材料力學(xué)低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、1 低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解材料拉伸時(shí)力與變形的關(guān)系，觀察試件破壞現(xiàn)象。2測定強(qiáng)度數(shù)據(jù)，如屈服點(diǎn)，抗拉強(qiáng)度。3測定塑性材料的塑性指標(biāo)：拉伸時(shí)的伸長率，截面收縮率。二、實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，外力必須通過試樣軸線，以確保材料處于單向應(yīng)力狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)機(jī)具有自動(dòng)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(diǎn)以及各階段受力和變形的關(guān)系。但是F-L曲線的定量關(guān)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(yīng)力、應(yīng)變曲線（即-曲線）來表示： 試樣的名義應(yīng)力 試樣的名義應(yīng)變A0和L0分別代表初始條件下的面積和標(biāo)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(jī)械性能指標(biāo)就是在曲線上定義的。如果實(shí)驗(yàn)?zāi)芴峁┮粭l精確的拉伸圖，那么單向拉伸條件下的主要力學(xué)性能指標(biāo)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(huì)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(diǎn)有助于正確、合理地認(rèn)識(shí)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(gè)階段：（1）彈性階段（OA）：試件的變形是彈性的。在這個(gè)范圍內(nèi)卸載，試樣仍恢復(fù)原來的尺寸，沒有任何殘余變形。習(xí)慣上認(rèn)為材料在彈性范圍內(nèi)服從胡克定律，其應(yīng)力、應(yīng)變

3、為正比關(guān)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(dòng)）階段（BC）：曲線上出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)。這表明材料暫時(shí)喪失抵抗繼續(xù)變形的能力。這時(shí)，應(yīng)力基本上不變化，而應(yīng)變快速增長。通常把下屈服點(diǎn)（B）作為材料屈服極限。是材料開始進(jìn)入塑性的標(biāo)志。結(jié)構(gòu)、零件的應(yīng)力一旦超過，材料就會(huì)屈服，零件就會(huì)因?yàn)檫^量變形而失效。因此強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)常以屈服極限作為確定許可應(yīng)力的基礎(chǔ)。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(qiáng)化階段（CD）：屈服階段結(jié)束后，-曲線又開始上升，材料恢復(fù)了對(duì)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(yuǎn)保留下來。強(qiáng)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(qiáng)度明顯提高，而塑性卻相應(yīng)下降。這種現(xiàn)象稱作為形變強(qiáng)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(qiáng)化二者聯(lián)合，是強(qiáng)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(qiáng)度的。強(qiáng)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(diǎn)是-曲線的最高點(diǎn)，定義為材料的強(qiáng)度極限又稱作材料的抗拉強(qiáng)度記作。對(duì)低碳鋼來說是材料均勻塑性變形的最大抗力，也是材料進(jìn)入頸縮階段的標(biāo)志。 （4）頸縮階段（DE）：應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限后，塑性變形開始在局部進(jìn)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(shí)，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(shí)的塑性指標(biāo)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(biāo)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(shí)，頸縮局部及其影響區(qū)的塑性變形都應(yīng)包含在L之內(nèi)。這就要求斷口位置應(yīng)在標(biāo)距的中央附近。若斷口落在標(biāo)距之外則實(shí)驗(yàn)無效。當(dāng)斷口非?？拷嚰啥耍c其頭部之距離等于或小于直徑的兩倍時(shí)，一般認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果無效，需要重新實(shí)驗(yàn)。 工程上通常認(rèn)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(shí)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(rèn)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(yīng)力引起，其強(qiáng)度指標(biāo)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(yù)兆的情況下突然發(fā)生脆斷。因此這類材料若使用不當(dāng)，極易發(fā)生事故。鑄鐵斷口與正應(yīng)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(gè)或三個(gè)階段如圖1-3。

8、但強(qiáng)度、塑性指標(biāo)的定義和測試方法基本相同。所以，通過拉伸破壞實(shí)驗(yàn)，分析比較低碳鋼和鑄鐵的拉伸過程，確定其機(jī)械性能，在機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備 CMT5105萬能試驗(yàn)機(jī)、拉伸夾具、游標(biāo)卡尺（精確度0.02mm）、直尺。四、試樣的制備試樣制備是實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。國家標(biāo)準(zhǔn)金屬拉伸實(shí)驗(yàn)試樣GB6397-86對(duì)此有詳細(xì)規(guī)定。通常拉伸試樣有比例試件和定標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力狀態(tài)。均勻部分的有效工作長度L0稱作標(biāo)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(dāng)?shù)呐_(tái)肩和圓角，以降低應(yīng)力集中，保持該處不會(huì)斷裂。試樣兩端的夾持部分用以傳遞載荷，其形狀尺寸應(yīng)與實(shí)驗(yàn)機(jī)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(biāo)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(yīng)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化。按照規(guī)定，測試斷后伸長率應(yīng)當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)推薦使用短比例試樣。五、實(shí)驗(yàn)步驟1、打開計(jì)算機(jī)及實(shí)驗(yàn)機(jī)電源，預(yù)熱20分鐘；2、測量試樣截面面積，選擇3個(gè)截面，找出最小截面；3、安裝試件；4、點(diǎn)擊桌面上的TestExpert.NET圖標(biāo)，或通過程序進(jìn)入實(shí)驗(yàn)控制程序；5、選擇實(shí)驗(yàn)方法：進(jìn)入【方法】菜單，選擇實(shí)驗(yàn)方法，比如金屬棒材拉伸實(shí)驗(yàn)、金屬壓縮實(shí)驗(yàn)等；或進(jìn)入【數(shù)據(jù)】菜單，選擇【查詢】子菜單，調(diào)入以前的相關(guān)實(shí)驗(yàn)記錄參數(shù)；6、修改實(shí)驗(yàn)參數(shù)：點(diǎn)擊【方法定義】菜單，選擇【基本設(shè)置】、【設(shè)備及通道】、【控制與采集】菜單進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置調(diào)整，可參照實(shí)驗(yàn)操作說明；7、開始實(shí)驗(yàn)：選擇【試驗(yàn)操作】菜單，鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊連接、啟動(dòng)按鈕，對(duì)窗口下方顯示的參數(shù)點(diǎn)擊右鍵進(jìn)行“清零”操作，再單擊開始按鈕，實(shí)驗(yàn)開始前要求再次確認(rèn)試件直徑，點(diǎn)擊【確定】，實(shí)驗(yàn)開始；8、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試件標(biāo)距、斷口面積進(jìn)行測量，計(jì)算塑性指標(biāo)。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理 1、強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算屈服極限 強(qiáng)度極限 屈服載荷FeL取屈服平臺(tái)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(biāo)的計(jì)算斷后伸長率 斷面收縮率 3、繪出低碳鋼試樣實(shí)驗(yàn)前后的形狀圖形。 （附） 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表A、試樣原始尺寸材料名稱 試 驗(yàn) 前 試 驗(yàn) 后標(biāo)距L0mm 直徑d0(mm) 最 小 截