² 1² 实验一 金属拉伸试验 一、实验目的 1、掌握金属拉伸各性能指标的测定方法 2、学会正确使用金属拉伸试验设备和仪器 二、实验材料及设备 1、实验材料为 20 钢或 45 钢，正火处理 2、实验设备为 CMT5105、 CMT5305 型电子万能试验机 三、实验内容 1、测定单向拉伸时金属材料的强度及塑性指标 ReL， Rm， A， Z 2、绘制拉伸真实应力应变曲线 s-ψ e 及 lgs— lge 曲线，并测定 Sb、 SK、 n、 D 四、实验原理 金属拉伸试验是金属材料力学性能测试中最重要的试验方法之一 根据 GB/T228-2002《金属材料 室温拉伸试验方法》的规定，对一定形状的试样施加轴向试验力 F 拉至断裂，便可测出表征金属材料的物理屈服性能指标（上屈服强度 ReH、下屈服强度 ReL）、规定微量塑性伸长强度指标（规定非比例延伸强度 RP、规定总延伸强度 Rt、规定残余延伸强度 Rr）、强度性能指标（抗拉强度 Rm）及塑性性能指标（断后伸长率 A、屈服点伸长率 Ae、最大力下的总伸长率 Agt、最大力下的非比例伸长率 Ag 和断面收缩率 Z）。
这些性能指标的工程定义及测试方法如下 (一 ) 物理屈服性能指标 具有物理屈服现象的金属材料、其拉伸曲线 的类型如图 1-1 所示据此，可对各项物理屈服性能指标作如下定义 (a) (b) (c) (d) 图 1-1 具有物理屈服现象金属材料的拉伸曲线 (a)具有屈服平台的曲线 (b)、 (c)、 (d)具有上、下屈服点的曲线 屈服平台： 试样在拉伸试验过程中试 验力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力其拉伸曲线如图 1-1a 所示若试样原始横截面积为 So，则 eLeL oFR S如果在屈服过程中试验力发生下降（图 1-1b、 c、 d），则应区分上屈服强度 (ReH)和下屈服强度 (ReL) 上屈服强度 ReH： 试样发生屈服而试验力首次下降前的最高应力 ² 2² eR eHH oFS下屈服强度 ReL： 当不计初始瞬时效应（指在屈服过程中试验力第一次发生下降）时屈服阶段中的最低应力 eR eLL oFS一般在无特殊要求的情况下，只测定下屈服强度 ReL。
FeL、 FeH 等试验力值可用两种方法来测定： (1) 图解法 试验时用自动记录装置绘制力 — 伸长曲线图（见图 1-1）或力 — 夹头位移曲线图，然后从曲线上读取力首次下降前的最大力，代表 FeH；不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小力或屈服平台的恒定力，代表 FeL (2) 指针法 试验时观察拉伸试验机测力度盘的指针，指针首次回转前的最大试验力，代表 FeH，不计初始瞬时效应时屈服阶段中指示的最小试验力和指针停止转动时的恒定力代表 FeL (二 ) 规定微量塑性伸长强度指标 (1) 规定非比例延伸强度 (Rp)的测定 试样标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距百分比时的应力所谓非比例是指超出试验力与伸长成正比范围以外的伸长在图 1-2 中，当试验力为 F 时 ab段为比例伸长， bc（ OD）段为非比列伸长这种应力是在试样受力的条件下测定的，反映材料在试验力的作用下抵抗微量塑性变形的抗力表示这种强度的符号应附 以角注，以表明规定非比例伸长率ε p 之值例如， Rp0.1、 Rp0.2、 Rp0.5 等分别表示规定非比例伸长率 ε p 为 0.1%、 0.2%和 0.5%时的应力。
根据力一伸长曲线图测定规定非比例延伸强度在曲线图上，划一条与曲线的弹性直线段部分平行，且在伸长轴上与此直线段距离等效于规定非比例伸长率，例如 0.2%的直线此平行线与曲线的交截点便为所求的规定非比例延伸强度的力（ Fp0.2），此力除以试样的原始横截面积（ So）便得到规定非比例延伸强度（ Rp） R pp oFS(2) 规定残余延伸强度 (Rr)的测定 试样卸力后，其标距部分的残余伸长（如图 1-2 中 OE段）达到规定的原始标距百分比时的应力，与上述相同， Rr0.2 表示规定残余伸长率 ε r 为 0.2%时的应力 R rr oFS (3) 规定总延伸强度 (Rt) 试样标距部分的总伸长（包括比例伸长和非比例伸长，见图 1-2 中 ac或 OG段）达到规定的原始标距百分比时的应力表示此应力的符号也应附以脚注，以表明规定总伸长率 ε t之值例如 Rt0.5 表示规定总伸长率 ε t 为 0.5%时的应力 R tt oFS 图 1-2 试样伸长的定义 ab — 比例伸长； bc (OD) — 非比例伸长； ac (OG) — 总伸长； OE— 残余伸长； ² 3² (三 ) 抗拉强度 (Rm) 抗拉强度为试样拉伸过程中最大试验力所对应的应力。
从拉伸曲线图上的最高点可确定试验过程中的最大力 Fm（见图 1-3），或从试验机的测力度盘上读取最大力 Fm抗拉强度Rm 按下 式计算： R mm oFS (四 ) 塑性性能指标 塑性性能指标主要是“断后伸长率 A”和“断面收缩率 Z”对某些金属材料（如冲压用钢板），往往还要求测定“屈服点伸长率 Ae”、“最大试验力下的总伸长率 Agt”及“最大试验力下的非比例伸长率 Ag”这些指标的定义如下： 断后伸长率 A： 试样拉断后，标距部分的残余伸长与原始标距的百分比 a） b） 图 1-3 测定 Rm 的图解法 图 1-4 伸长率的定义及图解测定法 a）屈服点伸长率； b）最大试验力下的总伸长率和非比列伸长率 屈服点伸长率 Ae： 试样从开始屈服至屈服阶段结束（加工硬化开始）之间标距的伸长 OF（见图 1-4a）与原始标距的百分比 最大试验力下的非比例伸长率 Ag： 试样拉到最大力时，标距的非比例伸长 OJ （见图1-4b）与原始标距的百分比 最大试验力下的总伸长率 Agt： 试样拉到最大试验力时，标距的总伸长率 OI （图 1-4b）与原始标距的百分比。
断面收缩率 Z： 试样拉断后，颈缩处横截面的最大缩减量与原始横截面积的百分比 其测定方法分述如下： (1) 断后伸长率 A 的测定： A 是在试样拉断后测定的将拉断后的试样的断裂部分在断裂处紧密对接在一起，尽量使其轴线位于同一直线上，测出试样断裂后标距间的长度 Lμ，则断后伸长率的计算式为： 00 100μLLA%L 由于试样断裂位置对 A 的大小有影响，其中以断在正中的试样，其伸长率最大因此，断后标距 Lμ 的测量方法根据断裂位置不同而异，有如下两种： 1）直测法 如断裂处到最邻近标距端点的距离大于 L0/3 时，可直接测量标距两端点间的距离 2）移位法 如断裂处到最邻近标距端点的距离小于或等于 L0/3 时，则用移位法将断裂处移至试样中部来测量其方法如图 1-5 所示 ² 4² a) b) 图 1-5 用移位法测量 Lμ a) 余格为偶数； b) 余格为奇数 在断裂试样的长段上从断裂处 O 取基本等于短段格数，得 B 点（ OB 近似等于 OA）接着取等于长段所余格数（偶数，图 1-5a）的一半得 C 点，或取所余格数（奇数，图 1-5b）分别减 1 与加 1 的一半得 C 和 C1 点。
移位后的 Lμ分别为 AO+OB+2BC 和 AO+OB+BC+BC1 (2) 屈服点伸长率 Ae、最大试验力下的总伸长率 Agt 和最大试验力下的非比例伸长率 Ag 的测定： 这三个指标只能用图解法测定用自动记录装置绘制力 -伸长曲线图时，选择适当的力轴和伸长轴放大比例， 所使用的变形传感器标距 Le 应尽可能等于试样原始标距在图 1-4a 所示的曲线上，自屈服阶段结束点 G 作弹性直线段平行线 GF，交伸长轴于 F 点测量 OF之长，即可按下式计算出屈服点伸长率： 100e eOFA%nL （ n：伸长轴放大率） 在图 1-4b 中，自曲线最大力点 K 分别作力轴和弹性直线段的平行线 KI 和 KJ ，交伸长轴于 I 和 J 点，测量 OI 和 OJ 之长，即可按下式分别算出最大试验力下的总伸长率 Agt 和非比例伸长率 Ag 100gt eOIA%nL 100g eOJA%nL （ n：伸长轴放大率） (3) 断面收缩率 Z 的测定： Z 也是在试样断裂后测定的只要测出颈缩处最小横截面积Sμ，则可按下式算出 Z 值 ： 00 100μSS %S Sμ 的确定方法：将试样断裂部分仔细地配接在一起，使其轴线处于同一直线上。
对于圆形横截面试样，在缩颈最小处两个互相垂直的方向上测量其直径，用两者的算术平均值计算出 Sμ (五 ) 绘制真实应力应变曲线 S-ψ e 和求形变强化模数 D，应变硬化指数 n 的方法 真实伸长率 e 和真实断面收缩率 ψ e 通常称为真实变形 真实伸长率 0 0ll de le lnll真实断面收缩率 0 0AAe dA Aψ lnAA ² 5² 在均匀塑性变 形阶段，可以每隔一定载荷，测量试样直径及伸长，从而可计算出 S、 e、ψ e，绘出 S-e 或 S-ψ e 曲线由于在均匀塑性变形阶段， e 和 ψ e 绝对值相当，为简化操作，我们只需测量试样瞬时直径 d，从而计算出 S 和 ψ e，在达到最大值 Fm 之前，测量不少于六点 试样出现颈缩后，记录 Fm，放慢试验速度，使拉伸缓慢进行，每隔一定载荷，测量颈缩处直径，测量也不少于六点，同样计算出 S 和 ψ e，从而绘制出 S-|ψ e|曲线 形变强化模数 D 的求法只是近似的，可将 S-ψ e 曲线的直线部分向两端延长，它的斜率看作常数，计算出 tgα即为 D edsD tgαdψ 应变硬化指数 n 的求法也是近似的。
实验证明，均匀变形阶段，在双对数坐标下应力应变曲线是一条直线，可用 S=ken 表示lgs=lgk+nlge， n 为直线的斜率 因为在均匀塑性变形阶段， ee ψ ，所以测出一定荷载下试样的直径，即可求出 S，并可求出 e，从而可绘制出 lgS-lge 曲线，以此来求得 n 五、实验报告要求 1、记录试验过程中的原始数据 2、按原始数据绘制曲线并计算出各性能指标 ² 6² 实验二 硬度试验 一、实验目的 1、掌握金属布氏、洛氏、维氏硬度的试验原理和测定方法 2、了解各种硬度试验方法的特点、应用范围及选用原则 3、学会正确使用各种硬度计 二、实验内容 1、测定黄铜、工业铝、低碳钢、中碳钢、高碳钢等材料的布氏硬度（ HB）、洛氏硬度（ HRB）及维氏硬度（ HV），绘制 HB-HRB 和 HB-HV 曲线，比较它们之间的关系 2、测定淬火回火钢的 HRC，锉刀的 HRA 三、实验设备及材料 1、硬度计：布氏、洛氏、维氏硬度计各一台 2、读数放大镜：最小分度值为 0.01mm 两只 3、标准硬度块：不同硬度试验方法的二等标准硬度块各一块 4、实验材料：黄铜、工业铝、低碳钢、中碳钢、高碳钢、锉刀、淬火回火钢等。
四、实验原理 金属硬度试验是一种较为迅速而经济的力学性能试验方法，在生产及科研中应用非常广泛 硬度试验方法的种类很多，最常用的为压入法，其中包括布氏法、洛氏法、维氏法等 (一 ) 金属布氏硬度试验方法 图 2-1 为布氏硬度原。