材料力学低碳钢拉伸实验指导书.doc

1 低碳钢拉伸实验
1 低碳钢拉伸实验
一、实验目的
1．了解材料拉伸时力与变形的关系，观察试件破坏现象。
2．测定强度数据，如屈服点，抗拉强度。
3．测定塑性材料的塑性指标：拉伸时的伸长率δ，截面收缩率ψ。
二、实验原理
进行拉伸实验时，外力必须通过试样轴线，以确保材料处于单向应力状态。实验机具有自动绘图装置，用以记录试样的拉伸图（即F-ΔL曲线），形象地体现了材料变形特点以及各阶段受力和变形的关系。但是F-ΔL曲线的定量关系不仅取决于材质而且受试样几何尺寸的影响。因此，拉伸图往往用名义应力、应变曲线（即σ-ε曲线）来表示：
——试样的名义应力
——试样的名义应变
A0和L0分别代表初始条件下的面积和标距。σ-ε曲线与F-ΔL曲线相似，但消除了几何尺寸的影响。因此，可以代表材料的属性。单向拉伸条件下的一些材料的机械性能指标就是在曲线上定义的。如果实验能提供一条精确的拉伸图，那么单向拉伸条件下的主要力学性能指标就可精确地测定。
不同性质的材料拉伸过程也不同，其曲线会存在很大差异。低碳钢和铸铁是性质截然不同的两种典型材料，它们的拉伸曲线在工程材料中十分典型，掌握它们的拉伸过程和破坏特点有助于正确、合理地认识和选用材料。
低碳钢具有良好的塑性，由曲线（图1.1)可以看出，低碳钢断裂前明显地分成四个阶段：
（1）弹性阶段（OA）：试件的变形是弹性的。在这个范围内卸载，试样仍恢复原来的尺寸，没有任何残余变形。习惯上认为材料在弹性范围内服从胡克定律，其应力、应变为正比关系，即
（1-1）
比例系数E代表直线OA的斜率，称作材料的弹性模量。
（2）屈服（流动）阶段（BC）：曲线上出现明显的屈服点。这表明材料暂时丧失抵抗继续变形的能力。这时，应力基本上不变化，而应变快速增长。通常把下屈服点（Bˊ）作为材料屈服极限。是材料开始进入塑性的标志。结构、零件的应力一旦超过，材料就会屈服，零件就会因为过量变形而失效。因此强度设计时常以屈服极限作为确定许可应力的基础。从屈服阶段开始，材料的变形包含弹性和塑性两部分。如果试样表面光滑，材料杂质含量少，可以清楚地看到表面有45°方向的滑移线。
0 △L

FeL
Bˊ
D
g
Fm
0 ε 0 ε
σp
σeL
Bˊ
D
g
σb
δ

F σ σ
E
C

铸铁
△LeL
（a） （b） （c）
图1.1 试件拉伸图
（3）强化阶段（CD）：屈服阶段结束后，σ-ε曲线又开始上升，材料恢复了对继续变形的抵抗能力，载荷就必须不断增长。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下来。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后若重新加载，加载线仍与弹性阶段平行，但重新加载后，材料的弹性阶段加长、屈服强度明显提高，而塑性却相应下降。这种现象称作为形变强化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料极为宝贵的性质之一。塑性变形和形变强化二者联合，是强化金属材料的重要手段。例如喷丸，挤压，冷拨等工艺，就是利用材料的冷作硬化来提高材料强度的。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。D点是σ-ε曲线的最高点，定义为材料的强度极限又称作材料的抗拉强度记作。对低碳钢来说是材料均匀塑性变形的最大抗力，也是材料进入颈缩阶段的标志。
（4）颈缩阶段（DE）：应力达到强度极限后，塑性变形开始在局部进行。局部截面急剧收缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直到断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在破断的试样上。材料的塑性通常用试样断裂后的残余变形来衡量，单拉时的塑性指标用断后伸长率δ和断面收缩率ψ来表示。即
（1-2）
（1-3）
式中：L，A分别代表试样拉断后的标距和断口的面积。
低碳钢颈缩部分的变形在总变形中占很大比重，如图1-2所示。测试断后伸长率时，颈缩局部及其影响区的塑性变形都应包含在L之内。这就要求断口位置应在标距的中央附近。
若断口落在标距之外则实验无效。当断口非常靠近试件两端，而与其头部之距离等于或小于直径的两倍时，一般认为实验结果无效，需要重新实验。
工程上通常认为，材料的断后伸长率δ> 5%属于韧断，δ< 5%则属于脆断。韧断的特征是断裂前有较大的宏观塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状组织。低碳钢断裂时有很大的塑性变形，断口为杯状周边为45°的剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状，因此是一种典型的韧状断口。
铸铁是典型的脆性材料，其拉伸曲线如图1-1（c）所示。其拉伸过程较低碳钢简单，可近似认为是经弹性阶段直接过渡到断裂。其破坏断口沿横截面方向，说明铸铁的断裂是由拉应力引起，其强度指标只有σb。由拉伸曲线可见，铸铁断后伸长率甚小，所以铸铁常在没有任何预兆的情况下突然发生脆断。因此这类材料若使用不当，极易发生事故。铸铁断口与正应力方向垂直，断面平齐，为闪光的结晶状组织，是典型的脆状断口。
· · · · · · · · ·
80
70
60
50
40
30
20
10
0

20

15

10

5

0

伸长量/ mm

延伸率/ %

图1.2 颈缩试样各分格的伸长

多数工程材料的拉伸曲线介于低碳钢和铸铁之间，常常只有两个或三个阶段如图1-3。但强度、塑性指标的定义和测试方法基本相同。所以，通过拉伸破坏实验，分析比较低碳钢和铸铁的拉伸过程，确定其机械性能，在机械性能实验研究中具有典型意义。
F
△
0
0
△
F
（a）
F
△l
△l
F
（b）
图1.3 不同类型材料的拉伸图

三、实验设备
CMT5105万能试验机、拉伸夹具、游标卡尺（精确度0.02mm）、直尺。
四、试样的制备
试样制备是实验的重要环节。国家标准《金属拉伸实验试样》GB6397-86对此有详细规定。通常拉伸试样有比例试件和定标准试件两种。
一般拉伸试样由三部分组成，即工作部分，过渡部分和夹持部分（图1.4）。工作部分必须保持光滑均匀以确保材料表面的单向应力状态。均匀部分的有效工作长度L0称作标距。d0、A0分别代表工作部分的直径和面积。过渡部分必须有适当的台肩和圆角，以降低应力集中，保持该处不会断裂。试样两端的夹持部分用以传递载荷，其形状尺寸应与实验机的夹具相匹配。
d0
L0
L
0.8
R
图1.4 圆形截面拉伸试件

前已述及，颈缩局部及其影响区的塑性变形在断后伸长率中占很大的比重。显然，同种材料的断后伸长率不仅取决于材质，而且还取决于试样的标距。试样愈短、局部变形所占比例愈大，δ也就愈大。为了便于相互比较，试样的长度应当标准化。按照规定，测试断后伸长率应当采用比例试样。比例试样的长度有两种规定：
10倍直径圆试样：

5倍直径圆试样：

按照上述比例，板试样也分长、短两种：
长试样：
短试样：
用10倍直径试样测定的断后伸长率记做δ10，用5倍直径试样测定的断后伸长率记做δ5。国家标准推荐使用短比例试样。
五、实验步骤
1、打开计算机及实验机电源，预热20分钟；
2、测量试样截面面积，选择3个截面，找出最小截面；
3、安装试件；
4、点击桌面上的TestExpert.NET图标，或通过程序进入实验控制程序；
5、选择实验方法：进入【方法】菜单，选择实验方法，比如金属棒材拉伸实验、金属压缩实验等；或进入【数据】菜单，选择【查询】子菜单，调入以前的相关实验记录参数；
6、修改实验参数：点击【方法定义】菜单，选择【基本设置】、【设备及通道】、【控制与采集】菜单进行相关参数设置调整，可参照实验操作说明；
7、开始实验：选择【试验操作】菜单，鼠标左键点击连接、启动按钮，对窗口下方显示的参数点击右键进行“清零”操作，再单击开始按钮，实验开始前要求再次确认试件直径，点击【确定】，实验开始；
8、实验结束后，对试件标距、断口面积进行测量，计算塑性指标。
六、实验结果的处理
1、强度指标计算
屈服极限
强度极限
屈服载荷FeL取屈服平台的下限值。Fm取F-ΔL曲线的最大载荷。铸铁不存在屈服阶段故只记σb。
2、塑性指标的计算
断后伸长率
断面收缩率
3、绘出低碳钢试样实验前后的形状图形。

（附） 实验数据表
A、试样原始尺寸
材料名称
试 验 前
试 验 后

标距L0
mm
直径d0(mm)
最 小 截面 积
A0(mm2)
标 距
L(mm)
颈缩处之直径d(mm)
颈缩处截面积A(mm2 )
1
2
3
①
②
平均
①
②
平均
①
②
平均

B、实验记录数据
材 料
屈服载荷FeL（N）
最大载荷Fm（N）

C、计算结果

材
料
强 度 指 标
塑 性 指 标
屈服极限
σs（MPa）
强度极限
σb（MPa）
断后伸长率
δ（%）
断面收缩率
ψ（%）

根据实验结果绘制拉伸图（σ-ε）曲线及试样断口草图。

6