实验一       金属材料的静拉伸实验

一、          实验目的

1．  了解CMT系列微机控制电子万能（拉力）试验机的结构组成及工作原理；

2． 测定低碳钢试件的拉伸负荷—变形曲线，观察试件变形的四个阶段；

3．  测定低碳钢和铸铁试件的屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率和断面收缩率；

4．比较低碳钢与铸铁各自机械性能的特点。

二、  实验设备

CMT系列微机控制电子万能（拉力）试验机及材料试件。

三、测量原理及方法

1. 测量原理

金属材料在受静拉伸力作用时会呈现出一定的变形情况，由测得的数据可绘制其负荷—变形曲线并计算得到材料的屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率和断面收缩率等力学性能指标，这些指标可用于判断材料的力学性能强弱，并为材料的具体应用提供基础数据。

2. 测量方法

将试件装夹在CMT系列微机控制电子万能（拉力）试验机的夹具上，由机器施加拉伸载荷，并自动测量、计算、显示材料的负荷—变形曲线及材料的屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率和断面收缩率等参数。

四、实验步骤：

（1）了解CMT系列微机控制电子万能（拉力）试验机的组成结构及工作原理；

（2）开机，顺序为： 试验机     打印机     计算机，开机后需预热10分钟；

（3）根据试件形状准备好拉伸夹具，如果夹具已经安装好，对夹具进行检查；

（4）设置好限位装置；

（5）进入CMT系列微机控制电子万能（拉力）试验机控制软件，设定好试验方案，输入相关试验参数（如材料编号、拉伸速率、需测定的参数、试件尺寸等）；

（6）装夹好试件；

（7）正式开始试验，注意观察CMT系列微机控制电子万能（拉力）试验机的控制计算机所显示的材料的“负荷—变形”曲线，同时注意观察试件的变形情况直至试件断裂；

（8）试验结束，进入控制计算机软件数据处理界面，分析材料的屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率和断面收缩率数值并打印试验结果；

（9）关机，顺序为：  试验机       打印机      计算机。

五、实验注意事项：

（1）任何时候都不能带电插拔电源线和信号线，否则很容易损坏电气控制部分；

（2）实验过程中，除暂停按键和急停开关外，不要按控制盒上的其他按键，否则会影响实验结果。

 

第二篇：实验四 金属材料的轴向拉伸实验

实验四：低碳钢轴向拉伸实验

一、实验目的

1. 测定低碳钢的强度性能指标：抗拉强度R_m (σ_b)。

2. 测定低碳钢的塑性性能指标：断后伸长率A_11.3（δ₁₀）和断面收缩率Z（ψ）。

3. 观察低碳钢的力学性能、拉伸过程、断口特征及破坏现象。  

4. 学习电子拉力试验机的使用方法。 

注：括号内为GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》发布前的旧标准引用符号。

二、实验原理

1. 低碳钢的拉伸

低碳钢是指含碳量在0.3％以下的碳素钢。这类钢材在工程中使用较广，在拉伸时表现出的力学性能也最为典型。在下图中可以看到低碳钢拉伸过程中的四个阶段（弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段）。屈服阶段反映在F-ΔL曲线图上为一水平波动线。上屈服力F_eH 是试样发生屈服而载荷首次下降前的最大载荷。下屈服力F_eL是试样在屈服期间去除初始瞬时效应（载荷第一次急剧下降）后波动最低点所对应的载荷。最大轴向力F_m是试样在屈服阶段之后所能承受的最大载荷。相应的强度指标由以下公式计算：

F-ΔL曲线与试样的尺寸有关。为了消除试样尺寸的影响，把轴向力F除以试样横截面的原始面积A₀就得到了名义应力，也叫工程应力，用σ表示。同样，试样在标距段的伸长ΔL除以试样的原始标距Ｌ₀得到名义应变，也叫工程应变，用ε表示。σ-ε曲线与F-ΔL曲线形状相似，但消除了儿何尺寸的影响，因此代表了材料本质属性，即材料的本构关系。

典型低碳钢的拉伸σ-ε曲线，如上图所示，可明显分为四个阶段：

（1）弹性阶段：在此阶段试样的变形是弹性的，如果在这一阶段终止拉伸并卸载，试样仍恢复到原先的尺寸，试验曲线将沿着拉伸曲线回到初始点，表明试样没有任何残余变形。习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律，其应力、应变为正比关系，即,式中比例系数E代表直线的斜率，称为材料的弹性模量，其常用单位为GPa。它是代表材料发生弹性变形的主要性能参数。E的大小反映材料抵抗弹性变形的一种能力，代表了材料的刚度。此外，材料在发生杆的轴向伸长的同时还发生横向收缩。横向应变与纵向应变之比的绝对值μ称为材料的泊松比。它是代表材料弹性变形的另一个性能参数。

（2）屈服阶段：在超过弹性阶段后出现明显的屈服过程，即曲线沿一水平段上下波动，即应力增加很少，变形快速增加。这表明材料在此载荷作用下，宏观上表现为暂时丧失抵抗继续变形的能力，微观上表现为材料内部结构发生急剧变化。从微观结构解释这一现象，是由于构成金属晶体材料结构晶格间的位错，在外力作用下发生有规律的移动造成的。如果试样表面足够光滑、材料杂质含量少，可以清楚地看出试样表面有45^o方向的滑移线。

根据GB/T228－2002标准规定，试样发生屈服而力首次下降前的最大应力称为上屈服强度，记为“R_eH”；在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力称为下屈服强度，记为“R_eL”，若试样发生屈服而力首次下降的最小应力是屈服期间的最小应力时，该最小应力称为初始瞬时效应，不作为下屈服强度。

通常把试验测定的下屈服强度R_eL作为材料的屈服极限σ_s，σ_s是材料开始进入塑性的标志。不同的塑性材料其屈服阶段的曲线类型有所不同，其屈服强度按GB/T228-2002规定确定。结构、零件的外加载荷一旦超过这个应力，就可以认为这一结构或零件会因为过量变形而失效。因此，强度设计中常以屈服极限σ_s作为确定许可应力的基础。由于材料在这一阶段已经发生过量变形，必然残留不可恢复的变形（塑性变形），因此，从屈服阶段开始，材料的变形就包含弹性和塑性两部分。

    （3）强化阶段：屈服阶段结束后，σ-ε曲线又出现上升现象，说明材料恢复了对继续变形的抵抗能力，材料若要继续变形必须施加足够的载荷。如果在这一阶段卸载，弹性变形将随之消失，而塑性变形将永远保留。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后若重新加载，材料的弹性阶段线将加长、屈服强度明显提高，塑性将降低。这种现象称作应变强化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料极为宝贵的性质之一。塑性变形与应变强化二者结合，是工厂强化金属的重要手段。例如：喷丸、挤压，冷拔等工艺，就是利用材料的冷作硬化来提高材料的强度。强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布的。随塑性变形的增长，试样表面的滑移线亦愈趋明显。σ-ε曲线的应力峰值R_m为材料的强度极限σ_b。对低碳钢来说σ_b是材料均匀塑性变形的最大抵抗能力，也是材料进入颈缩阶段的标志。

（4）颈缩阶段：应力到达强度极限后，开始在试样最薄弱处出现局部变形，从而导致试样局部截面急剧颈缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直至断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在断裂的试样上。

塑性材料和脆性材料的拉伸曲线存在很大差异。低碳钢和铸铁是工程材料中最具典型意义的两种材料，前者为塑性材料，后者为脆性材料。观察它们在拉伸过程中的变形和破坏特征有助于正确、合理地认识和选用材料。

测量断后的标距部分长度L_u和颈缩处最小直径d_u，按以下两式计算其主要塑性指标：断

后伸长率（工程上把的材料称为塑性材料，把的材料称为脆性材料。）

式中：L₀为试样原始标距长度。

断面收缩率

式中和分别是试样原始横截面积和断后最小横截面积。

2. 生铁的拉伸

三、设备及试样

1．电子拉力试验机

2．游标卡尺（0.02mm）

3．试样

注：试样描述如下

为使实验结果可以相互比较，必须对试样、试验机及实验方法做出明确具体的规定。国标GB/T228－2002 “金属材料室温拉伸试验方法”中规定对金属拉伸试样通常采用圆形和板状两种试样，如上图所示。它们均由夹持、过渡和平行三部分组成。夹持部分应适合于试验机夹头的夹持。过渡部分的圆弧应与平行部分光滑地联接，以保证试样破坏时断口在平行部分。平行部分中测量伸长用的长度称为标距。受力前的标距称为原始标距，记作L₀，通常在其两端划细线标志。

按试样原始标距L₀和原始横截面面积A₀之间的关系分，试样可分为比例试样和定标距试样（非比例试样）两种。比例试样的，系数K通常取为5.65或11.3，前者称为短比例试样（简称短试样），后者称为长比例试样（简称长试样）。对圆形试样来说，原始标距分别等于5d₀和10d₀。一般应采用短比例试样。定标距试样L₀与A₀无上述比例关系。

国标GB/T228-2002中，对试样形状、尺寸、公差和表面粗糙度均有明确规定。

四、实验步骤

1. 测量试样尺寸：原始横截面面积A₀和原始长度L ₀（标距长度）。

2. 按要求装夹试样（先选其中一根），并保持上下对中。

3. 开机并设置参数

4. 测试

5. 数据记录并分析

6. 试验机复原

五、实验报告要求

1. 实验原始数据记录

表1-1 试样原始尺寸数据记录

表1-2 试样断后尺寸

2. 测定材料屈服强度的意义？哪些材料需要测定屈服强度？

3. 应变强化是哪类材料的特点，发生在拉伸过程的哪个阶段，有何作用和意义？