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R_Eh 、R_eL及R_e 、抗拉强度R_m、断后伸长率A和断面收缩率Z。

2、测定铸铁的抗拉强度R_m和断后伸长率A。

3、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2－1），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L_c按现行国家标准中的规定取L_o+d，L_o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 228—2002标准——《金属材料  室温拉伸试验方法》的规定，在室温10℃～35℃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2－2所示）。

应当指出，试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形ΔL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。

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F_P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F_P。

在F_P的上方附近有一点是F_c，若拉力小于F_c而卸载时，卸载后试样立刻恢复原状，若拉力大于F_c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_c是代表材料弹性极限的力值。

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F_eL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F_eH（上屈服荷载）和不计初瞬时效应时屈服阶段中的最小力F_eL（下屈服荷载）或首次停止转动指示的恒定力F_eL（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R_eH和下屈服强度R_eL。即

R_eH= F_eH/S₀              R_eL = F_eL/S₀

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_m之前，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_m为材料的抗拉强度力值，由公式R_m=F_m/S₀ 即可得到材料的抗拉强度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F_m后，示力指针由最大力F_m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L_u和断口处最小直径d_u，计算断后最小截面积（S_u），由计算公式

 、     

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A＜5％ 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2－2b所示），只有断裂时的应力值——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_m而突然发生断裂，其抗拉强度也远小于低碳钢的抗拉强度。同样，由公式R_m=F_m/S₀ 即可得到其抗拉强度R_m，而由公式 则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R_m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6～60 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F_eH（主动针首次回转前的最大力）和下屈服点F_eL（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2－4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0.00025～0.0025∕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）。

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——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_m（从动针最后停留的位置）。

6、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L_u和颈处的最小直径d_u（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_u。

注意：在测定L_u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，则按图2－5所示的移位法测定：符合图（a）情况的，L_u=AC+BC，符合图（b）情况的，L_u=AC₁+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_m。

6、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L_u（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2－1、试样原始尺寸

                          表2－2、试验数据记录               单位：KN

表2－3、试样断后尺寸

[数据处理]

[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σ－ε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F－ΔL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？

2、参考试验机自动绘图仪绘出的拉伸图，分析低碳钢试样从加力至断裂的过程可分为哪几个阶段？相应于每一阶段的拉伸曲线各有什么特点？

*3、为什么不顾试样断口的明显缩小，仍以原始截面积S₀计算低碳钢的抗拉强度R_m呢？

4、有材料和直径均相同的长试样和短试样各一个，用它们测得的断后伸长率、断面收缩率、下屈服强度和抗拉强度是否基本相同？为什么？

5、低碳钢试样拉伸断裂时的荷载比最大荷载F_m要小，按公式R=F/S₀计算，断裂时的应力比R_m小。为什么应力减小后试样反而断裂？

*6、铸铁试样拉伸试验中，断口为何是横截面？又为何大多在根部？

7、对于低碳钢材料的拉伸试验，当其断口不在标距长度中部三分之一区段内时，为什么要采用断口移中法测量断后标距？

*8、由拉伸试验测定的材料机械性能在工程上有何使用价值？

金属材料的压缩试验

[实验目的]

1、测定低碳钢的压缩屈服极限σ_sc。

2、测定铸铁的抗拉强度σ_bc。

3、观察并分析两种材料在压缩过程中的各种现象（主要是变形和破坏形式）。

4、比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）压缩机械性能的特点。

[使用设备]

万能试验机、游标卡尺等。

[试样]

本试验我们采用机加工的侧向无约束的φ10×20的圆柱体低碳钢试样和φ10×15的圆柱体铸铁试样（见图3－1）。

[实验原理]

将试样放在试验机的两压板之间，开动试验机缓慢进行加载，使试样受到缓慢增加的压力作用，示力指针缓慢匀速转动，并利用试验机的绘图装置自动绘出压缩图（见图3－2）。

由于试样两端不可能理想的平行，试验时必须使用球形承垫（见图3－3），并且试样应置于球形承垫中心，藉以球形承垫的自动调节作用实现试样的轴向受压。

1、低碳钢的压缩

试样开始变形时服从虎克定律，压缩曲线呈直线（见图3－2a）。在开始出现变形增长很快的非线性小段时，表示材料到达了屈服，但这时并不象拉伸那样有明显的屈服阶段，只是示力指针暂停转动或稍有返回，这暂停或返回的最小值即为压缩屈服荷载P_sc。此后，图形呈曲线上升，材料产生显著的残余变形，试样长度显著缩短，而直径增大。由于试验机压板与试样两端面之间的摩擦力，使试样两端的横向变形受到阻碍，因而试样被压成鼓形。随着荷载的逐渐增加，塑性变形迅速增长，试样的横截面面积也随之增大，而增大的面积又能承受更大的荷载，因此试样愈压愈扁，甚至可以压成薄饼状而不破裂，所以无法测出其最大荷载P_bc和抗压强度σ_bc。

根据测出的压缩屈服荷载P_sc，由公式σ_sc=P_sc/S₀即可求出材料的压缩屈服极限。

2、铸铁的压缩

铸铁试样在压缩时与拉伸明显不同，其压缩曲线上虽然仍没有明显的直线阶段和屈服阶段，但曲线明显变弯（见图3－2b），表明试样在达到最大荷载P_bc前就出现了明显的塑性变形，而其最大荷载P_bc也要比拉伸时的P_b大很多倍。当荷载达到最大荷载P_bc后稍有下降，然后破裂，并能听到沉闷的破裂声。

铸铁试样破裂后呈鼓形，并在与轴线大约成45⁰角的斜面上破裂（见图3－4），此破坏主要是由剪应力引起的。

由公式σ_bc= P_bc/S₀即可求出材料的抗压强度。

[实验步骤]

1、样尺寸测量：

用游标卡尺在试样标距中点处两个相互垂直的方向上测量直径，取其算术平均值，并计算其截面面积S₀。

2、试验机准备：

估计试验所需的最大荷载，选择合适的量程，配以相应的砝码砣，然后指针调零，并调整上下压板间距离合适，检查绘图装置工作是否正常。

3、安装试样：

将试样准确地置于下垫板中心（要注意试样纵轴中心线应与压头轴线重合）。

4、进行试验：

上升活动平台，使试样与上压板缓慢接触，并保证匀速加载。根据国标规定，在弹性（或接近弹性）范围，采用控制应力速率的方法，其速率控制在1～10 MPa/s范围内；在明显塑性变形范围，采用控制应变速率的方法，其速率控制在0.0005～0.0001/s范围内。对于低碳钢试样，在加载过程中要注意观察示力指针的转动情况和绘图纸上的压缩图（同时注意控制送油阀使送油速率合适，若送油速率太快就观察不到屈服时指针的停顿或返回，若送油速率太慢则在材料尚未屈服时指针也会停顿，无法准确地判断真实的屈服），以便及时而正确地测定屈服荷载P_sc，并记录下来。超过屈服阶段后，继续加载，使试样稍压扁即可停止试验。对于铸铁试样，加载至试样破坏为止，并记录最大荷载P_bc。

5、归整实验设备：

取下试样，观察试样破坏后的形状和断口形貌，并测量其尺寸。

6、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。

[数据记录]

表3－1、试样原始尺寸

表3－2、 试验数据记录及处理

表3－3、试样破坏后尺寸

[实验报告要求]

1、按要求进行数据处理。

2、按标准格式书写出完整的实验报告（内容要完整全面）。

3、实验报告中要画出试样破坏后形状示意图（特殊断面的正视图，按试样破坏后尺寸取一定比例画，并标出裂纹位置）。

4、分析说明为什么低碳钢压缩时测不出P_bc，而铸铁压缩时会在与轴线大约成45⁰角的斜面上破坏？

[思考题]

*1、在压缩试验中，对压缩试样有何要求？为什么？

2、分别比较低碳钢和铸铁在轴向拉伸和压缩下的力学性能。

3、根据低碳钢和铸铁的拉伸及压缩试验结果，比较塑性材料与脆性材料的力学性能以及它们的破坏形式，并说明它们的适用范围。

4、为什么铸铁试样在压缩时沿着与轴线大致成45⁰角的斜截面破坏？其破坏形式说明了什么？

5、低碳钢拉伸时有P_b，而压缩时测不出P_bc ，为什么还说它是拉压等强度材料，而说铸铁是拉压不等强度材料？