材料力學低碳鋼拉伸實驗指導書

1、1 低碳鋼拉伸實驗一、實驗目的1了解材料拉伸時力與變形的關系，觀察試件破壞現(xiàn)象。2測定強度數(shù)據(jù)，如屈服點，抗拉強度。3測定塑性材料的塑性指標：拉伸時的伸長率，截面收縮率。二、實驗原理進行拉伸實驗時，外力必須通過試樣軸線，以確保材料處于單向應力狀態(tài)。實驗機具有自動繪圖裝置，用以記錄試樣的拉伸圖（即F-L曲線），形象地體現(xiàn)了材料變形特點以及各階段受力和變形的關系。但是F-L曲線的定量關系不僅取決于材質(zhì)而且受試樣幾何尺寸的影響。因此，拉伸圖往往用名義應力、應變曲線（即-曲線）來表示： 試樣的名義應力 試樣的名義應變A0和L0分別代表初始條件下的面積和標距。-曲線與F-L曲線相似，但消除了幾何尺寸的影

2、響。因此，可以代表材料的屬性。單向拉伸條件下的一些材料的機械性能指標就是在曲線上定義的。如果實驗能提供一條精確的拉伸圖，那么單向拉伸條件下的主要力學性能指標就可精確地測定。不同性質(zhì)的材料拉伸過程也不同，其曲線會存在很大差異。低碳鋼和鑄鐵是性質(zhì)截然不同的兩種典型材料，它們的拉伸曲線在工程材料中十分典型，掌握它們的拉伸過程和破壞特點有助于正確、合理地認識和選用材料。低碳鋼具有良好的塑性，由曲線（圖1.1)可以看出，低碳鋼斷裂前明顯地分成四個階段：（1）彈性階段（OA）：試件的變形是彈性的。在這個范圍內(nèi)卸載，試樣仍恢復原來的尺寸，沒有任何殘余變形。習慣上認為材料在彈性范圍內(nèi)服從胡克定律，其應力、應變

3、為正比關系，即 （1-1）比例系數(shù)E代表直線OA的斜率，稱作材料的彈性模量。（2）屈服（流動）階段（BC）：曲線上出現(xiàn)明顯的屈服點。這表明材料暫時喪失抵抗繼續(xù)變形的能力。這時，應力基本上不變化，而應變快速增長。通常把下屈服點（B）作為材料屈服極限。是材料開始進入塑性的標志。結(jié)構、零件的應力一旦超過，材料就會屈服，零件就會因為過量變形而失效。因此強度設計時常以屈服極限作為確定許可應力的基礎。從屈服階段開始，材料的變形包含彈性和塑性兩部分。如果試樣表面光滑，材料雜質(zhì)含量少，可以清楚地看到表面有45°方向的滑移線。0 LFeLBDgFm0 0 peLBDgb F E C 鑄鐵 LeL（a）

4、 （b） （c）圖1.1 試件拉伸圖（3）強化階段（CD）：屈服階段結(jié)束后，-曲線又開始上升，材料恢復了對繼續(xù)變形的抵抗能力，載荷就必須不斷增長。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下來。強化階段的卸載路徑與彈性階段平行。卸載后若重新加載，加載線仍與彈性階段平行，但重新加載后，材料的彈性階段加長、屈服強度明顯提高，而塑性卻相應下降。這種現(xiàn)象稱作為形變強化或冷作硬化。冷作硬化是金屬材料極為寶貴的性質(zhì)之一。塑性變形和形變強化二者聯(lián)合，是強化金屬材料的重要手段。例如噴丸，擠壓，冷撥等工藝，就是利用材料的冷作硬化來提高材料強度的。強化階段的塑性變形是沿軸向均勻分布的。隨塑性變形

5、的增長，試樣表面的滑移線亦愈趨明顯。D點是-曲線的最高點，定義為材料的強度極限又稱作材料的抗拉強度記作。對低碳鋼來說是材料均勻塑性變形的最大抗力，也是材料進入頸縮階段的標志。 （4）頸縮階段（DE）：應力達到強度極限后，塑性變形開始在局部進行。局部截面急劇收縮，承載面積迅速減少，試樣承受的載荷很快下降，直到斷裂。斷裂時，試樣的彈性變形消失，塑性變形則遺留在破斷的試樣上。材料的塑性通常用試樣斷裂后的殘余變形來衡量，單拉時的塑性指標用斷后伸長率和斷面收縮率來表示。即 （1-2） （1-3）式中：L，A分別代表試樣拉斷后的標距和斷口的面積。低碳鋼頸縮部分的變形在總變形中占很大比重，如圖1-2所示。測

6、試斷后伸長率時，頸縮局部及其影響區(qū)的塑性變形都應包含在L之內(nèi)。這就要求斷口位置應在標距的中央附近。若斷口落在標距之外則實驗無效。當斷口非常靠近試件兩端，而與其頭部之距離等于或小于直徑的兩倍時，一般認為實驗結(jié)果無效，需要重新實驗。 工程上通常認為，材料的斷后伸長率> 5%屬于韌斷，< 5%則屬于脆斷。韌斷的特征是斷裂前有較大的宏觀塑性變形，斷口形貌是暗灰色纖維狀組織。低碳鋼斷裂時有很大的塑性變形，斷口為杯狀周邊為45°的剪切唇，斷口組織為暗灰色纖維狀，因此是一種典型的韌狀斷口。鑄鐵是典型的脆性材料，其拉伸曲線如圖1-1（c）所示。其拉伸過程較低碳鋼簡單，可近似認為是經(jīng)彈性階

7、段直接過渡到斷裂。其破壞斷口沿橫截面方向，說明鑄鐵的斷裂是由拉應力引起，其強度指標只有b。由拉伸曲線可見，鑄鐵斷后伸長率甚小，所以鑄鐵常在沒有任何預兆的情況下突然發(fā)生脆斷。因此這類材料若使用不當，極易發(fā)生事故。鑄鐵斷口與正應力方向垂直，斷面平齊，為閃光的結(jié)晶狀組織，是典型的脆狀斷口。· · · · · · · · ·8070605040302010020 15 10 5 0伸長量/ mm延伸率/ %圖1.2 頸縮試樣各分格的伸長多數(shù)工程材料的拉伸曲線介于低碳鋼和鑄鐵之間，常常只有兩個或三個階段如圖1-3。

8、但強度、塑性指標的定義和測試方法基本相同。所以，通過拉伸破壞實驗，分析比較低碳鋼和鑄鐵的拉伸過程，確定其機械性能，在機械性能實驗研究中具有典型意義。F00F（a）FllF（b）圖1.3 不同類型材料的拉伸圖 三、實驗設備 CMT5105萬能試驗機、拉伸夾具、游標卡尺（精確度0.02mm）、直尺。四、試樣的制備試樣制備是實驗的重要環(huán)節(jié)。國家標準金屬拉伸實驗試樣GB6397-86對此有詳細規(guī)定。通常拉伸試樣有比例試件和定標準試件兩種。一般拉伸試樣由三部分組成，即工作部分，過渡部分和夾持部分（圖1.4）。工作部分必須保持光滑均勻以確保材料表面的單向應力狀態(tài)。均勻部分的有效工作長度L0稱作標距。d0、

9、A0分別代表工作部分的直徑和面積。過渡部分必須有適當?shù)呐_肩和圓角，以降低應力集中，保持該處不會斷裂。試樣兩端的夾持部分用以傳遞載荷，其形狀尺寸應與實驗機的夾具相匹配。d0L0L0.8R 圖1.4 圓形截面拉伸試件前已述及，頸縮局部及其影響區(qū)的塑性變形在斷后伸長率中占很大的比重。顯然，同種材料的斷后伸長率不僅取決于材質(zhì)，而且還取決于試樣的標距。試樣愈短、局部變形所占比例愈大，也就愈大。為了便于相互比較，試樣的長度應當標準化。按照規(guī)定，測試斷后伸長率應當采用比例試樣。比例試樣的長度有兩種規(guī)定：10倍直徑圓試樣： 5倍直徑圓試樣： 按照上述比例，板試樣也分長、短兩種： 長試樣： 短試樣： 用10倍直

10、徑試樣測定的斷后伸長率記做10，用5倍直徑試樣測定的斷后伸長率記做5。國家標準推薦使用短比例試樣。五、實驗步驟1、打開計算機及實驗機電源，預熱20分鐘；2、測量試樣截面面積，選擇3個截面，找出最小截面；3、安裝試件；4、點擊桌面上的TestExpert.NET圖標，或通過程序進入實驗控制程序；5、選擇實驗方法：進入【方法】菜單，選擇實驗方法，比如金屬棒材拉伸實驗、金屬壓縮實驗等；或進入【數(shù)據(jù)】菜單，選擇【查詢】子菜單，調(diào)入以前的相關實驗記錄參數(shù)；6、修改實驗參數(shù)：點擊【方法定義】菜單，選擇【基本設置】、【設備及通道】、【控制與采集】菜單進行相關參數(shù)設置調(diào)整，可參照實驗操作說明；7、開始實驗：選擇【試驗操作】菜單，鼠標左鍵點擊連接、啟動按鈕，對窗口下方顯示的參數(shù)點擊右鍵進行“清零”操作，再單擊開始按鈕，實驗開始前要求再次確認試件直徑，點擊【確定】，實驗開始；8、實驗結(jié)束后，對試件標距、斷口面積進行測量，計算塑性指標。六、實驗結(jié)果的處理 1、強度指標計算屈服極限 強度極限 屈服載荷FeL取屈服平臺的下限值。Fm取F-L曲線的最大載荷。鑄鐵不存在屈服階段故只記b。2、塑性指標的計算斷后伸長率 斷面收縮率 3、繪出低碳鋼試樣實驗前后的形狀圖形。 （附） 實驗數(shù)據(jù)表A、試樣原始尺寸材料名稱 試 驗 前 試 驗 后標距L0mm 直徑d0(mm) 最 小 截