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1、金属材料的拉伸、压缩实验指导书北京化工大目录实验一 金属材料的拉伸实验实验二 金属材料的压缩实验实验一 金属材料的拉伸实验金属材料的拉伸实验是研究金属材料力学性能的最基本的实验。方法简单，数据可靠， 一些工矿企业、研究所一般都用此类方法对金属材料进行出厂检验或进厂复检，用测得的各 项指标来评定材质和进行强度、刚度计算。因此，对金属材料进行轴向拉伸实验具有工程实 际意义。不同材料在轴向拉伸过程中会表现出不同的力学性质和现象。低碳钢和铸铁分别是典型 的塑性材料和脆性材料。低碳钢材料具有良好的塑性，在拉伸实验中的弹性、屈服、强化和 颈缩四个阶段尤为明显和清楚。铸铁材料受拉时处于脆性状态，其破坏是由拉
2、应力拉断。金属材料拉伸实验是指在室温条件下，将缓慢施加的单向拉伸载荷作用于表面光滑的拉 伸试件上，来测定材料力学拉伸性能的方法。最常用拉伸试件的形状和尺寸如图 1-1 所示。(a)(b)图 1-1(a) 圆形试样 (b) 矩形试样若采用光滑圆柱试件，试件的标矩长度L比直径d要大的多;通常L 5d ,以使试件横 0 0 0 0 截面上的应力均匀地分布,实现轴向均匀加载.试件做成圆柱形是便于测量径向应变,试件的 加工也比较简单。当测量板材拉伸性能和带材的拉伸性能时 ,也可以采用板状试件，如图 l-l(b)所示。但试件的标矩长度L应满足下列关系：L =5.65A或11.3 A ；其中A为试件0 0
3、0 0 0 的初始横截面积。上式中的规定对应于圆柱试件中的L = 5d，L =10 d。拉伸试件的几何形状，尺寸及允 0 0 0 0许的加工误差，在国家标准GB2282002中作了相应的规定。金属材料拉伸实验是材料的力 学性能实验中最基本最重要的实验,是工程上广泛使用的测定力学性能的方法之一。实验目的1测定低碳钢试件的抗拉屈服极限 Rs；s2测定低碳钢试件的抗拉强度极限 Rb；b3测定低碳钢试件的延伸率 A；4测定低碳钢试件的截面收缩率 Z；5测定铸铁试件的抗拉强度极限 Rb；b6观察和比较塑性材料和脆性材料的破坏过程和破坏特征、力学现象；7熟悉电子万能材料试验机的操作和游标卡尺的使用；8了解
4、电子万能材料试验机的结构及工作原理,熟悉操作规程及正确使用方法9比较低碳钢和铸铁的机械性能特点并分析断口形状；二、实验设备1 电子万能材料试验机；图 1-2 电子万能试验机系统2 游标卡尺；3 拉伸试样, L =10 d ,将 L 十等分,用划线机刻划圆轴等分线,或用打点机打上等分点；0 0 04 打印机；三、拉伸试样的制备金属材料的机械性质的屈服应力R、强度应力Rb、延伸率A和截面收缩率Z是由拉伸sb实验来决定的。为此应首先用被测试的金属材料来制备试件。实验表明，试件的尺寸和形状 对实验结果具有一定的影响。为了避免这种影响和便于各种材料机械性质的数值能互相比 较，所以对试样的尺寸和形状，国家
5、有统一的规定。制定了国标。因此，应统一规定制备试 样。拉伸试样应按国际标准GB/228-2002（金属拉伸试验试样）进行加工。拉伸试样的形状随 金属产品的品种、规格及试验目的的不同而分为圆形、矩形及异形截面。最常用的是圆型和 矩形试样。如图 1-1 所示。圆形和矩形截面试件均由夹持段、过渡段和平行段三部分组成。试样多采用哑铃状，夹持部分稍粗，过渡部分以圆角与平行部分光滑连接，是用来夹持试件、传递拉力用的。以保证试样破坏时断口在平行部分。其形状和尺寸要与试验机的钳口夹块相匹配。一般对于直接用钳口夹紧的试样 ，其夹持部分长度应不小于钳口深度的 3/4。夹持部分的形状和尺寸依据试样大小、材料特性、试
6、验目的以及试验机夹具的结构进行设计。可制成圆柱形、阶梯形或螺纹形。平行部分用于测量拉伸变形，此段的长度 L 称为标矩。试件两头部之间的均匀段 0长度L应大于标距L，均匀段长度称为平行长度，用符号L表示。圆截面试样L三L +d,0 0 0矩形截面试样L三L +b/2,圆弧过渡应有足够大的过渡圆弧半径和台阶。脆性材料的圆角半 00 径要比塑性材料的圆角半径大一些，以减小应力集中，确保试样不会在该处断裂。拉力试件分为比例试件和非比例试件两种。比例试件是指标距长度与横截面面积间具有下列关系的试件L =KA。式中系数K通常为5.65和11.3,前者称为短试件，后者称为长试 00件。因此，对直径为 d 的
7、圆截面0短试样：L = 5.65 A = 5d ;ooo长试样：L = 11.3 A = 10 d ;0 0 0长圆试件的标矩长度分别等于 10d ；0非比例试件的标矩与其横截面间无上述一定关系，而是根据制品（薄板、薄带、细管、 细丝、型材等）的尺寸和材料的性质给以规定的平行长度 L 和标矩长度 L 。0 原始标矩与标称标矩的偏差应小于 5%。处理数据时可忽略偏差而直接用标称标矩计 算。标称标矩为：对试样形状、尺寸和加工技术要求在国家标准 GB/228-2002 中均有明确的规定。 试样表面的粗糙度同样应符合国际标准。四、实验原理及方法通常将整个实验过程中载荷与变形之间的关系，用一条以绝对伸长
8、L为横坐标，以拉 力 F 为纵坐标的载荷变形曲线来表示，这种曲线一般就叫做拉伸曲线。拉伸曲线是截面均 匀的试样在连续增长的轴向拉伸载荷作用下所测出的实验曲线。实验的结果可以全部在这根 曲线上观察到。如果把厶L除以标矩长度L0、F除以原始截面面积Ao，就得到应力应变之 间的关系曲线。以横坐标代表应变，以纵坐标代表应力，可以绘出应力应变曲线，这种曲线 可以消除试样尺寸的影响。首先将机器、计算机打开，布置如图 1-2 所示。D将试样装卡在试验机夹头内,我们将要对计算机进行实验方式等的设置，之后将匀速缓 慢加载（加载速度对力学性能是有影响的，速度越快，所测的强度值就越高），因此，我们 在设置实验速度时
9、不要设太大的速度，以免数据不准确。试样依次经过弹性、屈服、强化和 局部变形四个阶段，其中前三个阶段是均匀变形的。在实验过程中，力传感器和电子引伸计 分别将感受到的载荷和变形转换为电信号输入到计算机，计算机将显示出力和变形的曲线 图、力和变形的大小，另外计算机还可以计算出我们所需要的应力、应变以及其它参数值。 一低碳钢拉伸如图13 和图14 分别表示低碳钢拉伸时的拉伸图和低碳钢拉伸图与试样的对应关 系曲线。从图上来观察实验结果，可以发现塑性材料（这里以低碳钢为例）具有下列各种性质1弹性变形阶段弹性变形阶段是指曲线的起始部分，是没有任何残余变形，符合虎克定律，载荷与变形 并存，当载荷卸去后变形随即
10、恢复。在弹性阶段，存在一个比例极限点，对应的应力为比例 极限Rp这部分载荷与变形成比例，材料的弹性模量应在oa部分测出。使用引伸仪将变形 测出，计算机将自动计算出弹性模量 E。2屈服阶段金属材料的屈服是宏观塑性变形的开始，是位错增值和运动的结果。是由剪应力引起的。 超出弹性变形范围之后，材料产生了明显的塑性流动，此时，应力只有微小的增加，或者不 增加，或者在一个小范围内上下波动，于是应力应变曲线出现水平曲折或者锯齿形状。这种 载荷在一定范围内波动而试样还继续变形伸长的现象称为屈服现象。屈服阶段中一个重要的 力学性质就是屈服点，有些金属材料受力时具有明显的物理屈服现象，它们的F-Al曲线有 如图
11、1-5 所示的四种类型。1-5屈服点、上屈服点、下屈服点的定义低碳钢材料存在上屈服点和下屈服点，不加说明一般都是指下屈服点。上屈服点对应拉 伸图中的B点，记为Fsu，即试样发生屈服而力首次下降前的最大力值，它受变形速度和试 样形状的影响，一般不作为强度指标。同样，载荷首次下降的最低点（初始瞬时效应）也不 作为强度指标。一般将初始瞬时效应以后的最低载荷Fsl试样的初始横截面积S0作为屈服极 限Re。下屈服点对应拉伸图中的A点，记为Fsl,是指不记初始瞬时效应的屈服阶段中的最 低力值，注意这里的初始瞬时效应对于液压式万能试验机由于摆的回摆惯性尤其明显，而对 于电子万能试验机则不明显，只有在图上看到
12、。一般通过指针法和图示法来确定屈服点，综合起来具体读法为：当屈服出现一对峰谷 时，则对应于谷低点的位置就是屈服点；当屈服阶段出现多个波动峰谷时，则除去第一个谷 值后所余最小谷值点就是屈服点。图 1-5 给出了几种常见屈服现象和上、下屈服点的确定方 法。用上述方法确定屈服载荷，用（1-1）、（1-2）、（1-3）计算屈服点、上屈服点、下屈服点。R = F / S(1-1)eb0ReH=F / SSL0(1-2)R=F / S(1-3)eL SU 03强化阶段强化标志着材料抵抗继续变形的能力在不断地增强，同样也表明材料要继续变形，这就 要不断增加载荷，材料又恢复了抵抗变形的能力，材料在这一阶段均匀
13、变形，变形量增加。 在强化阶段如果要卸载，弹性变形会随之消失，塑性变形将会永久保留下来。强化阶段的卸 载路径与弹性曲线平行。卸载后重新加载时，加载曲线仍与弹性曲线平行。重新加载后材料 的比例极限明显提高。而塑性性能明显下降。这种现象称之为形变硬化或冷作硬化。冷作硬 化是金属材料的宝贵性质之一。工程中利用冷作硬化工艺的例子很多，如挤压、冷拔、喷丸 等。D点是拉伸曲线的最高点，载荷Fm，对应的应力是材料的强度载荷或抗拉强度极限， 记为R = F / Sm m 04.颈缩阶段对应于拉伸图的 CD 段，从试样承受最大应力点开始直到断裂点为止。在这个过程中， 试样的某个区域呈现颈缩现象，变形在局部进行，
14、由于局部的真应力急剧上升，载荷达到最 大值后，塑性变形开始在局部进行，这是因为在最大载荷 D 点以后，形变强化跟不上变形 的发展，由于材料本身缺陷的存在，于是均匀变形转化为集中变形，导致形成颈缩。颈缩阶 段，承载面积急剧减小，试样承受的载荷也不断下降，直至断裂。断裂后，试样的弹性变形 消失，塑性变性则永久保留在断裂的试样上，材料的塑性性能通常用试样断裂后残留的变形 来衡量。轴向拉伸的塑性性能通常用断后延伸率A和断后收缩率Z来表示， 塑性性能指标计算公式为：断后伸长率是试样拉断后标矩的伸长（Lu）与原始标矩（L。）之比的百分率，即L LA = u0 x 100L0断面收缩率是试样断裂后试样横截面
15、积的最大收缩量（So-Su）原始横截面积（S。）之比 的百分率。S SZ = u0 x 100S0 塑性材料试样的塑性变形（颈缩部分）集中在颈缩处并向两边逐渐减小，颈缩部分的变形在 总变形中占很大的比例，研究表明，低碳钢试样颈缩部分的变形占塑性变形的 80%左右， 见图 1-6。测定断后伸长率时，颈缩部分及其影响区的塑性变形都包含在Lu之内，这就要求断口 位置到最临近的标矩线大于L0，此时可直接测量试样标矩两端的距离得到断后伸长否3 则就要用移位法，就是假想使断口居于标矩的中央附近。若断口落在标矩之外则试验无效。 因此断口位置不同，标矩部分的塑性伸长Lu也不同。断口在试样中部，发生严重塑性变形 的颈缩段全部在塑性长度Lu内，塑性长度Lu就有较大的塑性伸长量，若断口距标矩Lu端 较近，则发生严重塑性变形的颈缩端只有一部分在标矩长度内，另一部分在标矩长度外，因 此，标矩长度的塑性伸长量就小。这种情况可以用断口移位法解决，这说明断口位置对测得 的伸长率有影响。为避免这种影响，国际标准对Lu的测定作了规定，记忆上原则上只有断 裂处与最接近的标矩标记的距离不小于原始标矩的三分之一情况方为有效，但断后伸长率大
