金属拉伸实验报告

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【实验目的】1、测定低碳钢的屈服强度REh、ReL及Re、抗拉强度Rm、断后伸长率A和断面收缩率Z。2、测定铸铁的抗拉强度Rm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。【实验设备和器材】1、电子万能试验机WD-200B型2、游标卡尺3、电子引伸计【实验原理概述】???为了便于比较实验结果，按国家标准GB228—76中的有关规定,实验材料要按上述标准做成比例试件,即：????圆形截面试件：L0=10d0(长试件)????式中:L0--试件的初始计算长度(即试件的标距);???--试件的初始截面面积;???d0--试件在标距内的初始直径????实验室里使用的金属拉伸试件通常制成标准圆形截面试件,如图1所示图1拉伸试件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（a）低碳钢拉伸曲线图（b）铸铁拉伸曲线图图2－2由试验机绘图装置绘出的拉伸曲线图较大，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FP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FP。在FP的上方附近有一点是Fc，若拉力小于Fc而卸载时，卸载后试样立刻恢复原状，若拉力大于Fc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Fc是代表材料弹性极限的力值。图2－3低碳钢的冷作硬化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FeL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FeH（上屈服荷载）和不计初瞬时效应时屈服阶段中的最小力FeL（下屈服荷载）或首次停止转动指示的恒定力FeL（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ReH和下屈服强度ReL。即ReH=FeH/S0ReL=FeL/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Fm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Fm为材料的抗拉强度力值，由公式Rm=Fm/S0即可得到材料的抗拉强度Rm。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Fm后，示力指针由最大力Fm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Lu和断口处最小直径du，计算断后最小截面积（Su），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Fm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Rm=Fm/S0即可得到其抗拉强度Rm，而由公式则可求得其断后伸长率A。【实验步骤】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5mm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Rm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、装载电子引伸计：将电子引伸计装载在低碳钢试样上，注意电子引伸计要在比例极限处卸载。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6～60MPa/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， 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上屈服点FeH（主动针首次回转前的最大力）和下屈服点FeL（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）。图2－4屈服荷载的确定根据国标规定，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Fm（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Lu和颈处的最小直径du（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Su。图2－5移位法测量Lu注意：在测定Lu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，Lu=AC+BC，符合图（b）情况的，Lu=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：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Fm。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Lu（直接用游标卡尺测量标距两端点的距离）。7、归整实验设备：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【实验记录】表2－1、试样原始尺寸 材料 标距L0/mm 直径d0/mm 原始横截面面积S0/mm2 截面I 截面II 截面III 1 2 平均 1 2 平均 1 2 平均 低碳钢 100.0 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 78.54 铸铁 100.0 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 10.00 78.54表2－2、试验数据记录单位：KN 材料 上屈服荷载FeH 下屈服荷载FeL 屈服荷载Fe 最大荷载Fm 低碳钢 28.56 25.99 25.99 35.87 铸铁 ╱ ╱ ╱ 13.21表2－3、试样断后尺寸 材料 标距Lu/mm 断后伸长Lu－L0/mm 断后缩颈处最小直径du/mm 断后最小横截面积Su/mm2 1 2 平均 低碳钢 100.0 24.16 5.700 5.700 5.700 25.52 铸铁 100.0 10.06 ╱ ╱ ╱ ╱【数据处理】由实验报告机提供的实验数据，有低碳钢和铸铁上屈服强度，下屈服强度，抗拉强度，计算公式如下：低碳钢的上屈服强度：低碳钢的下屈服强度：低碳钢的抗拉强度：低碳钢的断后伸长率：低碳钢的断面收缩率：铸铁的抗拉强度：铸铁的断后伸长率：低碳钢的端口发生在第五格和第六格之间，符合实验要求故实验数据处理结果如下表： 材料 上屈服强度ReH/GPa 下屈服强度ReL/GPa 抗拉强度Rm/GPa 断后伸长率/％ 断面收缩率Ψ/％ 低碳钢 0.3636 0.3309 0.4567 24.16 67.51 铸铁 ╱ ╱ 0.1682 10.06 ╱绘制σ-ε简图以及端口形状断口形状：【实验讨论】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？答：拉力试件分为比例试件和非比例试件。比例试件的标距长度与横截面积之间具有如下关系：，常数k通常为5.65和11.3，前者称为短试件，后者称为长试件。所以，长试件满足，短试件满足。因为，试件的形状、尺寸、公差和表面粗糙度（不同），会对试验数据（结果）产生影响的，因此要做出规定的，使得检测结果标准化。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？答：主要分四个阶段。第一个阶段为弹性阶段，即，在拉伸的初始阶段，拉伸与压缩满足正比例关系，这一段的拉伸曲线为直线。在这个阶段卸除载荷，材料可以恢复变形。第二阶段为屈服阶段，在应力增加到某一个值的时候，应变有非常明显的增大，在曲线上表示为接近水平线的小锯齿状折线。第三阶段为强化阶段，即，过屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形必须增大拉力，在曲线上表示为缓慢上涨的弧线。第四阶段为局部变形阶段，此时在试样的某一局部范围发生横截面积迅速减小的现象，此时拉力减小，曲线表示为迅速下降，直至试样被拉断，无拉力作用。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Rm呢？答：因为要算的是抗拉强度。缩小的断口处，其内部结构与初始的材料已经完全不同了，是不能用以表证原材质的。样品的断口要缩小，同样的材料在相同的情况下也应该缩小。这个抗拉强度是用来给实际使用提供依据的，所以应该按照原尺寸进行计算。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？答：材料成分相同，内部组织相同，只有长短不同的话，得出来的数据应该基本相同，因为伸长率和断面收缩率这两个量是表征材料的本质属性，前面的成分组织一样，后面的数据也应该是一样的。只不过，在实际试验的过程中，由于材料均质以及夹持位置对试验结果的影响，其实验结果会略有不同，只是无实质性的差异。5、低碳钢试样拉伸断裂时的荷载比最大荷载Fm要小，按公式R=F/S0计算，断裂时的应力比Rm小。为什么应力减小后试样反而断裂？答：因为在拉伸的最后阶段，出现了局部变形，在那个位置发生了颈缩现象，使得颈缩部位横截面面积减小，虽然应力减小了，实际上作用在单位面积上的拉力还是增大的，所以使得试样被拉断。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？答：铸铁是脆性材料，试样在拉伸实验中不会发生颈缩现象，故端口为横截面。铸铁在受拉的同时还受到夹具给试件的力，试件的中部只受到拉应力而根部除了拉应力外还会受到来自夹具的扭转力，故一般端口会在根部。