試議金屬材料的室溫拉伸試驗

1、 HYPERLINK / 金屬材料的室溫拉伸試驗實驗?zāi)康?、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、觀看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。使用設(shè)備萬能試驗機、游標(biāo)卡尺、試樣分劃器或鋼筋標(biāo)距儀試樣圖21 機加工的圓截面拉伸試樣本試驗采納經(jīng)機加工的直徑d =10 mm的圓形截面比例試樣，其是依照國家試驗規(guī)范的規(guī)定進行加工的。它有夾持、過渡和平行三部分組成（見圖21），它的夾持部分稍

2、大，其形狀和尺寸應(yīng)依照試樣大小、材料特性、試驗?zāi)康囊约霸囼灆C夾具的形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計，但必須保證軸向的拉伸力。其夾持部分的長度至少應(yīng)為楔形夾具長度的3/4（試驗機配有各種夾頭，關(guān)于圓形試樣一般采納楔形夾板夾頭，夾板表面制成凸紋，以便夾牢試樣）。機加工帶頭試樣的過渡部分是圓角，與平行部分光滑連接，以保證試樣破壞時斷口在平行部分。平行部分的長度Lc按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定取Lo+d ，Lo是試樣中部測量變形的長度，稱為原始標(biāo)距。實驗原理按我國目前執(zhí)行的國家GB/T 2282002標(biāo)準(zhǔn)金屬材料 室溫拉伸試驗方法的規(guī)定，在室溫1035的范圍內(nèi)進行試驗。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

3、慢增加的拉力（應(yīng)依照材料性能和試驗?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）。應(yīng)當(dāng)指出，試驗機自動繪圖裝置繪出的拉伸變形L要緊是整個試樣（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)的滑動較大，故繪出的拉伸圖最初一段是曲線。（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)系的最大拉力確實是材料比例極限的力值FP 。在FP的上方附

4、近有一點是Fc，若拉力小于Fc而卸載時，卸載后試樣趕忙恢復(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，這講明現(xiàn)在試樣所受的拉力幾乎不變但變形卻在接著，這種現(xiàn)象稱為材料的屈服。低碳鋼的屈服時期常呈鋸齒狀，其上屈服點B受變形速度及試樣形式等因素的阻礙較大，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，必須注意觀看讀數(shù)表盤上測力指針的轉(zhuǎn)動情況，讀取測力度

5、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)時屈服時期中的最小力FeL（下屈服荷載）或首次停止轉(zhuǎn)動指示的恒定力FeL（下屈服荷載），將其分不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屈服時期過后，盡管變形仍接著增大，但力值也隨之增加，拉伸曲線又接著上升，這講明材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱為材料的強化。在強化時期內(nèi)，試樣的變形要緊是塑性變形，比彈性時期內(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

6、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。假如在材料的強化時期內(nèi)卸載后再加載，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時期的直線卸回，這講明卸載前試樣中除了有塑性變形外，還有一部分彈性變形；卸載后再接著加載，曲線幾乎沿卸載路徑變化，然后接著強化變形，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

7、，接著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?，F(xiàn)在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，變形都專門小。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，也可不能出現(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、變形微小時，就達到最大力Fm而突然發(fā)生斷裂，其抗拉強度也遠小于低碳鋼的抗拉強度。同樣，由公式Rm=Fm/S0

8、 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。試驗步驟一、低碳鋼拉伸試驗1、試樣預(yù)備：為了便于觀看標(biāo)距范圍內(nèi)沿軸向的變形情況，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)阻礙試樣斷裂），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、試驗機預(yù)備：依照低碳鋼的抗拉強度Rm和試樣的原始橫截面積S0可能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（

9、注意：應(yīng)消除試驗機工作平臺的自重）、安裝繪圖紙筆等預(yù)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（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)，同時上下要對稱。完成此步操作時切忌在裝夾試樣時對試樣加上了荷載）。4、檢查試車：請教師檢查以上步驟完成情況，然后啟動試驗機，預(yù)加少許荷載后（對應(yīng)的應(yīng)力不能超過材料的比例極限），卸載回至零點，以檢查試驗機工作是否正常。同時消除試樣在夾頭中的滑移對繪制拉伸圖曲線的阻礙。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

10、意觀看示力指針的轉(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講明材料開始屈服，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所示（講明：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)采納的速率，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。假如不能直接操縱這一速率，則應(yīng)固定屈服開始前的應(yīng)力速率直至屈服時期完成）。圖24 屈服荷載的確定依照國標(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

11、件下接著加載，并注意觀看主動針的轉(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)象在強化時期的任一位置卸載后再加載進行冷作硬化現(xiàn)象的觀看；此后，待主動針再次停止轉(zhuǎn)動而緩慢回轉(zhuǎn)時，材料進入頸縮時期，注意觀看試樣的頸縮現(xiàn)象），直至試樣斷裂停車。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，觀看斷口情況和位置。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

12、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；若斷口特不靠近試樣兩端，而其到最臨近標(biāo)距端點的距離還不足兩等份，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。現(xiàn)在應(yīng)檢查試樣的質(zhì)量和夾具的工作狀況，以推斷是否屬于偶然情況。7、歸整實驗設(shè)備：卸回油缸中的液壓油，取下繪記錄圖紙，請教師檢查試驗記錄，經(jīng)認可后清理試驗現(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

13、兩標(biāo)距端點，不用等分標(biāo)距段。2、試驗機預(yù)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，觀看斷口情況。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：卸回油缸中的液壓油，取下繪記錄圖紙，請教師檢查試驗記錄，經(jīng)認可后清理試驗現(xiàn)場和所用儀器設(shè)備

14、，并將所使用的儀器設(shè)備全部復(fù)原。8、結(jié)束試驗：完成全部測量后，將試驗數(shù)據(jù)記錄、試驗機所繪的曲線圖和實驗卡片一并交指導(dǎo)教師檢查驗收、簽字認可后方可離開實驗室。試驗數(shù)據(jù)記錄（參考記錄表格）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 = 1 * ROMAN I截面 = 2 * ROMAN II截面 = 3 * ROMAN III12平均12平均12平均低碳鋼50.00鑄 鐵50.00 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 鋼鑄 鐵表23、試樣斷后尺寸材 料標(biāo) 距Lu/mm斷后伸長LuL

15、0/mm 斷后縮頸處最小直徑du/mm斷后最小橫截面積Su/mm212平均低碳鋼鑄 鐵數(shù)據(jù)處理材 料上屈服強度ReH/MPa下屈服強度ReL/MPa抗拉強度Rm/MPa斷后伸長率A/斷面收縮率Z/低碳鋼鑄 鐵實驗報告要求1、進行數(shù)據(jù)處理，求出低碳鋼及鑄鐵的各項力學(xué)性能指標(biāo)。2、繪出低碳鋼及鑄鐵試樣斷裂后的形狀示意圖和曲線示意圖。3、按標(biāo)準(zhǔn)格式寫出完整的實驗報告（內(nèi)容一定要完整全面）。備注：儀器自動繪制的FL圖必須隨報告一起交上（要注明本小組編號）。考慮題1、什么叫比例試樣？它應(yīng)滿足什么條件？國家什么緣故要對試樣的形狀、尺寸、公差和表面粗糙度等做出相應(yīng)的規(guī)定？2、參考試驗機自動繪圖儀繪出的拉伸圖

16、，分析低碳鋼試樣從加力至斷裂的過程可分為哪幾個時期？相應(yīng)于每一時期的拉伸曲線各有什么特點？*3、什么緣故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？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差不多相同？什么緣故？5、低碳鋼試樣拉伸斷裂時的荷載比最大荷載Fm要小，按公式R=F/S0計算，斷裂時的應(yīng)力比Rm小。什么緣故應(yīng)力減小后試樣反而斷裂？*6、鑄鐵試樣拉伸試驗中，斷口為何是橫截面？又為何大多在根部？7、關(guān)于低碳鋼材料的拉伸試驗，當(dāng)其斷口不在標(biāo)距長度中部三分之一區(qū)段內(nèi)時，什么緣故要采納斷口移中法測量斷后標(biāo)距

17、？*8、由拉伸試驗測定的材料機械性能在工程上有何使用價值？金屬材料的壓縮試驗實驗?zāi)康?、測定低碳鋼的壓縮屈服極限sc。2、測定鑄鐵的抗拉強度bc。3、觀看并分析兩種材料在壓縮過程中的各種現(xiàn)象（要緊是變形和破壞形式）。4、比較低碳鋼（塑性材料）與鑄鐵（脆性材料）壓縮機械性能的特點。使用設(shè)備圖31 側(cè)向無約束圓柱體試樣萬能試驗機、游標(biāo)卡尺等。試樣本試驗我們采納機加工的側(cè)向無約束的1020的圓柱體低碳鋼試樣和1015的圓柱體鑄鐵試樣（見圖31）。實驗原理將試樣放在試驗機的兩壓板之間，開動試驗機緩慢進行加載，使試樣受到緩慢增加的壓力作用，示力指針緩慢勻速轉(zhuǎn)動，并利用試驗機的繪圖裝置自動繪出壓縮圖（見圖

18、32）。（a）低碳鋼壓縮圖 （b）鑄鐵壓縮圖 圖33 壓縮試驗時圖32試驗機繪出的壓縮圖 的球形承墊由于試樣兩端不可能理想的平行，試驗時必須使用球形承墊（見圖33），同時試樣應(yīng)置于球形承墊中心，藉以球形承墊的自動調(diào)節(jié)作用實現(xiàn)試樣的軸向受壓。1、低碳鋼的壓縮試樣開始變形時服從虎克定律，壓縮曲線呈直線（見圖32a）。在開始出現(xiàn)變形增長專門快的非線性小段時，表示材料到達了屈服，但這時并不象拉伸那樣有明顯的屈服時期，只是示力指針暫停轉(zhuǎn)動或稍有返回，這暫?；蚍祷氐淖钚≈导礊閴嚎s屈服荷載Psc。此后，圖形呈曲線上升，材料產(chǎn)生顯著的殘余變形，試樣長度顯著縮短，而直徑增大。由于試驗機壓板與試樣兩端面之間的摩擦

19、力，使試樣兩端的橫向變形受到阻礙，因而試樣被壓成鼓形。隨著荷載的逐漸增加，塑性變形迅速增長，試樣的橫截面面積也隨之增大，而增大的面積又能承受更大的荷載，因此試樣愈壓愈扁，甚至能夠壓成薄餅狀而不破裂，因此無法測出其最大荷載Pbc和抗壓強度bc。依照測出的壓縮屈服荷載Psc，由公式sc=Psc/S0即可求出材料的壓縮屈服極限。2、鑄鐵的壓縮圖34 鑄鐵試樣壓縮下的破壞鑄鐵試樣在壓縮時與拉伸明顯不同，其壓縮曲線上盡管仍沒有明顯的直線時期和屈服時期，但曲線明顯變彎（見圖32b），表明試樣在達到最大荷載Pbc前就出現(xiàn)了明顯的塑性變形，而其最大荷載Pbc也要比拉伸時的Pb大專門多倍。當(dāng)荷載達到最大荷載Pb

20、c后稍有下降，然后破裂，并能聽到沉悶的破裂聲。鑄鐵試樣破裂后呈鼓形，并在與軸線大約成450角的斜面上破裂（見圖34），此破壞要緊是由剪應(yīng)力引起的。由公式bc= Pbc/S0即可求出材料的抗壓強度。實驗步驟 1、樣尺寸測量：用游標(biāo)卡尺在試樣標(biāo)距中點處兩個相互垂直的方向上測量直徑，取其算術(shù)平均值，并計算其截面面積S0。2、試驗機預(yù)備：可能試驗所需的最大荷載，選擇合適的量程，配以相應(yīng)的砝碼砣，然后指針調(diào)零，并調(diào)整上下壓板間距離合適，檢查繪圖裝置工作是否正常。3、安裝試樣：將試樣準(zhǔn)確地置于下墊板中心（要注意試樣縱軸中心線應(yīng)與壓頭軸線重合）。4、進行試驗：上升活動平臺，使試樣與上壓板緩慢接觸，并保證勻速加載。依照國標(biāo)規(guī)定，在彈性（或接近彈性）范圍，采納操縱應(yīng)力速率的方法，其速率操縱在110 MPa/s范圍內(nèi)；在明顯塑性變形范圍，采納操縱應(yīng)變速率的方法，其速率操縱在0.00050.0001/s范圍內(nèi)。關(guān)于低碳鋼試樣，在加載過程中要注意觀看示力指針的轉(zhuǎn)動情況和繪圖紙上的壓縮圖（同時注意操縱送油閥使送油速率合適，若送油速率太快就觀看不到屈服時指針的停頓或返回，若送油速率太慢則在材料尚未屈服時指針也會停頓，無法準(zhǔn)確地推斷真實的屈服），以便及時而正確地測定屈服