金属材料的室温拉伸试验实验目的1、测定低碳钢的屈服强度REh、ReL及Re、抗拉强度Rm、断后伸长率A和断面收缩率Z。2、测定铸铁的抗拉强度R和断后伸长率A。m3、观察并分析两种材料在拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化、冷作硬化和颈缩等现象） 并绘制拉伸图。4、比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）拉伸机械性能的特点。使用设备万能试验机、游标卡尺、试样分划器或钢筋标距仪试样本试验采用经机加工的直径d=10 mm的圆形截面比例试样，其是根据国家试验规范的规定进行 加工的。它有夹持、过渡和平行三部分组成（见图21）,它的夹持部分稍大，其形状和尺寸应根据 试样大小、材料特性、试验目的以及试验机夹具的形状和结构设计，但必须保证轴向的拉伸力。其 夹持部分的长度至少应为楔形夹具长度的3/4 （试验机配有各种夹头，对于圆形试样一般采用楔形夹板夹头，夹板表面制成凸纹，以 便夹牢试样）。机加工带头试样 的过渡部分是圆角，与平行部分 光滑连接,以保证试样破坏时断 口在平行部分。平行部分的长度 Lc按现行国家标准中的规定取 Lo+d，Lo是试样中部测量变形 的长度，称为原始标距。实验原理按我国目前执行的国家GB/T 2282002标准金属材料 室温拉伸试验方法的规定， 在室温10C35C的范围内进行试验。将试样安装在试验机的夹头中，然后开动试验机，使试样受到缓慢增加的拉力（应根据材料性 能和试验目的确定拉伸速度），直到拉断为止，并利用试验机的自动绘图装置绘出材料的拉伸图（图 22所示）。应当指出，试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形M主要是整个试样（不只是标距部分）的伸长， 还包括机器的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素。由于试样开始受力时，头部在夹头内的滑动 较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。（a）低碳钢拉伸曲线图（b）铸铁拉伸曲线图图2 2由试验机绘图装置绘出的拉伸曲线图1、低碳钢（典型的塑性材料）当拉力较小时，试样伸长量与力成正比增加，保持直线关系，拉力超过Fp后拉伸曲线将由直变 曲。保持直线关系的最大拉力就是材料比例极限的力值Fp。在Fp的上方附近有一点是F，若拉力小于Fc而卸载时，卸载后试样立刻恢复原状，若拉力大于 F后再卸载，则试件只能部分恢复，保留的残余变形即为塑性变形，因而F是代表材料弹性极限的CC力值。当拉力增加到一定程度时，试验机的示力指针（主动针）开始摆动或停止不动，拉伸图上出现 锯齿状或平台，这说明此时试样所受的拉力几乎不变但变形却在继续，这种现象称为材料的屈服。 低碳钢的屈服阶段常呈锯齿状，其上屈服点B受变形速度及试样形式等因素的影响较大，而下屈服 点B则比较稳定（因此工程上常以其下屈服点B所对应的力值FeL作为材料屈服时的力值）。确定屈 服力值时，必须注意观察读数表盘上测力指针的转动情况，读取测力度盘指针首次回转前指示的最 大力FeH （上屈服荷载）和不计初瞬时效应时屈服阶段中的最小力FeL （下屈服荷载）或首次停止转 动指示的恒定力FeL （下屈服荷载），将其分别除以试样的原始横截面积（S0）便可得到上屈服强度 ReH和下屈服强度ReL。即ReH = FeH/ S 0ReL = FeL / S 0屈服阶段过后，虽然变形仍继续增大，但力值也随之增加， 拉伸曲线又继续上升，这说明材料又恢复了抵抗变形的能力，这 种现象称为材料的强化。在强化阶段内，试样的变形主要是塑性 变形，比弹性阶段内试样的变形大得多，在达到最大力F之前， m 试样标距范围内的变形是均匀的，拉伸曲线是一段平缓上升的曲 线，这时可明显地看到整个试样的横向尺寸在缩小。此最大力 F为材料的抗拉强度力值，由公式R = F /S0即可得到材料的0 抗拉强度R。m 如果在材料的强化阶段内卸载后再加载，直到试样拉断，则所得到的曲线如图2 3所示。卸载时曲线并不沿原拉伸曲线卸回，而是沿近乎平行于弹性阶段的 直线卸回，这说明卸载前试样中除了有塑性变形外，还有一部分弹性变形；卸载后再继续加载，曲 线几乎沿卸载路径变化，然后继续强化变形，就像没有卸载一样，这种现象称为材料的冷作硬化。 显然，冷作硬化提高了材料的比例极限和屈服极限，但材料的塑性却相应降低。当荷载达到最大力Fm后，示力指针由最大力Fm缓慢回转时，试样上某一部位开始产生局部伸 长和颈缩，在颈缩发生部位，横截面面积急剧缩小，继续拉伸所需的力也迅速减小，拉伸曲线开始 下降，直至试样断裂。此时通过测量试样断裂后的标距长度Lu和断口处最小直径d“，计算断后最小 截面积（Su），由计算公式A =Lu Lo x 100 %、Z = S0 _ Su x 100 %LS00即可得到试样的断后伸长率A和断面收缩率Z。2、铸铁（典型的脆性材料）脆性材料是指断后伸长率AV5%的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都很小。而 且，大多数脆性材料在拉伸时的应力应变曲线上都没有明显的直线段，几乎没有塑性变形，也不 会出现屈服和颈缩等现象（如图22b所示），只有断裂时的应力值一一强度极限。铸铁试样在承受拉力、变形极小时，就达到最大力F而突然发生断裂，其抗拉强度也远小于低 m碳钢的抗拉强度。同样，由公式R = F /S0即可得到其抗拉强度R，而由公式A = x 100%则0L0可求得其断后伸长率A。试验步骤一、低碳钢拉伸试验1、试样准备：为了便于观察标距范围内沿轴向的变形情况，用试样分划器或标距仪在试样标距L0范围内每隔 5 mm 刻划一标记点（注意标记刻划不应影响试样断裂），将试样的标距段分成十等份。用游标卡尺测量标距两端和中间三个横截面处的直径，在每一横截面处沿相互垂直的两个方向 各测一次取其平均值，用三个平均值中最小者计算试样的原始横截面积S0 （计算时S0应至少保留四 位有效数字）。2、试验机准备：根据低碳钢的抗拉强度Rm和试样的原始横截面积S0估计试验所需的最大荷载，并据此选择合适 的量程，配上相应的砝码砣，做好试验机的调零（注意：应消除试验机工作平台的自重）、安装绘图 纸笔等准备工作。3、装夹试样：先将试样安装在试验机的上夹头内，再移动试验机的下夹头（或工作平台、或试验机横梁）使 其达到适当位置，并把试样下端夹紧（注意：应尽量将试样的夹持段全部夹在夹头内，并且上下要 对称。完成此步操作时切忌在装夹试样时对试样加上了荷载）。4、检查试车：请教师检查以上步骤完成情况，然后启动试验机，预加少许荷载后（对应的应力不能超过材料 的比例极限），卸载回至零点，以检查试验机工作是否正常。同时消除试样在夹头中的滑移对绘制拉 伸图曲线的影响。5、进行试验：开动试验机使之缓慢匀速加载（依据规范要求，在屈服前以660 MPa/s的速率加载），并注意 观察示力指针的转动、自动绘图的情况和相应的试验现象。当主动针不动或倒退时说明材料开始屈 服，记录上屈服点FeH （主动针首次回转前的最大力）和下屈服点Fe（屈服过程中不计初始瞬时效 应时的最小力或主动针首次停止转动的恒定力），具体情况如图 24 所示（说明：前所给出的加载 速率是国标中规定的测定上屈服点时应采用的速率，在测定下屈服点时，平行长度内的应变速率应 在0.000250.0025/s之间，并应尽可能保持恒定。如果不能直接控制这一速率，则应固定屈服开始前的应力速率直至屈服阶段完成）。屈服荷载的确定根据国标规定，材料屈服过后，试验机的速率应使试样平行长度内的应变速率不超过0.008/s。 在此条件下继续加载，并注意观察主动针的转动、自动绘图的情况和相应的试验现象（强化、冷作 硬化和颈缩等现象一一在强化阶段的任一位置卸载后再加载进行冷作硬化现象的观察；此后，待主 动针再次停止转动而缓慢回转时，材料进入颈缩阶段，注意观察试样的颈缩现象），直至试样断裂停 车。记录所加的最大荷载F （从动针最后停留的位置）。m6、试样断后尺寸测定：取出试样断体，观察断口情况和位置。将试样在断裂处紧密对接在一起，并尽量使其轴线处于 同一直线上,测量断后标距Lu和颈处的最小直径d（应沿相互垂直的两个方向各测一次取其平均值）, 计算断后最小横截面积S“。注意：在测定Lu时,若断口到最临近标距端点的距离不小于1/3L0,则直接测量标距两端点的距 离；若断口到最临近标距端点的距离小于1/3L0,贝9按图25所示的移位法测定：符合图（a）情况 的, Lu=AC +BC，符合图（b）情况的，Lu=AC 1+ BC ；若断口非常靠近试样两端，而其到最临近标 距端点的距离还不足两等份，且测得的断后伸长率小于规定值，则试验结果无效，必须重做。此时 应检查试样的质量和夹具的工作状况，以判断是否属于偶然情况。7、归整实验设备：卸回油缸中的液压油，取下绘记录图纸，请教师检查试验记录，经认可后清理试验现场和所用 仪器设备，并将所用的仪器设备全部恢复原状。二、铸铁拉伸试验1、测量试样原始尺寸：测量方法要求同前，但只用快干墨水或带色涂料标出两标距端点，不用等分标距段。2、试验机准备：（要求同前）。3、安装试样：（方法同前）。4、检查试验机工作是否正常：（检查同前，但勿需试车）。5、进行试验： 开动试验机，保持试验机两夹头在力作用下的分离速率使试样平行长度内的应变速率不超过 0.008/s的条件下对试样进行缓慢加载，直至试样断裂为止。停机并记录最大力F。m6、试样断后尺寸测定： 取出试样断体，观察断口情况。然后将试样在断裂处紧密对接在一起，并尽量使其轴线处于同一直线上，测量试样断后标距Lu （直接用游标卡尺测量标距两端点的距离）。7、归整实验设备： 卸回油缸中的液压油，取下绘记录图纸，请教师检查试验记录，经认可后清理试验现场和所用仪器设备，并将所使用的仪器设备全部复原。8、结束试验： 完成全部测量后，将试验数据记录、试验机所绘的曲线图和实验卡片一并交指导教师检查验收 签字认可后方可离开实验室。试验数据记录（参考记录表格）表 21、试样原始尺寸材料标距L0/mm直 径d0/mm原始横截面 面积S0/mm2截面I截面II截面III12平均12平均12平均低碳钢50.00铸铁50.00表22、试验数据记录单位：KN材料上屈服荷载FeH下屈服荷载FeL屈服荷载Fe最大荷载Fm低碳钢铸铁/表 23、试样断后尺寸材料标距L /mmu断后伸长Lu L0/mm断后缩颈处最小直径du/mm断后最小横截 面积Su/mm212平均低碳钢铸铁/数据处理材料上屈服强度ReH/MPa下屈服强度ReL/MPa抗拉强度R /MPam断后伸长率 A/%断面收缩率 Z/%低碳钢铸铁/实验报告要求1、进行数据处理，求出低碳钢及铸铁的各项力学性能指标。2、绘出低碳钢及铸铁试样断裂后的形状示意图和O曲线示意图。3、按标准格式写出完整的实验报告（内容一定要完整全面）。备注：仪器自动绘制的FM图必须随报告一起交上（要注明本小组编号）。思考题1、什么叫比例试样？它应满足什么条件？国家为什么要对试样的形状、尺寸、公差和表面粗糙 度等做出相应的规定