低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、低碳鋼拉伸試驗(yàn)報(bào)告材科1002班 任惠 41030096一、試驗(yàn)?zāi)康?、測定低碳鋼在退火、正火和淬火三種不同熱處理狀態(tài)下的強(qiáng)度與塑性性能2、測定低碳鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)和應(yīng)變硬化系數(shù)二、試驗(yàn)原理和要求 原理：低碳鋼材料的機(jī)械性能指標(biāo)是由拉伸破壞試驗(yàn)來確定的，拉伸過程有彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)階段。通過拉伸試驗(yàn)，可以確定材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率等性能指標(biāo)。而且可以通過Hollomon公式計(jì)算出材料的應(yīng)變硬化系數(shù)與應(yīng)變硬化指數(shù)。 要求：按照相關(guān)國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T228-2002：金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法）要求完成試驗(yàn)測量工作。三、試驗(yàn)材料與試樣 試驗(yàn)材料：退火低碳鋼、正火低

2、碳鋼、淬火低碳鋼的R4標(biāo)準(zhǔn)試樣各一個(gè)。試樣規(guī)格尺寸及公差要求如表1、表2所示；試樣示意圖如圖1所示： 圖 1 低碳鋼拉伸試樣示意圖表 1 R4試樣的規(guī)格尺寸 原始標(biāo)距Lo平行長度Lc截面原始直徑d過渡弧半徑r頭部直徑d50 mm60 mm10 mm8 mm20 mm表 2 R4試樣的橫向尺寸公差尺寸公差形狀公差±0.07 mm0.04 mm四、試驗(yàn)測試內(nèi)容與相關(guān)的測量工具、儀器、設(shè)備1.試驗(yàn)測試內(nèi)容(1) 直接測量的物理量：試樣的原始標(biāo)距L0、斷后標(biāo)距Lu、原始直徑d0、斷后直徑du。(2) 連續(xù)測量加載過程中的載荷P和試樣的伸長量L=L-L0數(shù)據(jù)。（由萬能材料試驗(yàn)機(jī)給出應(yīng)力-應(yīng)變曲

3、線） 2.測量工具、儀器、設(shè)備(1) 萬能材料試驗(yàn)機(jī)。其主要技術(shù)規(guī)格及參數(shù)如下：a. 最大試驗(yàn)力：200 kNb. 試驗(yàn)力準(zhǔn)確度：優(yōu)于示值的0.5%c. 力值測量范圍：最大試驗(yàn)力的0.4%-100%d. 變形測量準(zhǔn)確度：在引伸計(jì)滿量程的2%-100%范圍內(nèi)優(yōu)于示值的1%e. 橫梁位移測量：分辨率的0.001mm f. 橫梁速度范圍：0.005mm/min -500mm/min，無級，任意設(shè)定g. 夾具形式：標(biāo)準(zhǔn)楔形拉伸附具、壓縮附具、彎曲附具 (2) 游標(biāo)卡尺：精確度0.02 mm(3) 載荷傳感器：0.5級，是指載荷傳感器示值的最大相對誤差為±0.5%(4) 引伸計(jì)：標(biāo)距為50 m

4、m，0.5級，0.5級引伸計(jì)的標(biāo)距相對誤差為±0.5%(5) 劃線器：標(biāo)記應(yīng)準(zhǔn)確到±1%注：低碳鋼淬火后抗拉強(qiáng)度可達(dá)600MPa，而試樣直徑為10 mm，故最大試驗(yàn)力為：600 MPa×(10 mm/2)2=47.1 kN<200 kN，因此試驗(yàn)機(jī)加載能力滿足要求。五、試驗(yàn)步驟1 拿到試樣，給試樣標(biāo)號：1號、2號和3號；2 用游標(biāo)卡尺分別測量三個(gè)樣品的兩端和中間這三個(gè)位置上相互垂直方向的直徑d0，記錄數(shù)據(jù)，并對照R4標(biāo)準(zhǔn)試樣的橫向尺寸公差和形狀公差，看試樣是否滿足要求，若不符合，則換一個(gè)試樣重新測量；3 用劃線器在試樣上標(biāo)記試樣的原始標(biāo)距L0，標(biāo)記4條線，線

5、和線之間的距離是10mm+40mm+10mm；4 將引伸計(jì)固定在試樣的標(biāo)距之間，同時(shí)將試樣安裝卡緊至拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾頭之間，試驗(yàn)中用引伸計(jì)檢測試樣的變形量，載荷傳感器固定安置于試驗(yàn)機(jī)的下橫梁和下夾頭之間；5 設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，第一步，設(shè)置實(shí)驗(yàn)類型為拉伸試驗(yàn)，第二步，將載荷與位移的數(shù)值清零，第三步，選擇等位移的控制方法，設(shè)置試驗(yàn)機(jī)的拉伸速率為6 mm/min1，第四步，點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)開始”按鈕，啟動(dòng)測試過程，計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制出載荷-位移曲線，當(dāng)曲線趨于平緩時(shí)，摘除引伸計(jì)；6 繼續(xù)拉伸試驗(yàn)，觀察試樣出現(xiàn)頸縮直至斷裂，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停止，從試驗(yàn)機(jī)的夾頭之間取下試樣，觀察斷口形貌；7 再用游標(biāo)卡尺測量斷后標(biāo)距Lu2和

6、頸縮處最小直徑du3；8 重復(fù)以上步驟，測量不同熱處理狀態(tài)的試樣；9 根據(jù)測試結(jié)果，處理數(shù)據(jù)。注：1國標(biāo)規(guī)定，試樣平行長度的屈服期間應(yīng)變速率應(yīng)在0.00025/s0.0025/s，因?yàn)樵嚇悠叫虚L度為60 mm，60 mm×0.00025 /s×60 s=0.9 mm/min，60 mm×0.0025 /s×60 s=9 mm/min，即試樣被拉伸的速度范圍是0.9 mm/min9 mm/min，因此設(shè)定試驗(yàn)機(jī)的拉伸速率為6 mm/min符合要求。2要求斷后標(biāo)距的測量工具分辨率要優(yōu)于0.1 mm，準(zhǔn)確到±0.25 mm，因此可以用精度為0.02m

7、m的游標(biāo)卡尺測量多組數(shù)據(jù)，求均值和方差。3要求斷裂后最小橫截面積的測定應(yīng)準(zhǔn)確到±2%，因此可以測量多組數(shù)據(jù)求方差。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1.試樣原始尺寸測量表 3 試樣原始尺寸測量記錄表試樣標(biāo)號原始標(biāo)距L0/mm試樣的原始直徑d0/mm試樣原始面積S0/mm2上端測量中端測量下端測量一次二次平均值一次二次平均值一次二次平均值150.09.929.949.939.949.949.949.949.949.9477.44250.09.869.929.899.909.929.919.909.929.9176.82350.09.909.909.909.909.909.909.909.909.9076.9

8、8 根據(jù)規(guī)定，R4試樣的原始直徑d0應(yīng)該滿足尺寸公差要求9.93mmd010.07mm，但是由測量結(jié)果可以看出1、2、3號試樣均不滿足此要求。但是三個(gè)試樣的最大直徑和最小直徑之差均沒有超過0.04mm，滿足R4試樣的形狀公差要求。其中試樣原始橫截面積，d0取的是上端、中端和下端測量平均值中的最小值。2.試樣斷后尺寸測量表 4 試樣斷后尺寸測量記錄表試樣標(biāo)號測量內(nèi)容斷后測量值平均值斷后橫截面積Su/mm21斷后標(biāo)距Lu/mm68.6468.5068.5268.6468.6868.6668.6125.07斷后直徑du/mm5.665.645.652斷后標(biāo)距Lu/mm69.3069.2469.272

9、7.53斷后直徑du/mm5.905.925.945.905.925.925.923斷后標(biāo)距Lu/mm23.41斷后直徑du/mm5.505.425.46其中，(1) 1號試樣測量六組斷后標(biāo)距，故 =0.077mm<0.25mm因此測量的斷后標(biāo)距符合國標(biāo)精度要求。(2) 2號試樣測量六組斷后直徑，因此=0.015mm<0.02mm由于du的值小于游標(biāo)卡尺的測量精度，而斷后直徑是由游標(biāo)卡尺測得的，因此du至少要大于0.02mm故，因此測量的斷后直徑符合國標(biāo)精度要求。(3) 3號試樣由于斷口處離試樣一端太近，其塑性變形范圍已經(jīng)超過標(biāo)距線，因而無法得到其斷后伸長率A，故其斷后標(biāo)距不用測量

10、。3.由拉伸試驗(yàn)機(jī)得到的數(shù)據(jù)表 5 由試驗(yàn)機(jī)得到的1、2和3號試樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)試樣標(biāo)號屈服強(qiáng)度ReL或Rp0.2/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa修約前修約后修約前修約后1267.973270429.39254302287.289285446.25464453381.5423380568.3383570 1、2和3號試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2的(a)、(b)和(c)所示。其中由于3號試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線的屈服階段不明顯，故采用規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2來表征強(qiáng)度性能。其中拉伸試驗(yàn)性能測定結(jié)果數(shù)值的修約要求如表6所示。表 6 性能結(jié)果的數(shù)值修約間隔要求性能范圍修約間隔ReL，Rm200 MPa>200

11、1000 MPa>1000 MPa1 MPa5 MPa10 MPaA0.5%Z0.5% (a)1號試樣 (b)2號試樣 (c)3號試樣圖 2 1、2和3號試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1.強(qiáng)度性能強(qiáng)度性能可由屈服強(qiáng)度ReL(規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2)和抗拉強(qiáng)度表征，列于表5中。 2.塑性性能(1)斷后伸長率A斷后伸長率計(jì)算公式：1號試樣：，修約后A=37.0%2號試樣：，修約后A=38.5%3號試樣由于斷口處離試樣一端太近，其塑性變形范圍已經(jīng)超過標(biāo)距線，因而無法得到其斷后伸長率。(2) 斷面收縮率Z斷面收縮率計(jì)算公式：，其中，1號試樣：，修約后Z=67.5%2號試樣：，修約后Z=

12、64.0%3號試樣：，修約后Z=69.5%3.應(yīng)變硬化系數(shù)與應(yīng)變硬化指數(shù)在載荷-位移曲線的硬化階段取幾個(gè)點(diǎn)，可以求得：工程應(yīng)力，工程應(yīng)變已知真應(yīng)力S、真應(yīng)變e與工程應(yīng)力、工程應(yīng)變有以下關(guān)系：，由此導(dǎo)出Hollomon公式：，K為應(yīng)變硬化系數(shù)，n為應(yīng)變硬化指數(shù)。對公式取對數(shù)，得：。根據(jù)試驗(yàn)所得真應(yīng)力、真應(yīng)變數(shù)據(jù)做出曲線，則曲線的斜率即為應(yīng)變硬化指數(shù)n，曲線與軸的截距即為，由此得到應(yīng)變硬化系數(shù)K。1號試樣：根據(jù)1號試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖(圖2(a)，在均勻塑性變形階段取10個(gè)點(diǎn)，如表7所示。表 7 1號試樣塑性變形取點(diǎn)列表載荷/kN形變量L/mm工程應(yīng)力/MPa工程應(yīng)變真應(yīng)力S真應(yīng)變elnSlne2

13、4.1731.6293312.15 0.0326 322.32 0.0321 5.7756 -3.4399 25.6131.9769330.75 0.0395 343.82 0.0388 5.8401 -3.2499 26.7982.3255346.05 0.0465 362.14 0.0455 5.8920 -3.0909 28.162.8224363.64 0.0564 384.16 0.0549 5.9511 -2.9020 29.1983.3057377.04 0.0661 401.97 0.0640 5.9964 -2.7486 30.2423.9346390.52 0.0787 4

14、21.25 0.0757 6.0432 -2.5803 30.8954.4466398.95 0.0889 434.43 0.0852 6.0740 -2.4628 31.515.063406.90 0.1013 448.10 0.0965 6.1050 -2.3387 32.1375.9306414.99 0.1186 464.22 0.1121 6.1403 -2.1885 32.6216.9218421.24 0.1384 479.56 0.1297 6.1729 -2.0429 根據(jù)表7中的lnS和lne數(shù)據(jù)作圖并擬合，得到圖3。圖 3 1號試樣的lnS-lne關(guān)系曲線及擬合直線擬合直

15、線方程為：lnS=0.2846lne+6.7688，線性相關(guān)系數(shù)R=0.9976因此，應(yīng)變硬化指數(shù)n=0.2846；lnK=6.7688，應(yīng)變硬化系數(shù)K=e6.7688=870MPa2號試樣：根據(jù)2號試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖(圖2(b)，在均勻塑性變形階段取10個(gè)點(diǎn)，如表8所示。表 8 2號試樣塑性變形取點(diǎn)列表載荷/kN形變量L/mm工程應(yīng)力/MPa工程應(yīng)變真應(yīng)力S真應(yīng)變elnSlne25.180 1.6234325.15 0.0325 335.71 0.0320 5.8163 -3.4435 26.831 2.0159346.47 0.0403 360.44 0.0395 5.8873 -3.2

16、308 27.933 2.3421360.71 0.0468 377.60 0.0458 5.9338 -3.0840 29.367 2.8714379.22 0.0574 401.00 0.0558 5.9940 -2.8853 30.539 3.4381394.36 0.0688 421.47 0.0665 6.0438 -2.7105 31.468 4.0284406.35 0.0806 439.09 0.0775 6.0847 -2.5576 32.233 4.6724416.23 0.0934 455.13 0.0893 6.1206 -2.4154 32.640 5.1061421

17、.49 0.1021 464.53 0.0972 6.1410 -2.3306 33.327 6.109430.36 0.1222 482.94 0.1153 6.1799 -2.1605 33.819 7.269436.71 0.1454 500.20 0.1357 6.2150 -1.9970 根據(jù)表8中的lnS和lne數(shù)據(jù)作圖并擬合，得到圖4。圖 4 2號試樣的lnS-lne關(guān)系曲線及擬合直線擬合直線方程為：lnS=0.2758lne+6.7811，線性相關(guān)系數(shù)R=0.9974因此，應(yīng)變硬化指數(shù)n=0.2758；lnK=6.7811，應(yīng)變硬化系數(shù)K=e6.7811=881MPa3號試樣：

18、根據(jù)3號試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖(圖2(c)，在均勻塑性變形階段取10個(gè)點(diǎn)，如表9所示。表 9 3號試樣塑性變形取點(diǎn)列表載荷/kN形變量L/mm工程應(yīng)力/MPa工程應(yīng)變真應(yīng)力S真應(yīng)變elnSlne32.5990.8364420.96 0.0167 428.00 0.0166 6.0591 -4.0990 34.0271.0258439.40 0.0205 448.41 0.0203 6.1057 -3.8967 35.9931.3366464.79 0.0267 477.21 0.0264 6.1680 -3.6351 37.5021.6286484.27 0.0326 500.05 0.0321

19、 6.2147 -3.4404 39.1182.0184505.14 0.0404 525.53 0.0396 6.2644 -3.2296 40.3252.4006520.73 0.0480 545.73 0.0469 6.3021 -3.0598 41.5092.9081536.01 0.0582 567.19 0.0565 6.3407 -2.8729 42.3863.4458547.34 0.0689 585.06 0.0666 6.3717 -2.7084 42.900 3.8883553.98 0.0778 597.06 0.0749 6.3920 -2.5917 43.4954.

20、7364561.66 0.0947 614.87 0.0905 6.4214 -2.4023 根據(jù)表9中的lnS和lne數(shù)據(jù)作圖并擬合，得到圖5。圖 5 3號試樣的lnS-lne關(guān)系曲線及擬合直線擬合直線方程為：lnS=0.2177lne+6.9594，線性相關(guān)系數(shù)R=0.9981因此，應(yīng)變硬化指數(shù)n=0.2177；lnK=6.9594，應(yīng)變硬化系數(shù)K=e6.9594=1053MPa八、實(shí)驗(yàn)結(jié)論三個(gè)試樣的強(qiáng)度和塑性性能指標(biāo)及熱處理工藝如表10所示。表10 三個(gè)試樣的性能指標(biāo)及熱處理工藝一覽表試樣標(biāo)號強(qiáng)度性能塑性性能形變強(qiáng)化性能熱處理工藝屈服強(qiáng)度ReL/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa斷后伸長率A斷面

21、收縮率Z應(yīng)變硬化指數(shù)n應(yīng)變硬化系數(shù)K/MPa127043037.0%67.5%0.2846870退火228544538.5%64.0%0.2758881正火338057069.5%0.21771053淬火注：其中3號試樣的屈服強(qiáng)度值指的是規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2九、誤差分析1.下屈服強(qiáng)度ReL由于，因此因?yàn)樵囼?yàn)機(jī)的試驗(yàn)力準(zhǔn)確度優(yōu)于示值的0.5%，故又游標(biāo)卡尺的精確度為0.02mm，故d0=0.02mm所以1號試樣：2號試樣：3號試樣：所以可知，國標(biāo)規(guī)定屈服強(qiáng)度在200N/mm21000N/mm2范圍內(nèi)時(shí)修約間隔為5N/mm2是合理的。 2.抗拉強(qiáng)度Rm由于，因此因?yàn)樵囼?yàn)機(jī)的試驗(yàn)力準(zhǔn)確度優(yōu)于

22、示值的0.5%，故又游標(biāo)卡尺的精確度為0.02mm，故d0=0.02mm所以1號試樣：2號試樣：3號試樣：由計(jì)算結(jié)果可以看出，3號試樣抗拉強(qiáng)度的相對誤差5.14MPa略超出了國標(biāo)規(guī)定的5N/mm2的修約間隔，說明5N/mm2的修約間隔不太合理。3.斷后伸長率A由于，因此因?yàn)閯澗€器精度為1%，故以1號試樣測得的六組斷后標(biāo)距Lu=0.077mm為準(zhǔn)，另外兩個(gè)試樣沿用該數(shù)據(jù)所以1號試樣：2號試樣：數(shù)據(jù)表明，實(shí)驗(yàn)誤差超過了斷后伸長率的修約間隔0.5%，原因是本次試驗(yàn)采用了劃線器的精度1%，并沒有對原始標(biāo)距進(jìn)行多次測量求方差，如果多次測量，則原始標(biāo)距的相對誤差約為0.1%，比1%小許多，斷后伸長率誤差可

23、以滿足國標(biāo)要求，因此國標(biāo)要求修約間隔0.5%是合理的。4.斷面收縮率Z由于，因此又游標(biāo)卡尺的精確度為0.02mm，故d0=0.02mm以2號試樣測得的六組斷后直徑du=0.025mm為準(zhǔn)，另外兩個(gè)試樣沿用該數(shù)據(jù)所以1號試樣：2號試樣：3號試樣：數(shù)據(jù)表明，斷面收縮率的實(shí)驗(yàn)誤差在國標(biāo)規(guī)定的修約間隔0.5%范圍之內(nèi)，所以斷面收縮率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足國標(biāo)要求。十、討論總結(jié)1. 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，淬火低碳鋼的冷卻速率最快，強(qiáng)度最高，塑性最差，應(yīng)變硬化指數(shù)最低，應(yīng)變硬化系數(shù)最大，特點(diǎn)：硬度大，適合對硬度有特殊要求的部件；退火低碳鋼的冷卻速率最慢，試樣強(qiáng)度最小，塑性最好，應(yīng)變硬化指數(shù)最高，應(yīng)變硬化系數(shù)最低，特

24、點(diǎn)：退火可以降低硬度，使材料便于切削加工，并使鋼的晶粒細(xì)化，消除應(yīng)力；正火低碳鋼的冷卻速率介于淬火和退火之間，試樣強(qiáng)度、塑性和應(yīng)變硬化指數(shù)、應(yīng)變硬化系數(shù)也介于淬火和退火之間，特點(diǎn)：許多碳素鋼和合金鋼正火后，各項(xiàng)機(jī)械性能均較好，可以細(xì)化晶粒。2. 塑性性能指標(biāo)有斷后伸長率和斷面收縮率兩個(gè)，從斷面收縮率判斷，淬火低碳鋼的塑性是最好的，這與實(shí)際不符。由于淬火低碳鋼試樣斷口靠近標(biāo)距，所以其斷后伸長率無效，但是可以測得其斷后標(biāo)距約為62.64mm，此時(shí)斷后伸長率為25.28%，其真實(shí)的斷后伸長率一定比25%要大一些，而退火和正火試樣的斷后伸長率在37%附近，遠(yuǎn)大于淬火低碳鋼，所以從斷后伸長率判斷，淬火低

25、碳鋼的塑性最差。由此看出，判斷材料的塑性性能，不能只看斷面收縮率，而要與斷后伸長率相結(jié)合，才能準(zhǔn)確判斷。3. 根據(jù)規(guī)定，R4試樣的原始直徑d0應(yīng)該滿足尺寸公差要求9.93mmd010.07mm,但是由測量結(jié)果可以看出1、2、3號試樣均不滿足此要求。但是三個(gè)試樣的最大直徑和最小直徑之差均沒有超過0.04mm，滿足R4試樣的形狀公差要求。嚴(yán)格來說，標(biāo)準(zhǔn)樣必須同時(shí)滿足尺寸要求和公差要求，否則不可以用于實(shí)驗(yàn)。但本試驗(yàn)是教學(xué)目的，是為了通過試驗(yàn)了解同種材料不同熱處理工藝帶來的材料性能的變化，因此試樣就直接用于試驗(yàn)了。4. 在實(shí)驗(yàn)過程中，3號淬火處理的低碳鋼的斷口在靠近試樣標(biāo)距端部的地方，塑性變形在標(biāo)距之外，致使無法獲得有效的斷后伸長率數(shù)據(jù)，但是可以獲得有效的截面收縮率，其強(qiáng)度性能也同樣有效。這是因?yàn)榇慊鹛幚淼牡吞间搹?qiáng)度雖然比較高，同時(shí)硬度也隨之升高，相比退火態(tài)就顯得比較脆，