守线性关系的机件

16、，如测力计弹簧，是依靠弹性变形的应力正比于应变的关系显示载荷大小的，则应以比利极限作为选择材料的依据；对于服役条件不允许产生微量塑性变形的机件，设计时应按弹性极限来选择材料。（二）塑形变形的力学性能指标（1）屈服强度s ：作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选材依据；根据屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）的大小，衡量材料进一步产生塑性变形的倾向，作为金属材料冷塑性变形加工和确定机件缓解应力集中防止脆断的参考依据。（2）应变硬化指数n：它反映了材料抵抗继续塑性变形的能力。材料的应变硬化性能，在材料的加工和应用中有十分明显的实用价值。在加工方面，利用应变硬化和塑性变形的合理配合，可使金属

17、进行均匀的塑性变形，保证冷变形工艺顺利实施。在材料的应用方面，应变硬化可使金属机件具有一定的抗偶然过载能力，保证机件使用安全，应变硬化也是强化金属的重要手段，尤其对那些不能进行热处理强化的材料。（3）抗拉强度b：它标志着材料在承受拉伸载荷时的实际承载能力，高分子和陶瓷材料的抗拉强度是产品设计的重要依据；对于变形要求不高的金属机件，有时为了减轻自重，也常用抗拉强度作为设计依据。此外，由于抗拉强度易于测定，且重现性好，所以在材料的生产应用和科学研究中被广泛用作产品规格说明和质量控制指标。（4）断后伸长率和断面收缩率：对于金属材料，用来评价材料塑性的好坏和评定材料冶金质量的重要标准。因为塑性是指材料

18、断裂前产生塑性变形的能力。材料具有一定的塑性，当其偶然过载时，通过塑性变形和应变硬化的配合可避免机件发生突然破坏；当机件因存在台阶、勾槽、小孔而产生局部应力集中时，通过材料的塑性变形可消减应力高峰使之重新分布，从而保证机件正常运行。材料具有一定的塑性还有利于塑性加工和修复工艺的顺利进行。如金属材料具有较好的塑性才能通过轧制、挤压等冷热变形工序生产出合格产品。4、低碳钢屈服极限是怎样发生的？主要是哪种应力引起的？何以证明？答：当低碳钢的拉伸力达到Fs后，材料开始产生不均匀的塑性变形，力伸长曲线上出现平台或锯齿，在此过程中，外力不增加（保持恒定）试样仍然继续伸长；或外力增加到一定数值时突然下降，随

19、后，在外力不增加或上下波动的情况下试样可以继续伸长变形，这种现象称为材料在拉伸实验时的屈服现象。屈服是材料由弹性变形向弹塑性变形过渡的明显标志。材料承受外力到达一定的程度时，其变形不再与外力呈正比而产生明显塑性变形，产生屈服时的应力称为屈服极限。主要是切应力引起的，切应力是位错运动的驱动力，因此，某点的塑性变形主要决定该处切应力成分如何，看切应力与正应力的比值。另外，切应力也决定了在位错运动的障碍前位错塞积的数目，因此切应力对变形和断裂的发生和发展都起作用。低碳钢的断口是斜断，而铸铁则是正断。其证明方法是将试样抛光，若这时可以看到试件表面将出现与轴线大致成45°角的条纹即滑移线，则可

20、证明屈服极限主要由切应力引起的。实验二：金属材料缺口拉伸试验一、实验数据分析与处理附表 钢缺口试样拉伸试验数据表 试样编号数 据1钢0°2钢4°3钢8°拉 伸 前d0/mm101010A0/mm278.54078.54078.540d光滑0/mm13.0813.0413.097A光滑0/mm2134.3709133.5504134.7205dN边/mm13.0913.0513.02dN中/mm13.2413.08313.04拉 断 后PpN/KN383936PsN/KN333836.8PbN/KN49.448.850.2LK/ mm51.951.7852.29LK

21、边/ mm12.7213.1312.22LK中/ mm51.9051.7852.29dK/ mm8.908.858.47d光滑K/ mm12.5812.2012.03dKN边/ mm12.5812.2012.03dKN中/ mm12.7612.7212.67整 理 后pN/MPa483.8496.6458.4sN/ MPa420.17483.830468.55bN/ MPa628.98621.339639.16sN / bN0.6680.7790.733qe1.40571.3891.428N5.638%5.437%5.915%N边23.615%29.105%19.804%N中5.638%5.4

22、37%5.915%N20.79%21.678%28.259%N边7.64%12.602%14.629%N中7.119%5.472%5.594%注：请同学们自己制作适当的表格将所有数据整理好附表 铸铁缺口试样拉伸试验数据表 试样编号数 据4铸铁0°5铸铁4°6铸铁8°拉 伸 前d0/mm101010A0/mm278.54078.54078.540d光滑0/mm12.93012.958512.911A光滑0 /mm2131.3067131.8862130.9211dN边/ mm12.94412.958512.911dN中/ mm12.94612.988512.949拉

23、 断 后PpN/KN131.81.1PsN/ KN13.51.851.4PbN/ KN14.302.332LK/ mm49.3049.5749.91LK边/ mm10.2910.3310.29LK中/ mm49.3048.5749.91dK/ mm9.849.769.58d光滑K/ mm12.99513.01512.97dKN边/ mm12.93512.90112.77dKN中/ mm12.91312.96212.924整 理 后pN/MPa165.522.914sN/ MPa171.923.5517.8bN/ MPa182.07329.66625.465sN / bN0.94450.7940

24、.712qe0.6290.1020.088N0.224%0.691%0.747%N边1.479%1.374%1.78%N中0.224%0.691%0.747%N3.175%4.743%8.224%N边0.139%0.885%2.172%N中0.509%0.408%0.386%注：请同学们自己制作适当的表格将所有数据整理好2.1对中拉伸（不偏斜，即偏斜角为0°）计算机数据图21 钢缺口拉伸试样光滑平行段应力应变曲线图22 钢缺口拉伸试验光滑平行段均匀塑性变形阶段lgSlge的线性拟合2010-4-9 21:08Linear Regression for a_lgS:Y = A + B

25、* XParameterValueError-A3.062860.00905B0.364880.0059-RSDNP-0.99610.0046432<0.0001经计算得：K=10A=103.06286=1155.740MPan=B=0.36488图23 铸铁缺口拉伸试样光滑平行段应力应变曲线坐标纸数据图24 钢缺口拉伸试验载荷位移曲线图25 钢缺口拉伸试验（缺口截面）应力位移曲线图26 钢缺口拉伸试验（缺口截面）应力（平均）应变曲线图27 铸铁缺口拉伸试验载荷位移曲线图28 铸铁缺口拉伸试验（缺口截面）应力位移曲线图29 铸铁缺口拉伸试验（缺口截面）应力（平均）应变曲线2.2偏斜角为4

26、°偏斜拉伸图210 钢偏斜角为4°缺口拉伸试验载荷位移曲线图211 钢偏斜角为4°缺口拉伸试验（缺口截面）应力位移曲线图212铸铁偏斜角为4°缺口拉伸试验载荷位移曲线图213铸铁偏斜角为4°缺口拉伸试验（缺口截面）应力位移曲线2.3偏斜角为8°偏斜拉伸图214 钢偏斜角为8°缺口拉伸试验载荷位移曲线图215 钢偏斜角为8°缺口拉伸试验（缺口截面）应力位移曲线图216 铸铁偏斜角为8°缺口拉伸试验载荷位移曲线图217 铸铁偏斜角为8°缺口拉伸试验（缺口截面）应力位移曲线图218 钢的sN、bN曲线

27、图219钢的s/b、qe曲线 图220铸铁的sN、bN曲线图221 铸铁的s/b、qe曲线 二、实验结果与讨论1、比较不同材料缺口试样曲线的特点（记录仪绘制的拉伸曲线）和sN/bN，及同种材料光滑与缺口试样、对中拉伸缺口试样光滑段（ 光滑=P/A光滑0）与试样整体之曲线的区别，并加以解释（具体方法、步骤请同学们留意老师的讲解，同时参考本指导书的附录一）。答：钢材料缺口试样曲线和铸铁材料缺口试样曲线与光滑试样类似，钢材料缺口试样在整个拉伸过程中的变形可分为弹性变形、屈服变形、均匀塑性变形及不均匀集中塑性变形4个阶段，而铸铁缺口试样在整个变形中没有明显的屈服和塑性变形阶段；铸铁的sN/bN的值要普

28、遍大于钢的，这是因为钢是塑性材料，有塑性变形阶段，有缓和应力集中，阻止裂纹扩展的作用，因此使得钢的抗拉强度大于铸铁；另外，铸铁是脆性材料，其中含碳量较高，使位错运动受阻，从而使屈服强度高于钢。通过比较同种材料光滑与缺口试样、对中拉伸缺口试样光滑段（ 光滑=P/A光滑0）与试样整体之曲线，我们可以看出在有缺口时，塑性材料的强度极限因塑性变形受约束而有一定程度的增加。对脆性材料或低塑性材料，缺口试样拉伸常常是直接由弹性状态过渡到断裂，很难通过缺口前方的微量塑性变形使应力重新分布。所以，脆性材料缺口试样的强度比光滑试样要低。2、用绘图软件（Origin5.0、Excel97或其它软件）分别画出S N

29、、b N、S N/bN、qe随偏斜角度变化的曲线（S N、b N曲线绘在一张图上；S N/bN、qe曲线绘在一张图上；或绘制在一张图上），然后比较不同材料的区别，并加以解释。答：从理论上讲，对于缺口钢材料来说，随着缺口偏斜角度的增大，其屈服强度会有所升高，而抗拉强度会降低，因为钢为塑性材料，“缺口效应”通常会使缺口造成应力应变集中；改变缺口前方的应力状态，使应力由原来的单向拉伸改为两向或三向拉伸；出现所谓“缺口强化”现象，但在此次试验中，钢的抗拉强度先降低后升高，而屈服极限先升高后降低，这可能是由于在拉伸过程中加载方式或是坐标纸读取数据时产生的误差所造成。对于缺口铸铁试样，随着缺口偏斜角度的增

30、大，其屈服极限和抗拉极限都将降低，这是由于铸铁是脆性材料，没有明显的塑性变形，所以缺口和偏斜角度对其的影响不大。对于脆性材料即铸铁来说，qe永远小于1，这表明缺口处尚未发生明显塑性变形就已发生脆性断裂，而对于缺口不太尖锐的塑性材料，拉伸时可能产生塑性变形，此时qe 总会大于13、比较同种材料不同偏斜角、不同材料相同偏斜角N、N边、N中、N、N边、N中的差异。答：对于铸铁来说N、N中随偏斜角角度的增大而增大，而N边随偏斜角度的增大先减小后增大，N、N边随偏斜角度的增大而增大，而N中随偏斜角度的增大而降低。对于钢来说，N、N中随偏斜角度的增大先降低后增大，N边随偏斜角度的增大先增大后降低，N、N边

31、随偏斜角度的增大而增大，N中随偏斜角度的增大先降低后增大。对于同种材料，N边、N变化明显。对于不同材料，钢的N、N边、N中、N、N边、N中的值均大于铸铁的值。4、比较同种材料，光滑与缺口、不同偏斜角度宏观断口的裂纹起源和扩展方向及特征，并加以解释。答：碳钢颈缩时由于三向应力的作用，在试样中心首先产生许多显微孔洞，继而长大和聚合，形成一中心裂纹。这中心裂纹沿着垂直于拉力轴的方向伸展，到试样边缘以大约和轴向成45°的平面剪切断开，如更仔细的观察裂纹中心，它是以锯齿状向前扩展的。由于裂纹尖端的应力集中使得塑性变形集中在裂纹尖端前的滑移带上，滑移带和拉伸轴成3040°,在这个很薄的剪切带内变形十分强烈，导致带内形成许多显微孔洞，孔洞的集合造成裂纹的扩展，并把剪切带撕成两半。随着试样的承载面积的不断减小，最后呈剪切断裂，因此断口呈杯锥状。铸铁由于是脆性材料，断裂形式为解理断裂。断面