拉伸试验报告 北京科技大学

拉伸试验预习报告一、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。三、引言♦拉伸试验是评定金属材料性能的常用测量方法，可以检测强度与塑性性能。♦拉伸试验测定的拉伸曲线还是观察金属材料塑性变形过程的良好手段。在均匀塑性变形阶段，Hollommon公式可以较好地描述金属塑性变形规律。该经验公式中，反映材料性能的两个参数是应变硬化系数k和应变硬化指数n。♦低碳钢是具有良好塑性的金属，经过不同的热处理获得不同微观组织结构，因而具有不同的强度与塑性。通过拉伸试验观察淬火、正火和退火三种不同的热处理后，低碳钢的性能与塑性参数n，k的变化。按我国目前执行的国家GB/T228-2002标准一一《金属材料室温拉伸试验方法》的规定，在室温10°C〜35°C的范围内进行试验。将试样安装在试验机的夹头中，然后开动试验机，使试样受到缓慢增加的拉力（应根据材料性能和试验目的确定拉伸速度），直到拉断为止，并利用试验机的自动绘图装置绘出材料的拉伸图（图2-2所示）。应当指出，试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形AL主要是整个试样（不只是标距部分）的伸长，还包括机器的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素。由于试样开始受力时，头部在夹头内的滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。（a）低碳钢拉伸曲线图（b）铸铁拉伸曲线图图1由试验机绘图装置绘出的拉伸曲线图

低碳钢（典型的塑性材料）当拉力较小时，试样伸长量与力成正比增加，保持直线关系，拉力超过FP后拉伸曲线将由直变曲。保持直线关系的最大拉力就是材料比例极限的力值F。在F的上方附近有一点是F，若拉力小于F而卸载时，卸载后试样立刻恢cc.复原状，若拉力大于F后再卸载，则试件只能部分恢复，保留的残余变形即为塑性变形，因而『是代表材料弹性极限的力值。当拉力增加到一定程度时，试验机的示力指针（主动针）开始摆动或停止不动，拉伸图上出现锯齿状或平台，这说明此时试样所受的拉力几乎不变但变形却在继续，这种现象称为材料的屈服。低碳钢的屈服阶段常呈锯齿状，其上屈服点B'受变形速度及试样形式等因素的影响较大，而下屈服点B则比较稳定（因此工程上常以其下屈服点B所对应的力值F作为材料屈服时的力值）。确定屈服力值时，必须注意观察读数表盘上测力指针的转动情况，读取测力度盘指针首次回图2低碳钢的冷作硬化转前指示的最大力F（上屈服荷载）和不计初瞬时效应时屈服阶段中的最小力F（下屈服荷载）或首次停止转动指示的恒定力FeL（下屈服荷载），将其分别除以试样的原始横截面积（S）便可得到上屈服强度R和下屈服强度rl。即0图2低碳钢的冷作硬化R—/S。ReL=FeL/S0m.-的，拉伸曲线是一段平缓上升的曲线，这时可明显地看到整个试样的横向尺寸在屈服阶段过后，虽然变形仍继续增大，但力值也随之增加，拉伸曲线又继续上升，这说明材料又恢复了抵抗变形的能力，这种现象称为材料的强化。在强化阶段内，试样的变形主要是塑性变形，比弹性阶段内试样的变形大得多，在达到最大力F之前，试样标距范围内的变形是均匀缩小。此最大力F为材料的抗拉强度力值，由公式R二F/S即可得到材料的抗拉强度R。mm.-的，拉伸曲线是一段平缓上升的曲线，这时可明显地看到整个试样的横向尺寸在如果在材料的强化阶段内卸载后再加载，直到试样拉断，则所得到的曲线如图2-3所示。卸载时曲线并不沿原拉伸曲线卸回，而是沿近乎平行于弹性阶段的直线卸回，这说明卸载前试样中除了有塑性变形外，还有一部分弹性变形；卸载后再继续加载，曲线几乎沿卸载路径变化，然后继续强化变形，就像没有卸载一样，这种现象称为材料的冷作硬化。显然，冷作硬化提高了材料的比例极限和屈服极限，但材料的塑性却相应降低。当荷载达到最大力F后，示力指针由最大力F缓慢回转时，试样上某一部位开始产生局部伸长和颈缩，在颈缩发生部位，横戳面面积急剧缩小，继续拉伸所需的力也迅速减小，拉伸曲线开始下降，直至试样断裂。此时通过测量试样断裂后的标距长度匕和断口处最小直径du，计算断后最小截面积（*），由计算公式A=x100%、L0注：lu、lo分别为试样标距范围断裂后的长度和初始长度Z=-0ux100%S0注：Su、So分别为试样标距范围内的颈缩断裂部位断后的最小横截面积和初始横截面积即可得到试样的断后伸长率A和断面收缩率Z。本次实验需要测得的四项性能分别为：规定非比例延伸强度（Rp0.2）：试样的非比例伸长率为0.2%时的工程应力。♦抗拉强度（Rm）:为材料断裂前承受的最大工程应力。断后伸长率（A）:断后标距的残余伸长（Lu-Lo）与原始标距（Lo）之比的百分数。♦断面收缩率（Z）:断裂后试样横截面的最大缩减量（So-Su）与原始横截面积（So）之比的百分数。四、试验准备内容1、试验材料与试样1.1试验材料：退火低碳钢，正火低碳钢，淬火低碳钢的R4标准试样各一个。1.2热处理状态及组织性能特点简述：1.2.1退火低碳钢：将钢加热到Ac3或Ac1以上30-50°C，保温一段时间后，缓慢而均匀的冷却称为退火。特点：退火可以降低硬度，使材料便于切削加工，并使钢的晶粒细化，消除应力。1.2.2正火低碳钢：将钢加热到Ac3或Accm以上30-50C，保温后在空气中冷却称为正火。特点：许多碳素钢和合金钢正火后，各项机械性能均较好，可以细化晶粒。1.2.3淬火低碳钢：对于亚共析钢，即低碳钢和中碳钢加热到到Ac3以上30-50C，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，称为淬火。特点：硬度大，适合对硬度有特殊要求的部件。1.3试样规格尺寸：采用R4试样。图3机加工的圆截面拉伸试样参数如下:标距平行长度截面原始直径过渡弧直径头部直径50mm60mm10mm8mm20mm1.4公差要求尺寸公差形状公差士0.07mm士0.04mm2、试验测试内容与相关的测量工具、仪器、设备2.1检测工具：万能材料试验机WDW-200D。载荷传感器，0.5级。引伸计，0.5级。游标卡尺，最高精度为0.02mm。注1：应力值并非试验机直接给出，由载荷传感器直接测量施加的载荷值，进而转化成工程应力，0.5级，即精确至载荷传感器满量程的1/500。注2：连续测试试样上某段的伸长量由引伸计完成，0.5级，即至引伸计满量程的1/50。2.2设备介绍：1.万能材料试验机WDW-200D。主要性能指标：最大试验力：200kN试验力准确度：优于示值的±1%（精密级为±0.5%）力值测量范围：最大试验力的0.4%一100%变形测量准确度：在引伸计满量程的2%一100%范围内优于示值的±1%（精密级为±0.5%）检定方法：根据试验机被检区间的力值，将相应力值的标准拉力试样装夹在试验机上，按GB/T228-2002标准规定的速度让试验机对标准拉力试样进行拉伸，当标准拉力试样处于拉伸状态时在其上装上引伸计或贴上应变片，让拉力试验机继续对标准拉力试样进行拉伸，引伸计或应变片将标准拉力试样的伸长量显示出来，将伸长量换算为拉力值，再与拉力试验机度盘上与标准拉力试样相同的力值点进行对比，根据比对值的差来确定试验机技术状态及精度。该方法利用胡克定律，根据标准拉力试样的伸长量换算为力值与试验机度盘力值进行对比，来确定试验机的精度。该方法极大的简化了检定的操作过程，对试验机原始拉伸状态的日常检定带来极大方便和标准化。【主权项】万能材料试验机的检定方法，其特征在于，首先根据被检区间拉力试验机的力值，选择标准拉力试样，标准拉力试样的力值为该区间满量程力值的60%〜90%之间选择，将标准拉力试样装夹在拉力试验机上，按GB/T228-2002标准规定的速度让拉力试验机对标准拉力试样进行拉伸，当拉力试验机的指针稍有摆动时立刻停止拉伸，即标准拉力试样处于拉伸状态，此时在标准拉力试样上装上引伸计或贴上应变片，按GB/T228-2002标准规定的速度让拉力试验机继续对标准拉力试样进行拉伸，引伸计或应变片将标准拉力试样的伸长量显示出来，根据胡克定律，将伸长量换算为拉力值，再与拉力试验机度盘上与标准拉力试样相同的力值点进行对比，根据比对值的差来确定试验机技术状态及精度五、试验步骤用游标卡尺测量试样的初始直径d(在相互垂直的两个方向上测量后取平均值)。测量试样的标距的初始值Lo，并标识试样标距(划线)。装卡引伸计至试样的标距内。将试样安装在试验机的上下头之间。由计算机控制。输入必要参数，完成程序调试。启动测试过程，由计算机记录载荷-伸长数据。在载荷达到最大值时(出现颈缩)取下引伸计。加载直至试样断裂，取下试样，继续测量。用游标卡尺测量试样断后最小直径du和标距长度Lu。注意：用细墨线分别标记原始标距，标记应准确到士0.5mm。引伸计夹头分离速率尽量保持恒定，且速率保持在4/min，保持直至拉断。断后测量时应尽可能对准断口，使试样保持完整。应测量颈缩最小处相互垂直的两个方向的直径取其平均值。Lu的测量需要至少3组数据，用来计算误差是否在国标范围内。六、试验数据处理方案：1.非比例延伸强度(RP02)：.在曲线图上，划一条与曲线弹性模量直线部分平行，且在延伸轴上与此直线段的距离等于规定非比例延伸率，如0.2%的直线。此直线的交截点给出相应于所求规定非比例延伸强度的力。此力除以原始横截面积So得到规定非比例延伸强度。抗拉强度(Rm)对于呈现屈服现象的金属，应读取过了屈服阶段之后最大的力。最大力除以原始R=P5横截面积So得到抗拉强度。mo断面收缩率(A)原始横截面积So与断后最小横截面积Su之差除以原始横截面积的百分率得到断面收缩率。Z=——x100%=1—-uSd2oo断后伸长率(A)原始标距长度Lo与断后标距长度Lu之差除以原始长度的百分率得到断后伸长率。Z=-0广x100%S0应变硬化指数和应变硬化系数1.Hoolomon公式的拟合：用于在达到最大载荷即颈缩处发生前的均匀塑性变形阶段，工程应力。，工程应变8,真应力S,真应变，'之间满足:S=。(1+8)e=j牛=ln(l+£)l0S=Ken由此导出了Hoolomon公式：K为应变硬化系数，n为应变硬化指数。FM©=ke=一现在根据表4的数据进行拟合，先根据公式So,lo求出工程应力应变，然后根据上述公式，将工程应力应变根据公式转变为真应力应变后，式子两边同取Ln，进行拟合。5.修约验证：AR02=AP2+2Ad0S=-d204dS=-dd02

△%_2kd~S°~~dR0.2PPR0.2—02=—0:2s兀d0_d4邑工+2竺R同理可得六、误差分析：1、不确定度来源：1.1规定非比例延伸力rP02：P0.测量的不确定度规定非比例延伸力测量的不确定度主要来源于以下几方面：①试验机力值的测量精度；②引伸计的测量精度；③引伸计标距的误差；④试验机校准的影响；⑤测量规定非比例延伸力值时所采用的基准线的影响。1.2原始截面积So测量的不确定度原始截面积测量的不确定度主要来源于：①分离卡的测量精度；②人员读数的误差。1.3最大载荷Fmax测量的不确定度最大载荷测量的不确定度与规定非比例延伸力测量的不确定度类似，只是不必考虑变形量和引伸计标距的影响。1.4断后标距Lu和原始标距测量的不确定度断后标距和原始标距测量的不确定度主要来源于：①标点机标距的误差；②游标卡尺的测量精度；③人员读数的误差；④移位法测量断后伸长率的引入。1.5其它不确定度的来源除上述的不确定外，还有数值修约引入的不确定度、温度效应引入的不确定度和拉伸应变速率引入的不确定度4.1规定非比例延伸力测量的不确定度试验机力值测量引入的不确定度］由于拉伸试验所用的试验机要求为1级，其示值误差＜±1.0%,半宽为1.0%,且为矩形分布，因此，试验机力值的相对标准不确定度为地uf,rel,=o.o1/1.732=0.0058.引伸计测量引入的不确定度由于规定非比例延伸力测量所用的引伸计示值误差必须〈土1.0，半宽为1.0%，且为矩形分布，因此规定非比例变形量测量的相对标准不确定度为Uf,rel,2=0.01/1.732=0.0058。⑶引伸计标距引入的不确定度按规定，测量规定非比例延伸力所用的引伸计标距误差应＜±1.0，半宽为1.0，由此产生的相对标准不确定度为uf,rel,眼.01/1.732=0.005