金屬拉伸實驗報告

1、金屬拉伸實驗報告 【實驗?zāi)康摹?、測定低碳鋼的屈服強度REh 、ReL及Re 、抗拉強度Rm 、斷后伸長率A和斷面收縮率Z 。2、測定鑄鐵的抗拉強度Rm和斷后伸長率A。3、觀察并分析兩種材料在拉伸過程中的各種現(xiàn)象（包括屈服、強化、冷作硬化和頸縮等現(xiàn)象），并繪制拉伸圖。4、比較低碳鋼（塑性材料）與鑄鐵（脆性材料）拉伸機械性能的特點。【實驗設(shè)備和器材】 1、電子萬能試驗機WD-200B型2、游標(biāo)卡尺3、電子引伸計【實驗原理概述】   為了便于比較實驗結(jié)果，按國家標(biāo)準(zhǔn) GB22876中的有關(guān)規(guī)定,實驗材料要按上述標(biāo)準(zhǔn)做成比例試件,即：   

2、 圓形截面試件： L0 =10d0 (長試件)    式中: L0 -試件的初始計算長度(即試件的標(biāo)距);    -試件的初始截面面積;    d0 -試件在標(biāo)距內(nèi)的初始直徑    實驗室里使用的金屬拉伸試件通常制成標(biāo)準(zhǔn)圓形截面試件,如圖1所示  圖1拉伸試件將試樣安裝在試驗機的夾頭中，然后開動試驗機，使試樣受到緩慢增加的拉力（應(yīng)根據(jù)材料性能和試驗?zāi)康拇_定拉伸速度），直到拉斷為止，并利用試驗機的自動繪圖裝置繪出材料的拉伸圖（圖22所示）

3、。應(yīng)當(dāng)指出，試驗機自動繪圖裝置繪出的拉伸變形L主要是整個試樣（不只是標(biāo)距部分）的伸長，還包括機器的彈性變形和試樣在夾頭中的滑動等因素。由于試樣開始受力時，頭部在夾頭內(nèi)的滑動（a）低碳鋼拉伸曲線圖 （b）鑄鐵拉伸曲線圖圖22 由試驗機繪圖裝置繪出的拉伸曲線圖較大，故繪出的拉伸圖最初一段是曲線。1、低碳鋼（典型的塑性材料）當(dāng)拉力較小時，試樣伸長量與力成正比增加，保持直線關(guān)系，拉力超過FP后拉伸曲線將由直變曲。保持直線關(guān)系的最大拉力就是材料比例極限的力值FP 。在FP的上方附近有一點是Fc，若拉力小于Fc而卸載時，卸載后試樣立刻恢復(fù)原狀，若拉力大于Fc后再卸載，則試件只能部分恢復(fù)，保留的殘余變形即為

4、塑性變形，因而Fc是代表材料彈性極限的力值。圖23 低碳鋼的冷作硬化當(dāng)拉力增加到一定程度時，試驗機的示力指針（主動針）開始擺動或停止不動，拉伸圖上出現(xiàn)鋸齒狀或平臺，這說明此時試樣所受的拉力幾乎不變但變形卻在繼續(xù)，這種現(xiàn)象稱為材料的屈服。低碳鋼的屈服階段常呈鋸齒狀，其上屈服點B受變形速度及試樣形式等因素的影響較大，而下屈服點B則比較穩(wěn)定（因此工程上常以其下屈服點B所對應(yīng)的力值FeL作為材料屈服時的力值）。確定屈服力值時，必須注意觀察讀數(shù)表盤上測力指針的轉(zhuǎn)動情況，讀取測力度盤指針首次回轉(zhuǎn)前指示的最大力FeH（上屈服荷載）和不計初瞬時效應(yīng)時屈服階段中的最小力FeL（下屈服荷載）或首次停止轉(zhuǎn)動指示的恒

5、定力FeL（下屈服荷載），將其分別除以試樣的原始橫截面積（S0）便可得到上屈服強度ReH和下屈服強度ReL。即ReH= FeH/S0 ReL = FeL/S0屈服階段過后，雖然變形仍繼續(xù)增大，但力值也隨之增加，拉伸曲線又繼續(xù)上升，這說明材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱為材料的強化。在強化階段內(nèi)，試樣的變形主要是塑性變形，比彈性階段內(nèi)試樣的變形大得多，在達到最大力Fm之前，試樣標(biāo)距范圍內(nèi)的變形是均勻的，拉伸曲線是一段平緩上升的曲線，這時可明顯地看到整個試樣的橫向尺寸在縮小。此最大力Fm為材料的抗拉強度力值，由公式Rm=Fm/S0 即可得到材料的抗拉強度Rm。如果在材料的強化階段內(nèi)卸載后再加

6、載，直到試樣拉斷，則所得到的曲線如圖23所示。卸載時曲線并不沿原拉伸曲線卸回，而是沿近乎平行于彈性階段的直線卸回，這說明卸載前試樣中除了有塑性變形外，還有一部分彈性變形；卸載后再繼續(xù)加載，曲線幾乎沿卸載路徑變化，然后繼續(xù)強化變形，就像沒有卸載一樣，這種現(xiàn)象稱為材料的冷作硬化。顯然，冷作硬化提高了材料的比例極限和屈服極限，但材料的塑性卻相應(yīng)降低。當(dāng)荷載達到最大力Fm后，示力指針由最大力Fm緩慢回轉(zhuǎn)時，試樣上某一部位開始產(chǎn)生局部伸長和頸縮，在頸縮發(fā)生部位，橫截面面積急劇縮小，繼續(xù)拉伸所需的力也迅速減小，拉伸曲線開始下降，直至試樣斷裂。此時通過測量試樣斷裂后的標(biāo)距長度Lu和斷口處最小直徑du，計算斷

7、后最小截面積（Su），由計算公式 、 即可得到試樣的斷后伸長率A和斷面收縮率Z。2、鑄鐵（典型的脆性材料）脆性材料是指斷后伸長率A5 的材料，其從開始承受拉力直至試樣被拉斷，變形都很小。而且，大多數(shù)脆性材料在拉伸時的應(yīng)力應(yīng)變曲線上都沒有明顯的直線段，幾乎沒有塑性變形，也不會出現(xiàn)屈服和頸縮等現(xiàn)象（如圖22b所示），只有斷裂時的應(yīng)力值強度極限。鑄鐵試樣在承受拉力、變形極小時，就達到最大力Fm而突然發(fā)生斷裂，其抗拉強度也遠(yuǎn)小于低碳鋼的抗拉強度。同樣，由公式Rm=Fm/S0 即可得到其抗拉強度Rm，而由公式 則可求得其斷后伸長率A?！緦嶒灢襟E】一、低碳鋼拉伸試驗1、試樣準(zhǔn)備：為了便于觀察標(biāo)距范圍內(nèi)沿軸

8、向的變形情況，用試樣分劃器或標(biāo)距儀在試樣標(biāo)距L0 范圍內(nèi)每隔5 mm刻劃一標(biāo)記點（注意標(biāo)記刻劃不應(yīng)影響試樣斷裂），將試樣的標(biāo)距段分成十等份。 用游標(biāo)卡尺測量標(biāo)距兩端和中間三個橫截面處的直徑，在每一橫截面處沿相互垂直的兩個方向各測一次取其平均值，用三個平均值中最小者計算試樣的原始橫截面積S0（計算時S0應(yīng)至少保留四位有效數(shù)字）。2、試驗機準(zhǔn)備：根據(jù)低碳鋼的抗拉強度Rm和試樣的原始橫截面積S0估計試驗所需的最大荷載，并據(jù)此選擇合適的量程，配上相應(yīng)的砝碼砣，做好試驗機的調(diào)零（注意：應(yīng)消除試驗機工作平臺的自重）、安裝繪圖紙筆等準(zhǔn)備工作。3、裝夾試樣：先將試樣安裝在試驗機的上夾頭內(nèi)，再移動試驗機的下夾頭

9、（或工作平臺、或試驗機橫梁）使其達到適當(dāng)位置，并把試樣下端夾緊（注意：應(yīng)盡量將試樣的夾持段全部夾在夾頭內(nèi)，并且上下要對稱。完成此步操作時切忌在裝夾試樣時對試樣加上了荷載）。4、裝載電子引伸計：將電子引伸計裝載在低碳鋼試樣上，注意電子引伸計要在比例極限處卸載。5、進行試驗：開動試驗機使之緩慢勻速加載（依據(jù)規(guī)范要求，在屈服前以660 MPa/s的速率加載），并注意觀察示力指針的轉(zhuǎn)動、自動繪圖的情況和相應(yīng)的試驗現(xiàn)象。當(dāng)主動針不動或倒退時說明材料開始屈服，記錄上屈服點FeH（主動針首次回轉(zhuǎn)前的最大力）和下屈服點FeL（屈服過程中不計初始瞬時效應(yīng)時的最小力或主動針首次停止轉(zhuǎn)動的恒定力），具體情況如圖24

10、所示（說明：前所給出的加載速率是國標(biāo)中規(guī)定的測定上屈服點時應(yīng)采用的速率，在測定下屈服點時，平行長度內(nèi)的應(yīng)變速率應(yīng)在0.000250.0025s之間，并應(yīng)盡可能保持恒定。如果不能直接控制這一速率，則應(yīng)固定屈服開始前的應(yīng)力速率直至屈服階段完成）。圖24 屈服荷載的確定根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，材料屈服過后，試驗機的速率應(yīng)使試樣平行長度內(nèi)的應(yīng)變速率不超過0.008/s。在此條件下繼續(xù)加載，并注意觀察主動針的轉(zhuǎn)動、自動繪圖的情況和相應(yīng)的試驗現(xiàn)象（強化、冷作硬化和頸縮等現(xiàn)象在強化階段的任一位置卸載后再加載進行冷作硬化現(xiàn)象的觀察；此后，待主動針再次停止轉(zhuǎn)動而緩慢回轉(zhuǎn)時，材料進入頸縮階段，注意觀察試樣的頸縮現(xiàn)象），直至

11、試樣斷裂停車。記錄所加的最大荷載Fm（從動針最后停留的位置）。6、試樣斷后尺寸測定：取出試樣斷體，觀察斷口情況和位置。將試樣在斷裂處緊密對接在一起，并盡量使其軸線處于同一直線上，測量斷后標(biāo)距Lu和頸處的最小直徑du（應(yīng)沿相互垂直的兩個方向各測一次取其平均值），計算斷后最小橫截面積Su。圖25 移位法測量Lu注意：在測定Lu時，若斷口到最臨近標(biāo)距端點的距離不小于1/3L0，則直接測量標(biāo)距兩端點的距離；若斷口到最臨近標(biāo)距端點的距離小于1/3L0，則按圖25所示的移位法測定：符合圖（a）情況的，Lu=AC+BC，符合圖（b）情況的，Lu=AC1+BC；若斷口非?？拷嚇觾啥?，而其到最臨近標(biāo)距端點的距

12、離還不足兩等份，且測得的斷后伸長率小于規(guī)定值，則試驗結(jié)果無效，必須重做。此時應(yīng)檢查試樣的質(zhì)量和夾具的工作狀況，以判斷是否屬于偶然情況。7、歸整實驗設(shè)備：取下繪記錄圖紙，請教師檢查試驗記錄，經(jīng)認(rèn)可后清理試驗現(xiàn)場和所用儀器設(shè)備，并將所用的儀器設(shè)備全部恢復(fù)原狀。二、鑄鐵拉伸試驗1、測量試樣原始尺寸：測量方法要求同前，但只用快干墨水或帶色涂料標(biāo)出兩標(biāo)距端點，不用等分標(biāo)距段。2、試驗機準(zhǔn)備：（要求同前）。3、安裝試樣：（方法同前）。 4、檢查試驗機工作是否正常：（檢查同前，但勿需試車）。5、進行試驗：開動試驗機，保持試驗機兩夾頭在力作用下的分離速率使試樣平行長度內(nèi)的應(yīng)變速率不超過0.008/s的條件下對

13、試樣進行緩慢加載，直至試樣斷裂為止。停機并記錄最大力Fm。6、試樣斷后尺寸測定：取出試樣斷體，觀察斷口情況。然后將試樣在斷裂處緊密對接在一起，并盡量使其軸線處于同一直線上，測量試樣斷后標(biāo)距Lu（直接用游標(biāo)卡尺測量標(biāo)距兩端點的距離）。7、歸整實驗設(shè)備：取下繪記錄圖紙，請教師檢查試驗記錄，經(jīng)認(rèn)可后清理試驗現(xiàn)場和所用儀器設(shè)備，并將所使用的儀器設(shè)備全部復(fù)原。8、結(jié)束試驗【實驗記錄】表21、試樣原始尺寸材 料標(biāo) 距L0/mm直 徑 d0/mm原始橫截面面積 S0/mm2截面I截面II截面III12平均12平均12平均低碳鋼100.010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.001

14、0.0010.0078.54鑄 鐵100.010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0010.0078.54 表22、試驗數(shù)據(jù)記錄 單位：KN材 料上屈服荷載FeH下屈服荷載FeL屈服荷載Fe最大荷載 Fm低 碳 鋼28.5625.9925.9935.87鑄 鐵13.21表23、試樣斷后尺寸材 料標(biāo) 距Lu/mm斷后伸長LuL0/mm 斷后縮頸處最小直徑du/mm斷后最小橫截面積Su/mm212平均低碳鋼100.024.165.7005.7005.70025.52鑄 鐵100.010.06【數(shù)據(jù)處理】由實驗報告機提供的實驗數(shù)據(jù)，有低碳鋼和鑄鐵上屈服強度，下屈

15、服強度，抗拉強度，計算公式如下：低碳鋼的上屈服強度： ReH=FeHA=28.56×10378.54×10-6=0.3636GPa低碳鋼的下屈服強度： ReL=FeLA=25.99×10378.54×10-6=0.3309GPa低碳鋼的抗拉強度： Rm=FmA=35.87×10378.54×10-6=0.4567GPa低碳鋼的斷后伸長率： =L1-L0L0×100%=24.16100.00×100%=24.16%低碳鋼的斷面收縮率： =A0-A1A0×100%=78.54-25.5278.54×

16、100%=67.51%鑄鐵的抗拉強度： Rm=FmA=13.21×10378.54×10-6=0.1682GPa鑄鐵的斷后伸長率： =L1-L0L0×100%=10.06100.00×100%=10.06%低碳鋼的端口發(fā)生在第五格和第六格之間，符合實驗要求故實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果如下表：材 料上屈服強度ReH/GPa下屈服強度ReL/GPa抗拉強度Rm/GPa斷后伸長率/斷面收縮率/低碳鋼0.36360.33090.456724.1667.51鑄 鐵0.168210.06繪制-簡圖以及端口形狀斷口形狀：【實驗討論】1、什么叫比例試樣？它應(yīng)滿足什么條件？國家為什

17、么要對試樣的形狀、尺寸、公差和表面粗糙度等做出相應(yīng)的規(guī)定？答：拉力試件分為比例試件和非比例試件。比例試件的標(biāo)距長度與橫截面積之間具有如下關(guān)系：L0=kA，常數(shù)k通常為5.65和11.3，前者稱為短試件，后者稱為長試件。所以，長試件滿足L0=10d0，短試件滿足L0=5d0。因為，試件的形狀、尺寸、公差和表面粗糙度（不同），會對試驗數(shù)據(jù)（結(jié)果）產(chǎn)生影響的，因此要做出規(guī)定的，使得檢測結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化。2、參考試驗機自動繪圖儀繪出的拉伸圖，分析低碳鋼試樣從加力至斷裂的過程可分為哪幾個階段？相應(yīng)于每一階段的拉伸曲線各有什么特點？答：主要分四個階段。第一個階段為彈性階段，即，在拉伸的初始階段，拉伸與壓縮滿足正

18、比例關(guān)系，這一段的拉伸曲線為直線。在這個階段卸除載荷，材料可以恢復(fù)變形。第二階段為屈服階段，在應(yīng)力增加到某一個值的時候，應(yīng)變有非常明顯的增大，在曲線上表示為接近水平線的小鋸齒狀折線。第三階段為強化階段，即，過屈服階段后，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形必須增大拉力，在曲線上表示為緩慢上漲的弧線。第四階段為局部變形階段，此時在試樣的某一局部范圍發(fā)生橫截面積迅速減小的現(xiàn)象，此時拉力減小，曲線表示為迅速下降，直至試樣被拉斷，無拉力作用。3、為什么不顧試樣斷口的明顯縮小，仍以原始截面積S0計算低碳鋼的抗拉強度Rm呢？答：因為要算的是抗拉強度?？s小的斷口處，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與初始的材料已經(jīng)完全不同了，是不能用以表證原材質(zhì)的。樣品的斷口要縮小，同樣的材料在相同的情況下也應(yīng)該縮小。這個抗拉強度是用來給實際使用提供依據(jù)的，所以應(yīng)該按照原尺寸進行計算。4、有材料和直徑均相同的長試樣和短試樣各一個，用它們測得的斷后伸長率、斷面收縮率、下屈服強度和抗拉強度是否基本相同？為什么？答：材料成分相同，內(nèi)部組織相同，只有長短不同的話，得出來的數(shù)據(jù)應(yīng)該基本相同，因為伸長率和斷面收縮率這兩個量是表征材料的本質(zhì)屬性，前面的成分組織一樣，后面的數(shù)據(jù)也應(yīng)該是一樣的。 只不過，在實際試驗的過程中，由于材料均質(zhì)以及夾持位置對試驗結(jié)果的影響，