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Rm (σb)。
2. 测定低碳钢的塑性性能指标:断后伸长率A11.3(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。
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FeH 是试样发生屈服而载荷首次下降前的最大载荷。下屈服力FeL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Fm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:弹性阶段,屈服阶段,强化阶段,颈缩阶段。
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Lu和颈缩处最小直径du,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。
三、设备及试样
1.电子拉力试验机
2.游标卡尺(0.02mm)
3.试样
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?
金属材料静态拉伸实验
实验设备:电子拉伸材料试验机
试样
1.实验结果
表1 试样的原始始直径测量数据(单位:毫米)
铝合金
L0=66.00mm
断后的平均标距为 =72.70 mm
拉断后的断面直径平均值 9.428mm
20#钢
L0=79.97 mm
断后的平均标距为 =105.01 mm
断口的直径平均值为=5.83mm
数据处理
1、20#钢(正火态)试样(有明显屈服平台的材料)
20#钢正火材料试样的应力应变曲线见下图。
读图可得Rel(屈服平台的屈服强度),Rm(抗拉强度)
2、铝合金试样(不具明显的屈服平台)
铝合金材料试样常温拉伸实验应力应变曲线如图。
由于铝合金材料不具有明显的物理屈服平台,其屈服强度一般定义为“规定非比例延伸强度”。即在横轴上取应变为0.2%的点(红色线条),对应的应力即为铝合金的屈服强度。
所得结果综合如下表:
宏观断口图:
20钢:
20#钢试样在拉断之后,断口附近明显产生颈缩。
断口处可以看出有三个区域:
1.试样中心的纤维区,表面有较大的起伏,有较大的塑性变形;
2.放射区,表面较光亮平坦,有较细放射状条纹;
3.剪切唇,轴线成45°角左右的倾斜断口
铝:
断口为和试样中轴线大约成45°角的纤维状断口,没有颈缩,应该为为切应力达到极限,发生韧性断裂
思考题1:
提高金属材料屈服强度的方法:
影响屈服强度的内在因素有:
结合键、组织、结构、原子本性。如将金属的屈服强度与陶瓷、高分子材料比较可看出结合键的影响是根本性的。从组织结构的影响来看,可以有四种强化机制影响金属材料的屈服强度,这就是:
(1)固溶强化; (2)形变强化;
(3)沉淀强化和弥散强化;
(4)晶界和亚晶强化。
沉淀强化和细晶强化是工业合金中提高材料屈服强度的最常用的手段。在这几种强化机制中,前三种机制在提高材料强度的同时,也降低了塑性,只有细化晶粒和亚晶,既能提高强度又能增加塑性。
影响屈服强度的外在因素有:
温度、应变速率、应力状态。
随着温度的降低与应变速率的增高,材料的屈服强度升高,尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感,这导致了钢的低温脆化。应力状态的影响也很重要。
思考题2:
为什么材料的塑性要以延伸率和断面收缩率衡量?它们的工程意义是什么?
答:为了确定材料的塑性变形能力以及量化比较其塑性变形能力,而且保证塑性的度量标准真正反映材料本身的塑性好坏,而不受试样的长度和几何形状的影响,故采用延伸率和断面收缩率这两个指标来衡量。断后延伸率越大,断面收缩率越大,材料的塑性就越好,反之相反。而且实验表明:断面收缩率和材料的缺口敏感度有一定的关系,断面收缩率较低时,材料就对缺口比较敏感
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