材料力學拉伸試驗

1、.§11 軸向拉伸實驗一、實驗目的1、 測定低碳鋼的屈服強度（）、抗拉強度（）、斷后伸長率A11.3（10）和斷面收縮率Z（）。2、 測定鑄鐵的抗拉強度（）。3、 比較低碳鋼Ø5（塑性材料）和鑄鐵Ø5（脆性材料）在拉伸時的力學性能和斷口特征。注：括號內為GB/T228-2002金屬材料 室溫拉伸試驗方法發(fā)布前的舊標準引用符號。二、設備及試樣1、 電液伺服萬能試驗機（自行改造）。2、 0.02mm游標卡尺。3、 低碳鋼圓形橫截面比例長試樣一根。把原始標距段L0十等分，并刻畫出圓周等分線。4、 鑄鐵圓形橫截面非比例試樣一根。注：GB/T228-2002規(guī)定，拉伸試樣分

2、比例試樣和非比例試樣兩種。比例試樣的原始標距與原始橫截面積的關系滿足。比例系數(shù)取5.65時稱為短比例試樣，取11.3時稱為長比例試樣，國際上使用的比例系數(shù)取5.65。非比例試樣與無關。三、實驗原理及方法低碳鋼是指含碳量在0.3以下的碳素鋼。這類鋼材在工程中使用較廣，在拉伸時表現(xiàn)出的力學性能也最為典型。低碳鋼拉伸圖（FL曲線）以軸向力F為縱坐標，標距段伸長量L為橫坐標，所繪出的試驗曲線圖稱為拉伸圖，即FL曲線。低碳鋼的拉伸圖如上圖所示，F(xiàn)eL為下屈服強度對應的軸向力，F(xiàn)eH為上屈服強度對應的軸向力，F(xiàn)m為最大軸向力。FL曲線與試樣的尺寸有關。為了消除試樣尺寸的影響，把軸向力F除以試樣橫截面的原始

3、面積S0就得到了名義應力，也叫工程應力，用表示。同樣，試樣在標距段的伸長L除以試樣的原始標距O得到名義應變，也叫工程應變，用表示。曲線與FL曲線形狀相似，但消除了兒何尺寸的影響，因此代表了材料本質屬性，即材料的本構關系。低碳鋼應力應變圖（曲線）典型低碳鋼的拉伸曲線，如上圖所示，可明顯分為四個階段：（1）彈性階段oa：在此階段試樣的變形是彈性的，如果在這一階段終止拉伸并卸載，試樣仍恢復到原先的尺寸，試驗曲線將沿著拉伸曲線回到初始點，表明試樣沒有任何殘余變形。習慣上認為材料在彈性范圍內服從虎克定律，其應力、應變?yōu)檎汝P系，即式中比例系數(shù)E代表直線的斜率，稱為材料的彈性模量，其常用單位為GPa。它是

4、代表材料發(fā)生彈性變形的主要性能參數(shù)。E的大小反映材料抵抗彈性變形的一種能力，代表了材料的剛度。此外，材料在發(fā)生桿的軸向伸長的同時還發(fā)生橫向收縮。反映橫向變形的橫向應變與之比的絕對值稱為材料的泊松比。它是代表材料彈性變形的另一個性能參數(shù)。（2）屈服階段ab：在超過彈性階段后出現(xiàn)明顯的屈服過程，即曲線沿一水平段上下波動，即應力增加很少，變形快速增加。這表明材料在此載荷作用下，宏觀上表現(xiàn)為暫時喪失抵抗繼續(xù)變形的能力，微觀上表現(xiàn)為材料內部結構發(fā)生急劇變化。從微觀結構解釋這一現(xiàn)象，是由于構成金屬晶體材料結構晶格間的位錯，在外力作用下發(fā)生有規(guī)律的移動造成的。如果試樣表面足夠光滑、材料雜質含量少，可以清楚地

5、看出試樣表面有450方向的滑移線。根據(jù)GB/T2282002標準規(guī)定，試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最大應力稱為上屈服強度，記為“ReH”；在屈服期間，不計初始瞬時效應時的最低應力稱為下屈服強度，記為“ReL”，若試樣發(fā)生屈服而力首次下降的最小應力是屈服期間的最小應力時，該最小應力稱為初始瞬時效應，不作為下屈服強度。通常把試驗測定的下屈服強度ReL作為材料的屈服極限S，S是材料開始進入塑性的標志。不同的塑性材料其屈服階段的曲線類型有所不同，其屈服強度按GB/T228-2002規(guī)定確定。結構、零件的外加載荷一旦超過這個應力，就可以認為這一結構或零件會因為過量變形而失效。因此，強度設計中常以屈服極限

6、S作為確定許可應力的基礎。由于材料在這一階段已經發(fā)生過量變形，必然殘留不可恢復的變形（塑性變形），因此，從屈服階段開始，材料的變形就包含彈性和塑性兩部分。 （3）強化階段bc：屈服階段結束后，曲線又出現(xiàn)上升現(xiàn)象，說明材料恢復了對繼續(xù)變形的抵抗能力，材料若要繼續(xù)變形必須施加足夠的載荷。如果在這一階段卸載，彈性變形將隨之消失，而塑性變形將永遠保留。強化階段的卸載路徑與彈性階段平行。卸載后若重新加載，材料的彈性階段線將加長、屈服強度明顯提高，塑性將降低。這種現(xiàn)象稱作應變強化或冷作硬化。冷作硬化是金屬材料極為寶貴的性質之一。塑性變形與應變強化二者結合，是工廠強化金屬的重要手段。例如：噴丸、擠壓，冷拔等

7、工藝，就是利用材料的冷作硬化來提高材料的強度。強化階段的塑性變形是沿軸向均勻分布的。隨塑性變形的增長，試樣表面的滑移線亦愈趨明顯。曲線的應力峰值Rm為材料的強度極限b。對低碳鋼來說b是材料均勻塑性變形的最大抵抗能力，也是材料進入頸縮階段的標志。（4）頸縮階段cd：應力到達強度極限后，開始在試樣最薄弱處出現(xiàn)局部變形，從而導致試樣局部截面急劇頸縮，承載面積迅速減少，試樣承受的載荷很快下降，直至斷裂。斷裂時，試樣的彈性變形消失，塑性變形則遺留在斷裂的試樣上。塑性材料和脆性材料的拉伸曲線存在很大差異。低碳鋼和鑄鐵是工程材料中最具典型意義的兩種材料，前者為塑性材料，后者為脆性材料。觀察它們在拉伸過程中的

8、變形和破壞特征有助于正確、合理地認識和選用材料。根據(jù)試驗機繪制的拉伸FL曲線確定低碳鋼的、和鑄鐵的。（1）原始橫截面面積（S0）的測定：圓形橫截面試樣，應分別在標距內兩端及中部測量直徑。測量某處的直徑時，應在該處測量兩個互垂方向的直徑，取其算術平均值。原始橫截面面積S0取三處測得的最小直徑計算，并至少保留4位有效數(shù)字。（2）強度指標（、）的測定：從低碳鋼的FL曲線讀取試樣的FeL和Fm值，將其分別除以試樣的原始橫截面面積S0得低碳鋼的屈服強度和抗拉強度；從鑄鐵的FL曲線讀取試樣的Fm值，將其除以試樣的原始橫截面面積S0得鑄鐵抗拉強度；根據(jù)拉斷后低碳鋼試樣的斷口直徑及標距段長度確定A11.3 和

9、Z（1）原始標距L0的標記：低碳鋼拉伸試樣的標距段原始長度為100mm，分十等分，用劃線機劃細的圓周線作為標記。（2）低碳鋼斷面收縮率Z的測定：斷裂后試樣橫截面的最大縮減量S0Su與原始橫截面面積S0之比的百分率為斷面收縮率。測量時將試樣斷裂部分仔細地配接在一起，使其軸線處于同一直線上。測量圓形橫截面縮頸處的最小直徑計算縮頸后的試樣最小橫截面面積Su。（3）低碳鋼斷后伸長率A11.3的測定：斷后標距的殘余伸長LuL0與原始標距L0之比的百分率為斷后伸長率。對于比例試樣，若原始標距不為，則符號A應附下標注明所使用的比例系數(shù)，例如A11.3表示原始標距L0為的試樣斷后伸長率。測量時將試樣斷裂部分仔

10、細地配接在一起，應使試樣二段的軸線處于同一直線上，并且斷裂部分適當接觸。當斷裂處與最接近的標距標記的距離不小于原始標距的三分之一時，標距段長度Lu按要求配接后直接測量，否則應按下述移位方法測量Lu。試驗前將原始標距L0細分為N等分，把每一等分的細圓周線稱為標距等分標記試驗后，以符號X表示斷裂后試樣短的一段距離試樣夾持部最近的標距等分標記，以符號Y表示斷裂試樣長的一段的標距等分標記，要求Y與斷裂處的距離最接近X與斷裂處的距離，X與Y之間的標距等分格數(shù)為n。若Nn為偶數(shù)，以符號Z表示斷裂試樣長的一段的標距等分標記，要求Z與Y的標距等分格數(shù)為。分別測量X與Y之間的距離記為XY、Y與Z之間的距離記為Y

11、Z，則試樣斷后的標距段長度LuXY2YZ，如下圖（a）所示。若Nn為奇數(shù)，以符號Z 和Z表示斷裂試樣長的一段的標距等分標記，要求Z與Y的標距等分格數(shù)為，Z與Z的標距等分格數(shù)為1。分別測量X與Y之間的距離記為XY、Y與Z之間的距離記為Y Z、Z與Z之間的距離記為Z Z，則試樣斷后的標距段長度LuXY2Y Z Z Z，如下圖（b）所示。四、實驗步驟1、 按要求測量試樣的原始橫截面面積S0。低碳鋼標距段原始長度不用測量，為100mm。鑄鐵不定標距，不用測量。2、 按要求裝夾試樣（先選其中一根），并保持上下對中。3、 按指導老師要求選擇“試驗方案” “新建實驗” “金屬圓棒拉伸實驗”進行試驗，詳細操作

12、要求見電液伺服萬能試驗機使用說明。4、 試樣拉斷后拆下試樣，重新調整試驗機活動臺的合理高度（一般為10mm），按要求裝夾另一根試樣，選擇“繼續(xù)實驗” 進行第二根試樣的拉伸試驗。5、 第二根試樣拉斷后拆下試樣，根據(jù)電液伺服萬能試驗機使用說明把兩根試樣的FL曲線添加不同的顏色一起顯示在微機顯示屏上。從低碳鋼的FL曲線上讀取FeL、Fm值，從鑄鐵的FL曲線上讀取Fm值。并比較兩條曲線的特征。6、 測量低碳鋼拉斷后的斷口最小橫截面面積Su。7、 根據(jù)低碳鋼斷口的位置選擇直接測量或移位方法測量標距段長度Lu。8、 比較低碳鋼和鑄鐵的斷口特征。9、 試驗機復原。五、實驗數(shù)據(jù)及處理要求1、試樣直徑的測量與測量工具的精度保持一致。2、橫截面面積的計算值取4位有效數(shù)字。3、拉伸力學性能指標的數(shù)值確定應保留計算過程，最終結果值按下表要求修約。性能名稱范圍修約間隔屈服強度和抗拉強度200MPa1MPa2001000MPa5MPa1000MPa10MPa斷后伸