關(guān)于材料的拉伸實(shí)驗(yàn)_1776

1、實(shí)驗(yàn)二材料的拉伸實(shí)驗(yàn)概述常溫、靜載下的軸向拉伸試驗(yàn)是材料力學(xué)試驗(yàn)中最基本、 應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)。通過拉伸試驗(yàn)，可以全面地測定材料的力學(xué)性能，如彈性、塑性、強(qiáng)度、斷裂等力學(xué)性能指標(biāo)。 這些性能指標(biāo)對材料力學(xué)的分析計(jì)算、 工程設(shè)計(jì)、 選擇材料和新材料開發(fā)都有及其重要的作用。一、金屬的拉伸實(shí)驗(yàn)（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 測定低碳鋼的屈服強(qiáng)度 Rel 、抗拉強(qiáng)度 Rm、斷后延伸率 A11.3 和斷面收縮率 Z。2. 測定鑄鐵的抗拉強(qiáng)度 Rm。3. 觀察上述兩種材料在拉伸過程中的各種現(xiàn)象，并繪制拉伸圖（F曲線）。4. 分析比較低碳鋼和鑄鐵的力學(xué)性能特點(diǎn)與試樣破壞特征。（二）實(shí)驗(yàn)原理依據(jù)國標(biāo) GB/T 228200

2、2金屬室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法分別敘述如下：1. 低碳鋼試樣。在拉伸試驗(yàn)時， 利用試驗(yàn)機(jī)的自動繪圖器可繪出低碳鋼的拉伸曲線，見圖 1 示的 F L 曲線。圖中最初階段呈曲線， 是由于試樣頭部在夾具內(nèi)有滑動及試驗(yàn)機(jī)存在間隙等原因造成的。分析時應(yīng)將圖中的直線段延長與橫坐標(biāo)相交于O點(diǎn)，作為其坐標(biāo)原點(diǎn)。拉伸曲線形象的描繪出材料的變形特征及各階段受力和變形間的關(guān)系，可由該圖形的狀態(tài)來判斷材料彈性與塑性好壞、斷裂時的韌性與脆性程度以及不同變形下的承載能力。 但同一種材料的拉伸曲線會因試樣尺寸不同而各異。為了使同一種材料不同尺寸試樣的拉伸過程及其特性點(diǎn)便于比較，以消除試樣幾何尺寸的影響，可將拉Fa比例伸長力；Fc彈

3、性伸長力；Fsu上屈服力；Fsl 下屈服力；Fb最大力； Ff 斷裂力；斷裂后塑性伸長；彈性伸長；圖 1 碳鋼拉伸曲線伸曲線圖的縱坐標(biāo)（力F）除以試樣原始橫截面面積S0, 并將橫坐標(biāo)（伸長L）除以試樣的原始標(biāo)距L0 得到的曲線便與試樣尺寸無關(guān)，此曲線稱為應(yīng)力應(yīng)變曲線或 R曲線，如圖 2 示。從曲線上可以看出，它與拉伸圖曲線相似，也同樣表征了材料力學(xué)性能。拉伸試驗(yàn)過程分為四個階段，如圖1、圖 2 所示。（1）彈性階段 OC。 在此階段中的 OA段拉力和伸長成正比關(guān)系，表明鋼材的應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系， 完全遵循虎克定律， 如圖 2 示。若當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增加到C點(diǎn)時，應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系不再是線性關(guān)系，但變

4、形仍然是彈性的，即卸除拉力后變形完全消失。 用精密儀器測定其塑性應(yīng)變約為規(guī)定的引伸計(jì)標(biāo)距的0.2 所對應(yīng)的強(qiáng)度值定義為規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度，它是控制材料在彈性變形范圍內(nèi)工作的有效指標(biāo)。在工程上有實(shí)用價值。比例極限；彈性極限；上屈服 點(diǎn)；下屈服 點(diǎn)；抗拉強(qiáng)度；斷裂應(yīng)力；斷裂后的塑性應(yīng)變；彈性應(yīng)變圖 2 低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變圖（2）屈服階段 SK。 當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限到達(dá)鋸齒狀曲線時，示力盤上的主針暫停轉(zhuǎn)動或開始回轉(zhuǎn)并往復(fù)運(yùn)動，這時若試樣表面經(jīng)過磨光， 可看到表征晶體滑移的跡線，大約與試樣軸線成45方向。這種現(xiàn)象表征試樣在承受的拉力不繼續(xù)增加或稍微減少的情況下變形卻繼續(xù)伸長，稱為材料的屈服， 其應(yīng)力稱為屈

5、服點(diǎn)（屈服應(yīng)力）。示力盤的指針首次回轉(zhuǎn)前的最大力（Fsu 上屈服力）或不計(jì)初始瞬時效應(yīng)（不計(jì)載荷首次下降的最低點(diǎn)）時的最小力( FsL 下屈服力 ) ，分別所對應(yīng)的應(yīng)力為上、 下屈服點(diǎn)。 示力盤的主針回轉(zhuǎn)后所指示的最小載荷（第一次下降后的最小載荷） 即為屈服載荷 Fs。由于上屈服點(diǎn)受變形速度及試樣形狀等因素的影響， 而下屈服點(diǎn)則比較穩(wěn)定， 故工程中一般只定下屈服點(diǎn)。屈服應(yīng)力是衡量材料強(qiáng)度的一個重要指標(biāo)。（3）強(qiáng)化階段 KE。過了屈服階段以后，試樣材料因塑性變形其內(nèi)部晶體組織結(jié)構(gòu)重新得到了調(diào)整， 其抵抗變形的能力有所增強(qiáng)，隨著拉力的增加， 伸長變形也隨之增加，拉伸曲線繼續(xù)上升。KE曲線段稱為強(qiáng)化

6、階段，隨著塑性變形量的增大，材料的力學(xué)性能發(fā)生變化，即材料的變形抵抗力提高，塑性降低。在強(qiáng)化階段卸載， 彈性變形會隨之消失， 塑性變形將會永久保留下來。 強(qiáng)化階段的卸載路徑與彈性階段平行， 卸載后重新加載時， 加載線與彈性階段平行， 重新加載后，材料的比例極限明顯提高， 而塑性性能會相應(yīng)下降。 這種現(xiàn)象叫做形變硬化或冷作硬化。當(dāng)拉力增加，拉伸曲線到達(dá)頂點(diǎn) E 時，示力盤上的主針開始返回，而副針?biāo)傅淖畲罄?Fm，由此可求得材料的抗拉強(qiáng)度。 它也是材料強(qiáng)度性能的重要指標(biāo)。（4）局部變形階段 EG（頸縮和斷裂階段）。對于塑性材料來說，在承受拉力 Fm以前，試樣發(fā)生的變形各處基本上是均勻的。在達(dá)

7、到 Fm以后，變形主要集中于試樣的某一局部區(qū)域，該處橫截面面積急劇減小，這種現(xiàn)象即是“頸縮”現(xiàn)象，此時拉力隨著下降，直至試樣被拉斷，其斷口形狀呈碗狀，如圖3a）所示。試樣拉斷后， 彈性變形立即消失， 而塑性變形則保留在拉斷的試樣上。利用試樣標(biāo)距內(nèi)的塑性變形來計(jì)算材料的斷后延伸率A11.3 和斷面收縮率 Z。圖 3 拉伸試樣斷口形狀2. 鑄鐵試樣。做拉伸試驗(yàn)時，利用試驗(yàn)機(jī)的自動繪圖器繪出鑄鐵的拉伸曲線，如圖 4 示。在整個拉伸過程中變形很小，無屈服、頸縮現(xiàn)象，拉伸曲線無直線段，可以近似認(rèn)為經(jīng)彈性階段直接斷裂， 其斷口是平齊粗糙的。 如圖 3b 所示。圖 4 鑄鐵拉伸圖（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測量儀器1.

8、WE-300型液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)2. 游標(biāo)卡尺（四）實(shí)驗(yàn)步驟1. 根據(jù)試樣的形狀、尺寸和預(yù)計(jì)材料的抗拉強(qiáng)度來估算最大拉力，選擇合適的示力盤、擺錘和夾具。2. 在試樣的原始標(biāo)距長度 L0 范圍內(nèi)用劃線機(jī)等分 10 個分格點(diǎn)，并確定標(biāo)距的端點(diǎn)，以便觀察標(biāo)距范圍內(nèi)沿軸向變形的情況和試樣破壞后測定斷后延伸率。3. 根據(jù)國標(biāo) GB/T 2282002金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法中的規(guī)定，測定試樣原始橫截面積。 本次試驗(yàn)采用圓形試樣， 應(yīng)在標(biāo)距的兩端及中間處的兩個相互垂直的方向上各測一次橫截面直徑， 取其算術(shù)平均值， 選用三處測得的直徑最小值，并以此值計(jì)算橫截面面積。4. 將試樣一端夾于上鉗口， 快速調(diào)節(jié)萬能試

9、驗(yàn)機(jī)的夾頭位置， 將示力盤指針調(diào)零，并將自動繪圖裝置調(diào)好。然后，將試樣另一端夾于下鉗口，必須保持試樣垂直，并使試樣置入鉗口足夠的夾持長度。經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后即可開始試驗(yàn)。5. 加載試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中， 要求均勻緩慢地進(jìn)行加載。 對于低碳鋼試樣的拉伸試驗(yàn)，要注意觀察拉伸過程四個階段中的各種現(xiàn)象。 并記下屈服載荷 Fel 值，最大載荷 Fm值。對于鑄鐵試樣，只需測定其最大載荷 Fm值。試樣被拉斷后立即停機(jī)，并取下試樣。6. 對于拉斷后的低碳鋼試樣，要分別測量斷裂后的標(biāo)距 LU 和頸縮處的最小直徑 dU。按照國標(biāo) GB/T2282002 中的規(guī)定測定 LU時，將試樣斷裂后的兩段在斷口處緊密地對接起來，

10、 直接測量原標(biāo)距兩端的距離。 若斷口處到最鄰近標(biāo)距端點(diǎn)的距離小于 1/3L 0 時，則需要用“移位法”來計(jì)算 LU。其方法是：在長段上從拉斷處 O取基本等于短段格數(shù)得 B 點(diǎn)，接著取等于長段所余格數(shù) 偶數(shù)，圖 5（ a）的一半，得 C 點(diǎn)；或者取所余格數(shù) 奇數(shù)，圖 5（b） 分別減 1 與加 1 的一半，得 C 和 C1 點(diǎn)。移位后的 L1 分別為： AB+2BC或者 AB+BC+BC1。測定斷面收縮率時，在試樣頸縮最小處兩個相互垂直的方向上測量其直徑 d1 , 取其算術(shù)平均值作為 d1計(jì)算其斷面收縮率。(a)余格為偶數(shù)；(b)余格為奇數(shù)圖 5 用移位法確定斷后延伸率（五）實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理根據(jù)試驗(yàn)

11、測定數(shù)據(jù)，可分別計(jì)算材料的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)。1. 低碳鋼強(qiáng)度指標(biāo)：屈服強(qiáng)度：（1）抗拉強(qiáng)度：（2）塑性指標(biāo)：斷后延伸率：（3）斷后截面收縮率：（4）2. 鑄鐵強(qiáng)度指標(biāo)： 抗拉強(qiáng)度 :（5）3. 繪出拉伸過程中的 F L 曲線，對試驗(yàn)中的各種現(xiàn)象進(jìn)行分析比較。4、比較兩種材料拉伸力學(xué)行為的差異。（六）預(yù)習(xí)要求和思考題1. 預(yù)習(xí)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)和材料力學(xué)教材有關(guān)內(nèi)容，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蟆?. 實(shí)驗(yàn)時如何觀察低碳鋼的屈服點(diǎn)？測定時為何要對加載速度提出要求？3. 比較低碳鋼拉伸、鑄鐵拉伸的斷口形狀，分析其破壞的力學(xué)原因。二、高分子材料的拉伸實(shí)驗(yàn)（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 測定高分子材料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度和斷裂

12、伸長率，并繪制應(yīng)力- 應(yīng)變曲線；2. 觀察聚合物的拉伸特性；3. 掌握高聚物的靜載拉伸實(shí)驗(yàn)方法。（二）實(shí)驗(yàn)原理1. 應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線本實(shí)驗(yàn)是在一定的拉伸速度下， 于試樣上沿縱軸方向施加靜態(tài)拉伸載荷， 以測定塑料的力學(xué)性能。拉伸實(shí)驗(yàn)是最常用的一種力學(xué)實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)測定的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，可以得出評價材料性能的屈服強(qiáng)度（ 屈），斷裂強(qiáng)度（ 斷 ）和斷裂伸長率（ 斷 ）等表征參數(shù)，不同的聚合物，不同的測定條件，測得的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線是不同的。結(jié)晶性高聚物的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線分三個區(qū)域如圖所示。（1）OA段曲線的起始部分，近乎是條直線，試樣被均勻拉長，應(yīng)變很小，而應(yīng)力增加很快， 呈普彈變形， 是由

13、于分子的鍵長、 鍵角以及原子間距離的改變所引起的，其變形是可逆的，應(yīng)力與應(yīng)變之間服從虎克定律，即=E式中應(yīng)力， Mpa；應(yīng)變。 %；E 彈性模量， Mpa；A 為屈服點(diǎn)， A 點(diǎn)所對應(yīng)力叫屈服應(yīng)力（ 屈 ）或屈服強(qiáng)度。（2）BC段到達(dá)屈服點(diǎn) A 后，試樣突然在某處出現(xiàn)一個或幾個 “細(xì)頸” 現(xiàn)象，出現(xiàn)細(xì)頸部分的本質(zhì)是分子在該處發(fā)生了取向的結(jié)晶， 該處強(qiáng)度增大， 故拉伸時細(xì)頸不會再變細(xì)拉斷， 而是向兩端擴(kuò)展， 直至整個試樣完全變細(xì)為止， 此階段應(yīng)力幾乎不變，而變形卻增加很多。（3）CD段 被均勻拉細(xì)后的試樣，再度變細(xì)即分子進(jìn)一步取向，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增大，直到斷裂點(diǎn) D，試樣被拉斷，對于 D點(diǎn)的

14、應(yīng)力稱為強(qiáng)度極限，是工程上重要指標(biāo)，既抗拉伸強(qiáng)度或斷裂強(qiáng)度 斷 ，其計(jì)算公式如下： 斷=P/A0（Mpa）式中 P 最大破壞載荷， N；2A0試樣橫截面積，mm；斷裂點(diǎn) D，可能高于或者低于屈服點(diǎn)A。斷裂伸長率 斷是材料在斷裂時相對伸長斷 按下式計(jì)算： 斷=（L-L 0） /L 0 100%式中 L 0試樣標(biāo)線間距離， mm；L 試樣斷裂時標(biāo)線間距離， mm。2. 玻璃態(tài)高聚物拉伸時曲線發(fā)展的幾個階段（1）屈服前區(qū)曲線的起始部分近乎是條直線， 試樣被均勻拉長， 應(yīng)變很小， 而應(yīng)力增加很快，呈普彈形變，服從虎克定律 =E，應(yīng)力隨著應(yīng)變增加而上升，這是因?yàn)橥饬κ规I長鍵角以及原子間距離改變而使大分子

15、間存在的大量物理交聯(lián)點(diǎn)發(fā)生形變所致，當(dāng)外力解除后，這個形變可立即回復(fù)。（2）屈服區(qū)繼續(xù)拉伸，曲線開始變彎， 出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)為屈服點(diǎn)， 這時材料進(jìn)入了強(qiáng)迫高彈形變階段，外力使大分子鏈間舊有交聯(lián)點(diǎn)遭到破壞。（3）延伸區(qū)材料屈服以后，再被拉伸，從曲線上可以看出應(yīng)力基本不變，而形變很大，這是由于在外力作用下， 強(qiáng)迫大分子鏈運(yùn)動， 分子重新構(gòu)象， 而且運(yùn)動的范圍可以很大，大分子鏈沿外力作用方向可能被拉直。（4）增強(qiáng)區(qū)隨著拉伸過程的進(jìn)行，取向拉直的大分子鏈之間斷裂的 物理交聯(lián)點(diǎn)逐步增加，若使材料再伸長， 只有用更大的力才能使分子之間產(chǎn)生滑移， 致使形變應(yīng)力重新增加，曲線急轉(zhuǎn)向上，直至材料斷裂。3. 影響高聚物

16、機(jī)械強(qiáng)度的因素（1）大分子鏈的主價鏈，分子間力以及高分子鏈的柔性等，是決定高聚物機(jī)械強(qiáng)度的主要內(nèi)在因素。（2）在加工過程中所留下來的各種痕跡如成型制品表層及內(nèi)部冷卻速度不一致，表面先凝固， 內(nèi)部仍處于高熱狀態(tài)， 產(chǎn)生一種阻止表面形成完整表皮結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力，使得外表皮上出現(xiàn)許多龜裂，整個物體冷卻后，這些龜裂以裂縫、結(jié)構(gòu)不均勻的細(xì)紋、凹陷、真空泡等形式留在制品表面或內(nèi)層。此外，由于混料及塑化不均，以及引進(jìn)微小氣泡或各種雜質(zhì)等，這些隱患均成為制件強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)。（3）環(huán)境溫度、濕度及拉伸速度等對機(jī)械強(qiáng)度有著非常重要的影響，塑料是屬于高彈性材料， 它的力學(xué)松弛過程對拉伸速度和環(huán)境溫度非常敏感。升高溫度使

17、分子鏈段的熱運(yùn)動加強(qiáng)， 松弛過程進(jìn)行的較快， 拉伸時表現(xiàn)較大的變形和較低的強(qiáng)度；低速拉伸時，由于速度慢，外力作用持續(xù)的時間長，分子鏈來得及取向位移，進(jìn)行重排，所以，試樣表現(xiàn)出較大的變形和較低的強(qiáng)度，因此，降低拉伸速度和增加實(shí)驗(yàn)溫度的結(jié)果是等效的。（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試樣1. 電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)2. 游標(biāo)卡尺一把3. 試樣聚氯乙烯和聚丙烯，標(biāo)準(zhǔn)啞鈴試樣，表面平整，無氣泡、裂紋、分層、傷痕等缺陷。（四）實(shí)驗(yàn)步驟1. 熟悉電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)，操作規(guī)程和注意事項(xiàng)。2. 用游標(biāo)卡尺測量試樣的標(biāo)距、直徑。每個試樣測量三點(diǎn)，精確至 0.02mm，取平均值。3. 試驗(yàn)機(jī)預(yù)熱半小時。4. 正常聯(lián)機(jī)后，用上夾頭夾好試樣，設(shè)定好試驗(yàn)速度，清零。5. 用下夾頭夾好試樣， 使試樣縱軸與上、 下夾具中心連線重合， 且松緊要適宜，防止試樣滑脫或斷在夾