金属单向静拉伸实验讲义

一、实验目的

1．了解拉伸实验机的基本原理和操作规程。

2．掌握金属拉伸性能指标的测定方法

3. 熟悉标准光滑拉伸试样的规范。

二、实验原理

Ⅰ 低碳钢（Q235钢）拉伸实验原理

做拉伸实验时，利用万能材料试验机的自动绘图装置及拉伸过程各特征点的示力度盘读数或电子拉力试验机的X—Y函数记录仪，可测绘出低碳钢试样的拉伸图，即图1所示的拉力F与伸长L_u—L₀之间关系曲线。图中起始阶段呈曲线，是由于试样头部在试验机夹具内有轻微滑动及试验机各部分存在间隙等原因造成的。分析时可将其忽略直接把图中的直线段延长与横坐标相交于O点，作为其坐标原点。拉伸图形象地描绘出钢材的受力变形特征以及各阶段受力与变形之间的关系，但同一种钢材的拉伸曲线会因试样尺寸不同而异。为了使同一种钢材不同尺寸试样的拉伸过程及其特性点便于比较，以消除试样几何尺寸的影响，可将拉伸曲线图的纵坐标（拉力F）除以试样的原始横截面面积S₀，并将横坐标（伸长ΔL）除以试样的原始标距L₀，这样得到的曲线便与试样尺寸无关，此曲线称为应力—应变曲线如图2所示。从曲线上可以看出，它与拉伸图曲线相似，更清晰表征了钢材的力学性能。拉伸实验过程分为四个阶段如图1和图2所示。

           

图1  低碳钢试样拉伸图   图2  低碳钢应力延伸率图     

（1）弹性阶段OA：在此阶段中的OP段，其拉力F和伸长ΔL成正比关系，表明钢材的应力R与延伸率（或称应变）为线性关系，完全遵循虎克定律，则OP段称为线弹性阶段。故点P对应的应力RF称为材料的比例极限，如图3所示。在此弹性阶段内可以测定材料的弹性模量E，它是材料的弹性性质优劣的重要特征之一。实验时如果当应力继续增加达到A点所对应的应力Re时，则应力与应变之间的关系不再是线性关系，但变形仍然是弹性的，即卸除拉力后变形完全消失，这呈现出非线性弹性性质。故A点对应的应力Re称为材料的弹性极限，把PA段称为非线性弹性阶段。工程上对材料的弹性极限（非线性阶段）和比例极限（线弹性阶段）并不严格区分，而是把拉力卸掉后，用精密仪器测定其不能恢复的塑性应变约为0.02%所对应的应力值界定为规定非比例伸长应力（或称条件弹性极限）Re_0.02，它是控制钢材在弹性变形范围内工作的有效指标，在工程上很有实用价值。

（2）屈服阶段AS′：当应力超过弹性极限继续增加达到锯齿状曲线SS′时，示力度盘上的指针暂停转动或开始稍微回转并往复运动，这时在试样表面上可看到表征金属晶体滑移的迹线，大约与试样轴线成45°方向的螺旋线。这种现象表征试样在承受的拉力不继续增加或稍微减小的情况下却继续伸长达到塑性变形发生，这种现象称为试样材料的屈服，其相对应的应力称为屈服应力（或屈服强度）。示力度盘的指针首次回转前的最高应力ReH称为上屈服强度，在屈服阶段不计初始瞬时效应时的最低应力Re_L称为下屈服强度。由于上屈服强度受试验速率、试样变形速率和试样形式等因素的影响不够稳定，而下屈服强度则比较稳定，故工程中一般要求准确测定下屈服强度Re_L作为材料的屈服极限σs。其计算公式为Re_L= Fe_L/S₀。如果材料没有明显的屈服现象时，工程上常用产生规定残余延伸率为0.2%时的应力Rr0.2作为规定残余延伸强度，又称条件屈服极限σr_0.2。屈服强度（或屈服极限）是衡量材料强度性能优劣的一个重要指标。本实验要求准确测定其屈服强度。

（3）强化阶段S′B：当过了屈服阶段后，试样材料因发生明显塑性变形，其内部晶体组织结构重新得到了排列调整，其抵抗变形的能力有所增强，随着拉力的增加，伸长变形也随之增加，故拉伸曲线继续上凸升高形成S′B曲线段，称为试样材料的强化阶段。在该阶段中试样随着塑性变形量累积增大，促使材料的力学性能也发生变化，即材料的塑性变形性能劣化，材料抵抗变形能力提高，这种特征称为形变强化或冷作硬化。当拉力增加达到拉伸曲线顶点B时，示力度盘上的主动针开始返回，而被动针所指的最大拉力为Fm，依它求得材料抗拉强度Rm = Fm/S₀，它也是衡量材料强度性能优劣的又一重要指标。本实验也要准确测定其抗拉强度。

（4）颈缩和断裂阶段BK：对于低碳钢类塑性材料来说，在承受拉力达Fm以前，试样发生的变形在各处基本上是均匀的。但在达到Fm以后，则变形主要集中于试样的某一局部区域，在该区域处横截面面积急剧缩小，这种特征就是所谓颈缩现象。试验中试样一旦出

图3  低碳钢试样断口

现“颈缩”，此时拉力随即下降，示力度盘上的主动针继续回转，直至试样被拉断，则拉伸曲线由顶点B急剧下降至断裂点K，故称曲线BK阶段为颈缩和断裂阶段。试样拉断后，弹性变形消失，而塑性变形则保留在拉断的试样上，其断口形貌成杯锥状如图3所示。利用试样原始标距内的残余变形来计算材料的断后伸长率A和断面收缩率Z，其计算公式为：

断后伸长率  ；断面收缩率  。

式中L₀为原始标距长度，S₀为原始横截面面积，L_u为试样断裂后标距长度，S_u为试样断裂后颈缩处最小横截面面积。

Ⅱ 铸铁拉伸实验原理

对铸铁试样做拉伸实验时，利用试验机的自动绘图装置可绘出铸铁试样的拉伸图，如图4所示。实验表明，在整个拉伸过程中试样变形很小，无屈服和颈缩现象，拉伸图上无明显直线段，拉伸曲线很快达到最大拉力Fm，试样突然发生断裂，其断口平齐粗糙，是一种典型的脆性破坏断口如图5所示。其抗拉强度（或强度极限）Rm = Fm/S₀，它远小于低碳钢材料的抗拉强度。

 

图4  铸铁试样拉伸图

 

图5  铸铁试样断口

三、拉伸性能指标测定方法概述

本试验主要测定主属材料的R_eH、R_eL、A和Z等性能指标。根据国家标准GB/T228.1－2010金属材料室温拉伸试验方法，上述性能指标的测定方法如下：

１、 屈服强度：金属材料呈屈服现象时，在试验期间达到塑性变形而力不增加的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。

上屈服强度：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力。即R_eH = F_eH/S₀， 

下屈服强度：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最小应力。即R_eL = F_eL/S₀

其值可借助于试验机测力度盘的指针或拉伸曲线来确定。

２、规定残余延伸强度；

对于无明显物理屈服现象的材料，则应测定其屈服强度Rp_0.2。 0.2为试样在拉伸过程中标距部分残余伸长达原标距长度的0.2％时的应力。

屈服强度载荷Rp_0.2可用图解法或引伸计法测定。

３、抗拉强度 Rm

将试样加载至断裂，自测力度盘或拉伸曲线上读出试样拉断前的最大载荷Fm，Fm所对应之应力即为抗拉强度R_m= F_m/S₀。

 ４、断后伸长率：A

伸长率A为试样拉断后标距长度的增量Lu-Lo与原标距长度Lo的百分比，即 

由于试样断裂位置对A有影响，其中以断在正中的试样伸长率最大。因此，测量断后标距部分长度Lu时。规定以断在正中试样的Lu为标准，若不是断在正中者，则应换算到相当于正中的Lu。为此，试样在拉伸前应将标距部分划为 10等分，划上标记。测量时分为两种情况：

（1）如果拉断处到邻近标距端点的距离大于1／3，可直接测量断后两端点的距离为Lu。

（2）如果拉断处到邻近标距端点的距离小于或等于1／3，要用移位法换算Lu。

对于拉断后的低碳钢试样，要分别量测断裂后的标距Lu和颈缩处的最小直径du。按照GB/T 228.1—2010中的规定测定L_u时，将试样断裂后的两段在断口处紧密地对接起来，尽量使其轴线位于一条直线上，直接测量原始标距两端的距离即得Lu值。如果断口处到最邻近标距端点的距离小于或等于（1/3）L₀时，则需要用GB/T 228.1—2010中附录F《移位方法测定断后伸长率》的方法来计算试样断后伸长率。如图7所示，试验前将试样原始标距L₀细分为N（例如10）等分，在试验后，以符号X表示断裂后试样短段的标距标记，以符号Y表示断裂试样长段的等分标记，此标记与断裂处的距离最接近于断裂处至标距标记X的距离。如X与Y之间的分格数为n，可按下述情况分别测定断后伸长率：

图7  移位方法的图示说明

（1）若N-n为偶数时如图7a所示，测量X与Y之间的距离和测量从Y至距离为 （N－n）个分格的Z标记之间的距离，则计算断裂伸长率公式为

（2）若N-n为奇数时如图7b所示，测量X与Y之间的距离，和测量从Y至距离分别为 （N－n－1）和 （N－n + 1）个分格的Z′和Z″标记之间的距离，则计算断裂伸长率公式为

５、断面收缩率：Z

断面收缩率Z为试样拉断后缩颈处横截面的最大缩减量Su与原横截面积So的百分比。即

测定Su的方法对于圆柱试样在缩颈最小处两个互相垂直方向上测其直径，然后取其算术平均值。

四、实验设备、仪器和试样

1、设备和仪器

(1). 液压式万能材料试验机

(2). 游标卡尺、手锤、冲头等。

２、试样

大量实验表明，实验时所用试样的形状、尺寸、取样位置和方向、表面粗糙度等因素，对其性能测试结果都有一定影响。为了使金属材料拉伸实验的结果具有符合性与可比性，国家制订有统一标准。本实验按照GB/T228.1-2010金属材料室温拉伸试验方法中试样的要求制备试样。拉伸试样系由夹持、过渡和平行三部分构成。试样两端较粗段为夹持部分，其形状和尺寸可依实验室现有使用试验机夹头情况而定；试样两夹持段之间的均匀部分为实验测试的平行部分；而夹持与平行二部分之间为过渡部分，通常用圆弧进行光滑连接，以减少应力集中。拉伸试验可分为机加工试样和不经机加工的原状全截面试样。通常采用机加工的圆形截面试样如图6（a）所示，亦可采用矩形截面试样如图6（b）所示。图中L_c为试样平行段长度，L₀为试样原始标距（或称测量伸长变形的工作长度），d为圆形试样平行部分的原始直径，a为矩形试样平行部分的原始厚度，b为矩形试样平行部分的原始宽度，S₀为试样平行部分原始横截面面积，r为过渡弧半径。拉伸试样分为比例和非比例标距两种。比例试样系按公式计算确定的试样，式中系数K通常为5.65或11.3，前者称为短试样，后者称为长试样。短试样的标距或L₀ = 5d，长试样的标距为或L₀ = 10d，一般都采用短比例标距试样。试样的材料及热处理状态为：20钢或45钢调质状态。

                                光滑拉伸试样图                                

五、实验步骤

1、了解拉伸试验机结构、基本原理；学习设备操作规程、安全事项和操作方法；调整好所用设备。

2、将领取的试样打上印记，测量试样尺寸，在试样标距上打冲眼，并用划针或封线

机画线，测量标距距离。对于缺口试样测定试样缺口处直径，计算有效面积，并将各试样的原始数据列表记录。

3、安装试样，按操作规程进行试验，记录相应的值。

4、测量拉断试样的Lu及Su；处理拉伸曲线，分别求出R_eH、R_eL、A和Z值，列成表格记录下来。

5、计算试验结果。

6、对于缺口试样，观察试样断口，测出各区所占面积的百分数，并画出断口形貌示意图。

六、实验报告

1、  简述试验目的。

2、  简述实验设备、实验材料及试样形状与尺寸

3、  计算各试样的R_eH、R_eL、A和Z等性能指标。（附有拉伸曲线）

4、  绘制光滑、缺口拉伸试样宏观断口示意图，指出每个区的相对大小，说明原因、

                                                

 

第二篇：金属的单向静拉伸实验

金属的单向静拉伸实验

一、实验目的

1．了解拉伸实验机的基本原理和操作规程。

2．掌握金属拉伸性能指标的测定方法

3. 熟悉标准光滑拉伸试样的规范。

二、拉伸性能指标测定方法概述

本试验主要测定主属材料的_s、_b、δ和Ψ等性能指标。根据国家标准GB228－76《金属拉力试验法》，上述性能指标的测定方法如下：

    １、 屈服点

试样在拉伸过程中，载荷不增加或首次下降而仍继续伸长时的最小应力称为屈服点

式中，P_S为屈服点的载荷，F为试样标距部分原始截面积。

P_S之值可借助于试验机测力度盘的指针或拉伸曲线来确定。

   （1） 指针法；当测力计度盘的指针停止转动的恒定载荷或第一次回转的最小载荷即为此P_S。

   （2） 图示法：在拉伸曲线上找出屈服平台的恒定载荷或第一次下降的最小戴荷即为P_S。

２、屈服强度；

    对于无明显物理屈服现象的材料，则应测定其屈服强度_0.2。_0.2为试样在拉伸过程中标距部分残余伸长达原标距长度的0.2％时的应力。

屈服强度载荷_0.2可用图解法或引伸计法测定。

    ３、抗拉强度_b

将试样加载至断裂，自测力度盘或拉伸曲线上读出试样拉断前的最大载荷Pb，Pb所对应之应力即为抗拉强度_b。

４、伸长率δ

伸长率δ为试样拉断后标距长度的增量与原标距长度的百分比，即δ＝（Lk-L_０）/ L_０*100％。Lk和L_０分别为试样原标距长度和拉断后标距间的长度（mm）。

由于试样断裂位置对δ有影响，其中以断在正中的试样伸长率最大。因此，测量断后标距部分长度Lk时。规定以断在正中试样的Lk为标准，若不是断在正中者，则应换算到相当于正中的Lk。为此，试样在拉伸前应将标距部分划为 10等分，划上标记。测量时分为两种情况：

（1）如果拉断处到邻近标距端点的距离大于1／3，可直接测量断后两端点的距离为Lk。

（2）如果拉断处到邻近标距端点的距离小于或等于1／3，要用移位法换算Lk。

５、断面收缩率Ψ

断面收缩率Ψ为试样拉断后缩颈处横截面的最大缩减量与原横截面积的百分比。即

式中，F₀和F_k分别为试样原始横截面积和拉断后缩颈处的最小横截面积(mm²)。

测定F_k的方法对于圆柱试样在缩颈最小处两个互相垂直方向上测其直径，然后取其算术平均值。

三、实验设备、仪器和试样

1、设备和仪器

(1). 液压式万能材料试验机

 (2). 游标卡尺、手锤、冲头等。

２、试样

试样尺寸及加工精度在GB228－76中有具体规定，但试样头部形状及尺寸可视试验夹头要求而定。一般长30～40mm，图中标明为最短长度。本实验采用圆柱试样，如图所示，为光滑试样。

试样的材料及热处理状态为：２０钢或４５钢调质状态。

                                                           

                                光滑拉伸试样图                                

四、实验步骤

１、了解拉伸试验机结构、基本原理；学习设备操作规程、安全事项和操作方法；调

整好所用设备。

２、将领取的试样打上印记，测量试样尺寸，在试样标距上打冲眼，并用划针或封线

机画线，测量标距距离。对于缺口试样测定试样缺口处直径，计算有效面积，并将各试样的原始数据列表记录。

３、安装试样，按操作规程进行试验，记录相应的值。

４、测量拉断试样的Lk及Fk；处理拉伸曲线，分别求出Ps、P_0.2及P_b值，列成表格记

录下来。。

    ５、计算试验结果。对于缺口试样，观察试样断口，目测纤维区所占面积的百分数，并画断形貌示意图。

五、实验报告

１、    简述试验目的。

２、    简述实验设备、实验材料及试样形状与尺寸

３、    计算各试样的_s、_b、δ和Ψ等性能指标。（附有拉伸曲线）