一、           试验目的

1、测定低碳钢在退火、正火和淬火三种不同热处理状态下的强度与塑性性能；

2、测定低碳钢的应变硬化指数和应变硬化系数

二、           试验要求

按照相关国家标准（GB/T228-2002：金属材料室温拉伸试验方法）要求完成试验测量工作（标准的具体内容列于“四、试验准备内容”中）。

三、           引言

试验的目的是测定低碳钢在退火、正火和淬火三种不同状态下的强度与塑性性能；并测定低碳钢的应变硬化指数和应变硬化系数。

试验的原理是用适当的仪器拉伸试样，一般至试样断裂，用适当的测量工具量测试样的原始标距（L₀）、断后标距（L_u）、试样直径（d）以及试样断裂后缩颈处最小直径（d_u），并读出最大拉伸力（P_m）和试样应变为0.2时对应的拉力（P_0.2）；之后根据计算公式对试验数据进行处理得出断后伸长率（A）、断面收缩率（Z）、抗拉强度（R_m）、非比例延伸强度（R_P0.2）等，最后进行误差分析。运用得出的数据，根据Hollomon公式以及线性拟合计算低碳钢的应变硬化指数n和应变硬化系数k。

试验一般在室温10℃~30℃的温度范围内进行，若对温度有严格要求，则温度应控制在23℃±5℃范围内。

四、           实验准备内容

4.1 试验材料与试样

4.1.1 试验材料

表1  试验材料

4.1.2 试样

本试验采用国标GB/T228-2002中规定的R4圆形截面比例试样。

表2  R4比例试样参数

图1  低碳钢拉伸试验R4试样

  4.2 试验测试内容与相关的测量工具、仪器、设备

试验中需要直接测量的物理量有：试样的原始标距（L₀）、断后标距（L_u）、试样直径（d）以及试样断裂后缩颈处最小直径（d_u）；试验机加载过程中的载荷（P）、标距段试样的长度改变量（ΔL）、试验机的横梁位移测量。

    (1)游标卡尺

a.国标GB/T228-2002中要求其分辨率应优于0.1mm，准确到±0.25；

b.实验室中游标卡尺的量程为150mm，精确度为0.02毫米。

游标卡尺用来测量试样的原始标距（L₀）、断后标距（L_u）、试样直径（d）以及试样断裂后缩颈处最小直径（d_u）。

(2)引伸计

a.国标GB/T228-2002中规定测定非比例延伸强度时应使用不劣于1级准确度的引伸计，测定抗拉强度时应使用不劣于2级准确度的引伸计；

b.实验室中使用电子引伸计，其规格为12.5/25，即标距为25mm，最大位移为12.5mm；精度在2%~100%FS内，精度优于示数的1%；变形传感器的精度为0.5级。

(3)材料试验机

a.国标GB/T228-2002中规定应使用1级或优于1级准确度的材料试验机。

b.实验室中的万能材料试验机的型号是“WDW-200D微机型控制电子式万能材料试验机”，其各项参数为：

最大试验力：200KN；

试验力准确度：优于示值的0.5%；

力值测量范围：最大试验力的0.4%~100%；

变形测量准确度：在引伸计满量程的2%~100%范围内优于示值的1%；

横梁位移测量：分辨率的0.001mm；

衡量速度范围：0.005mm/min~500mm/min；

载荷传感器的精度：0.5级。

(4)试样标线器

实验室中的试样标线器的规格为：每格10mm，一共10格；标距误差±1%。、

  4.3 实验步骤或程序

（一）实验前准备（由实验室老师完成）

1. 试样准备，包括加工和热处理；

2. 试验机和相关仪器、工具的准备。

（二）拉伸试验的准备（学生完成）

1. 将试样进行编号（每根试样的热处理信息未知，需由测量分析得出）；

2. 测量试样的原始直径。在试样标距范围内的两端和中间取三个横截面，每个横截面的相互垂直的方向上个测量一次，每根试样一共得到6个值，取其平均值得到每根试样的原始直径值；

2. 用试样标线器在每根试样上标识标距，每根试样用游标卡尺测量测量3次后取平均值得到其原始标距值；

3. 在万能材料试验机上装卡试样；

4. 安装引伸计，确保引伸计与计算机正确相连并可用；

5. 进行试验。通过计算机对试验机参数进行设置，之后启动加载程序，记录“力-延伸曲线”、上下屈服点对应的力、试验过程中的最大力；在达到最大力之后，取下引伸计，试验机继续加载直至试样断裂；停止试验机；

6. 取下试样，将两段试样沿断口对齐，用游标卡尺测量断后标距，测量3次取算数平均值；断口处最小直径，相互垂直的方向上各测量一次后取算数平均值；

7. 数据处理。

  4.4 试验数据处理方案

1. 对试验数据的有效性进行初步分析，原则上只有断裂处与最接近的标距标记的距离不小于原始标距的三分之一情况方为有效（GB/T228-2002）；

2. 将试样的尺寸参数输入计算机，绘制“应力-应变曲线”；

3. 进行数据处理：

a. 断后伸长率，

L₀、L_u的测量应准确到±0.25mm；

b. 断面收缩率 

横截面原始面积：S₀=，

横截面断后缩颈处最小面积：S_u=

  断面收缩率：

表3 量具或测量装置的分辨力

R4试样的横截面直径为10mm，因此本试验中量具的分辨力应不大于0.01mm；

断裂后最小横截面积的测定应准确到±2%

c. 规定非比例延伸强度

在“力-延伸曲线”上划一条与曲线的弹性直线段部分平行，且在延伸轴上与此直线段的距离等效于规定非比例延伸率0.2%的直线，此平行线与曲线的交截点给出相应于所求规定非比例延伸强度的力

规定非比例延伸强度：

d. 抗拉强度

对于呈现明显屈服现象的金属材料，读取过了屈服阶段之后的最大力；对于呈现无明显屈服现象的金属材料，读取试验过程中的最大力

抗拉强度：

e. 应变硬化指数n和应变硬化系数K

1) 在前面所绘制的“应力-应变曲线”上均匀变形阶段取有代表性的6个点；

2) 根据工程应力、工程应变和真应力、真应变之间的关系

   ， 

得出真应力和真应变；

3) 根据Hollomon公式，两边取对数得，将其抽象为Y=nX+b，进行线性拟合，其中Y=lnS，X=lne，b=lnK，经过计算得出应变硬化指数n和应变硬化系数K。

4. 误差分析

标距——方差

A,Z——误差传递公式

载荷精度和变形量的精度是什么？

修约规定

 

第二篇：拉伸试验预习报告

拉伸试验预习报告

一、试验目的

1、测定低碳钢在退火、正火和淬火三种不同热处理状态下的强度与塑性性能

2、测定低碳钢的应变硬化指数和应变硬化系数

二、试验要求：按照相关国标标准（GB/T228-2002：金属材料室温拉伸试验方法）要求完成试验测量工作。

三、引言

低碳钢在不同的热处理状态下的力学性能是不同的。为了测定不同热处理状态的低碳钢的力学性能，需要进行拉伸试验。

拉伸试验是材料力学性能测试中最常见试验方法之一。试验中的弹性变形、塑性变形、断裂等各阶段真实反映了材料抵抗外力作用的全过程。它具有简单易行、试样制备方便等特点。拉伸试验所得到的材料强度和塑性性能数据，对于设计和选材、新材料的研制、材料的采购和验收、产品的质量控制以及设备的安全和评估都有很重要的应用价值和参考价值

通过拉伸实验测定低碳钢在退火、正火和淬火三种不同热处理状态下的强度和塑形性能，并根据应力-应变曲线，确定应变硬化指数和系数。用这些数据来进行表征低碳钢的力学性能，并对不同热处理的低碳钢的相关数据进行对比，从而得到不同热处理对低碳钢的影响。

拉伸实验根据金属材料室温拉伸试验方法的国家标准，制定相关的试验材料和设备，试验的操作步骤等试验条件。

四、试验准备内容

    具体包括以下几个方面。

1、试验材料与试样

（1）试验材料的形状和尺寸的一般要求

试样的形状和尺寸取决于被试验金属产品的形状与尺寸。通过从产品、压制坯或铸件切取样坯经机加工制成样品。但具有恒定横截面的产品，例如型材、棒材、线材等，和铸造试样可以不经机加工而进行试验。

试样横截面可以为圆形、矩形、多边形、环形，特殊情况下可以为某些其他形状。

原始标距与横截面积有关系的试样称为比例试样。国际上使用的比例系数k的值为5.65。原始标距应不小于15mm。当试样横截面积太小，以至采用比例系数k=5.65的值不能符合这一最小标距要求时，可以采用较高的值，或者采用非比例试样。

本试验采用R4试样，标距长度50mm，直径为18mm。

尺寸公差为±0.07mm，形状公差为0.04mm。

（2）机加工的试样

如果试样的夹持端与平行长度的尺寸不同，他们之间应以过渡弧相连，此弧的过渡半径的尺寸可能很重要。

试样夹持端的形状应适合试验机的夹头。试样轴线应与力的作用线重合。

（5）原始横截面积的测定

原始横截面积的测定应准确到。比例试样的原始标距与横截面积有关系。国际上使用的比例系数k的值为5.65，也可以取11.3。本试验中试样的直径为10mm。

（6）低碳钢的热处理

1）退火工艺

退火是将金属和合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火后组织亚共析钢是铁素体加片状珠光体；共析钢或过共析钢则是粒状珠光体。总之退火组织是接近平衡状态的组织。

退火是钢厂最常用的热处理工艺，可以达到以下目的：(1)减小钢锭的成分偏析，使成分均匀化；(2)消除铸、锻件中存在的魏氏组织或带状组织，细化晶粒，均匀组织，并消除内应力；(3)降低硬度，提高塑性，以便于切削加工；(4)改善高碳钢中碳化物的形态和分布，为淬火做好组织准备。

在本实验中，我们所检测到的退火处理后材料性能的主要变化应为硬度的降低和塑形的升高。

2）淬火工艺

淬火是将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性，因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齿轮、轧辊、渗碳零件等）。通过淬火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之间的配合（综合机械性能）以满足不同的使用要求。

将钢加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。马氏体最主要的特性之一就是高强度和高硬度。

在本实验中，我们所检测到的淬火处理后材料性能的主要变化应为硬度的升高。

3）正火工艺

正火是将钢件加热到Ac3（或Acm）以上30～50℃，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺。把钢件加热到Ac3以上100～150℃的正火则称为高温正火。

对于中、低碳钢的铸、锻件正火的主要目的是细化组织。与退火相比，正火后珠光体片层较细、铁素体晶粒也比较细小，因而强度和硬度较高。

    对于低碳钢工件，由于退火后硬度太低，切削加工中易粘刀，光洁度交叉，效率低，故用正火来提高其硬度，改善其切削加工性能。^[1]

在本实验中，我们所检测到的正火处理后材料性能的主要变化应为硬度的升高。

（7）试样的制备

对于名义直径10mm的试样，尺寸公差为0.03mm。对于满足上述机加工条件的名义直径10mm的试样，沿其平行长度的最大直径和最小直径之差不应超过0.04mm。

2、试验测试内容与相关的测量工具、仪器、设备

试验测试的主要内容  拉伸曲线、伸长率、断面收缩率

测量工具  游标卡尺 划线仪器  引伸计YYU-25/50

测量设备  万能试验机WDW-200D

试验时的温度为室温10-35℃，较为严格的控制为23±5℃，加载速率为6-60MPa/s.

实验室条件：试验程序文件要求齐全，实验人员要求有资格认证

2.1引申计

引申计刀口间距为50.0mm，测量范围为标距最大为25mm，精度在（2-100%）FS内精度优于示数的1%。

2.2游标卡尺

游标卡尺的量程：200mm 分度：50 最小分辨能力：0.02mm

2.3试样标线器

每格为10mm，一共有10个格，标距误差为±1%

2.4万能试验机的主要技术指标

1.测量范围：<=200kN　　

2.试验力准确度：优于示值的0.5%　

3.力值测量范围：最大试验力的0.4%-100%　

4.变形测量准确度：在引申计满量程的2%-100%范围内优于示值的1%　　　

5.横梁位移测量：分辨率的0.001mm　　

6.横梁速度范围：0.005mm/min-500mm/min　

7.夹具形式：标准楔形拉伸附具、压缩附具、弯曲附具

计算机中测力的精度为千分之五，加载载荷的速度为6mm/min　　

由试验的样品直径为18mm（假设试验中横截面积基本不变），低碳钢的弹性模量约为210GPa，可以得到试样屈服时的拉力为47.6kN，万能试验机满足试验的要求。

3、试验步骤或程序

 划线测量

（1）利用游标卡尺测量样品的直径，在不同的部位测量三次，用直尺测量样品的原始标距，同样取不同位置测量三次。然后使用划线器在试样上画出试样的标距。

按照试样

（2）将样品安装在万能拉伸试验机上，按照试验机的操作流程，对样品进行拉伸，在电脑上记录拉伸曲线

界面操作

（3）设置电脑屏幕上的各种拉伸参数，将初始数据设置为零，点击开始按钮，开始拉伸试验。当拉伸量趋于平稳，将引申计取下，避免破坏设备。

拉伸过程

（4）继续拉伸试样，直到试样断裂。将试样从试验机上取下，观察端口形貌。可以看到端口周边的剪切唇。

测量断后试样

（5）按照国标精度，测量断后试样颈缩直径、断后标距长度。试样旋转90度，再测量一遍。

输出报告

（6）根据拉伸过程中测得的应力、位移和塑形变形的数据，按照国家标准给定的数据处理方式，计算机输出拉伸试验测得的四项拉伸强度和拉伸塑形的测试结果。

4、试验数据处理方案

4.1将试验测得的数据进行整理：

表1 拉伸前试样的直径

表2  1号试样断后标距和断后直径

表3  2号试样断后标距和断后直径

表4  3号试样断后标距和断后直径

国标规定断后标距方差小于0.25mm，直径Δdu/du<1%

（1）对2号样品的断后标距进行验证，通过测量的六个标距可以求得平均值

=61.62mm

由此可以求的六组数据的方差为

=0.06mm

由于0.06mm<0.25mm，因此所测得的断后标距的误差范围符合国家标准。

（2）对3号样品的断后直径进行验证，通过测量六组数据可以得到平均值

=5.74mm

由此可以求的六组数据的方差为

=0.0461mm

由于0.0461mm<5.74*1%=0.0574mm，因此所测得的断后标距的误差范围符合国家标准。

断面面积、截面收缩率、试样拉伸伸长率

4.2修约

测验测定的性能结果数值应按照相关产品标准的要求进行修约。如未规定具体要求，应按照下表要求进行修约。

性能结果数值的修约间隔

4.2伸长率、截面收缩率和拉伸曲线的处理

4.2.1伸长率

将样品断裂前的原始标距和断裂后的断后标距进行整理，分别将两组数据进行平均，取平均值后，利用公式 得到伸长率

4.2.2截面收缩率

将样品断裂前的直径和断裂后的直径进行整理，分别将两组数据进行平均，取平均值，利用公式得到截面收缩率

4.2.3拉伸曲线

从拉伸曲线可以直接得到屈服强度和抗拉强度。

真应力与工程应力的换算公式为，真应变与工程应变的换算公式为。在均匀变形的塑形阶段，均匀选取5个点，记录这5个点的工程应力、工程应变值。

Hollomno公式为在真应力-真应变曲线下，表征金属应变硬化能力的经验公式，其经验表达式为：

    

其中K称为应变硬化系数，n称为应变硬化指数，S为真应力，e为真应变。

由拉伸曲线选取的点可以得到lnS对lne的直线关系，经拟合可以得到直线的斜率为n，直线的截距为lnk，由此可以得到n和k的值（k为应变硬化系数，n为应变硬化指数）。

4.3误差分析

4.3.1误差定义

由于仪器、实验条件、环境等因素的限制，测量不可能无限精确，物理量的测量值与客观存在的真实值之间总会存在着一定的差异，这种差异就是测量误差。

4.3.2误差分类

误差分为系统误差、偶然误差和粗大误差

（1）系统误差有一定的规律性，可以通过改进试验方案消除

（2）偶然误差随机出现，但遵循一定的统计规律，可以通过多次测量取平均值的方法减小偶然误差

（3）粗大误差是由于测量的人的过失引起的误差。

4.3.3误差的传递

误差的传递取决于误差性质以及分析结果与测量值之间的计量关系

传递的基本公式

则

绝对误差传递公式

1）初始横截面积测量误差

2）同理可以得到断后横截面积测量误差

3）断后伸长率的计算误差

4）同理可得断面收缩率

  

参考文献

[1]GB/T 228-2002 金属材料室温拉伸试验方法[S].2002.

[2]杨王玥，强文江，等.材料力学行为[M].北京：化学工业出版社，2009.