力学性能实验

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1、专业实验（1）八：金属材料拉伸实验讲义一、金属拉伸实验目的 金属力学性能是承受外载荷而不发生失效的能力，力学性能的判据是表征和判定金属 力学性能所用的指标和依据，而其高低表征材料抵抗外力作用的能力水平，是评定金属测 量质量的重要依据。金属拉伸实验是金属材料力学性能测试中最重要的方法之一。通过拉 伸实验，可以测定材料的强度和弹性、塑性参数，为材料评价和选材提供了依据。同时熟 练掌握电子万能材料实验机的使用和操作，帮助进一步理解金属材料的强度及弹性塑性性 能参数的含义及测试方法。二、预习要求 要求学生实验前，认真阅读实验讲义以及相关参考资料，认真撰写预习报告。预习报 告不合格的学生不允许参与实验。

2、三、实验所需仪器设备万能材料试验机四、金属拉伸试验原理 单向拉伸试验是研究材料机械性能最基本、应用最广泛的试验。由于试验方法简单且 易于得到较可靠的试验数据，一般工厂中都广泛利用其试验结果来检验材料的机械性能。 试验提供的弹性模量、屈服强度、断裂强度、断裂总伸长率和断面收缩率等指标是评定材 质和进行强度和刚度计算的重要依据。金属材料出厂时一般都要提供上述指标以供使用和 参考。进行单向拉伸试验时，外力必须通过试样轴线以确保材料处于单向应力状态。一般试验机都能自动绘制F L曲线。F L形象地体现了材料的变形特点以及各阶段受力和 变形的关系。但是FL曲线的定量关系不仅取决于材质而且受试样几何尺寸的影

3、响。 因此，拉伸图往往用名义应力一应变曲线即O 曲线来表示：c = F石= ALL 0试样的名义应力试样的名义应变S和L分别代表试样初始条件下的面积和标距。o 曲线与FL曲线相似， 但消除了几何尺寸的影响，因此能代表材料的属性。单向拉伸条件下的一些机械性能指标 就是在O 曲线上定义的。如果试验能提供一条精确的拉伸图，那么单向拉伸条件下的 主要力性指标就可精确地测定。图 1：两种典型材料的 o 曲线（左边是低碳钢，右边是铸铁）不同性质的材料拉伸过程不同，其o 曲线也存在很大差异。低碳钢和铸铁是性 质截然不同的两种典型材料，它们的拉伸曲线在工程材料中具有典型意义，掌握它们的拉 伸过程和破坏特点有助

4、于正确合理地认识和选用材料。低碳钢具有良好的塑性，由其O 曲线（图1）可以看出，低碳钢断裂前明显分 为四个阶段：弹性阶段（OA）：试验的变形是弹性的。在这个范围内卸载，试验仍恢复原来的尺寸，没有任何残余变形。习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律，其应力、应变为正 比关系，即：1)比例系数E代表直线OA的斜率，称作材料的弹性模量。屈服（流动）阶段（ AB）： o 曲线上出现明显的屈服点。这表明材料暂时丧失抵 抗继续变形的能力。这时，应力基本上不变化，而变形迅速增长。从屈服阶段开始，材料 的变形包括弹性和塑性两部分。在这个范围内卸载，试验的弹性变形部分可以恢复，但塑 性形变却已永久发生，无法恢复

5、。强化阶段（BC）:屈服阶段结束后，O 曲线又开始上升，材料恢复了对继续变形 的抵抗能力，这表明材料要继续变形，载荷就必须不断增长。如果在这一阶段卸载，弹性 变形将随之消失，而塑性变形将永久保留下来，强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。但 重新加载后，材料的弹性阶段加长、屈服强度明显提高，而塑性却相应下降。这种现象叫 做形变强化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料极为宝贵的性质之一。塑性变形和形变强化 二者联合，是强化金属的重要手段。强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布的。随塑性变 形的增长，试样表面的滑移线亦愈趋明显。C点是O 曲线的最高点，定义为材料的强 度极限，又称作抗拉强度（R）,是材料均匀塑性

6、变形的最大抗力，是材料进入颈缩阶段m的标志。颈缩阶段（CD）:应力达到强度极限后，塑性变形开始在局部进行。局部截面急剧收 缩，承载面积急剧减少，试样承受的载荷很快下降，直至断裂。断裂时，试样的弹性变形 消失，塑性变形则遗留在破断的试样上。材料的塑性通常用试样断裂后的残余变形来衡量。单拉时的塑性指标用断后伸长率 A 和断面收缩率 Z 来表示。工程上通常认为，材料的断后伸长率 A5% 时属于韧断，而 A5% 则属于脆断。韧断的特征是断裂前有较大的宏观塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状 组织。低碳钢断裂时有很大的塑性变形，断口为杯状，周边为45 度的剪切唇，断口组织为 暗灰色纤维状，因此是一种典型的韧

7、性断口。如图2 （b）、（c）、（f）所示。J图2：典型材料的拉伸破坏断口（a）平面结晶状断口 ；（b）（c）杯状断口； （d） “星”状断口；（e）不规则韧状断口； （f）板试样杯状断口铸铁是典型的脆性材料， o 曲线如图 1 所示。其拉伸过程较低碳钢简单，可近似认为是经弹性阶段直接过渡到断裂。其破坏断口沿横截面方向，说明铸铁的断裂是由拉应力引起的，其强度指标只有抗拉强度（对有些没有屈服段的材料，也可由规定非比例伸长应力作为强度指标，如以0.2%的塑性变形R 来代表屈服强度）。由O 曲线可见，p0.2铸铁的断后伸长率很小，所以铸铁常在没有任何预兆的情况下突然发生脆断。因此这类材 料若使用不当

8、，极易发生事故。铸铁断口与正应力方向垂直，断口平齐为闪光的结晶状组 织（图2a），是一种典型的脆性断口。多数工程材料的拉伸曲线介于低碳钢和铸铁之间，常常只有两个或三个阶段（图 3）。 但强度、弹性塑性指标的定义和测量方法基本相同。所以，通过拉伸破坏试验，分析比较根据 GB/T 2282002 金属材料 室温拉伸试验方法的规定，对一定形状的试样施 加轴向力F拉至断裂，便可测出表征金属材料的弹性模量（E）、物理屈服性能指标（上屈 服点R、下屈服点R ）、规定微量塑性伸长应力指标（规定非比例伸长应力R、规定总伸 eH eL P长应力R、规定残余伸长应力R ）、强度性能指标（抗拉强度R ）及塑性性能指

9、标（断后 t r m伸长率A、屈服点伸长率A、最大力下的总伸长率A、最大力下的非比例伸长率A和断面 e gt g收缩率Z）。这些性能指标的工程定义及测试方法如下。（一） 弹性模量材料在弹性范围内服从虎克定律，弹性模量就是材料在比例极限内（弹性范围内）应 力与应变的比值，即应力应变曲线的斜率。表达式如下：2)计算机能自动算出样品的弹性模量。同时，我们也可以根据拉伸图或应力应变曲线计 算。方法是：将曲线弹性段在屈服载荷10%80%之间的部分平分为n段（n5），在相 邻两点之间用（式3）计算 E 。iE = AG = (AP)J0 i A S 0( A1 )i(i=1n-1)(3)最后Z 1E .i

10、4)-i1n 一 1二） 物理屈服性能指标具有物理屈服性能的金属材料，其拉伸曲线的类型如图 4 所示。据此，可对各项物理 屈服性能指标作如下定义：上（下）屈服强度：试样在拉伸过程中，伸长显著，而实验力基本不变。此时，样品 进入屈服阶段。其拉伸曲线如图 4-d 所示。大部分情况下，在屈服过程中实验力发生下降 （图1a、b、c）,分别用上、下屈服点来区分。图4是不同类型屈服曲线的上、下屈服 强度的定义。（三） 规定微量塑性伸长应力指标按照测试方法的不同，规定微量塑性伸长应力可分为“规定非比例伸长应力”、“规 定残余伸长应力”和“规定总伸长应力”。图 5 表示了样品在最大力以及断裂时的各项伸 长的定

11、义。规定非比例延伸强度 R ：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。所谓非比例伸长是指超出实验力与伸长成正比范围以外的伸长，其定义如图 6 所 示。如 R 表示规定非比例伸长率为 0.2%时的应力，对于没有屈服点的材料，可以用 RP0.2 P0.2 来表示屈服应力，称为名义屈服应力。规定残余强度 R ：试样卸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时r的应力，其定义如图7所示。与上述相同，R 表示规定残余伸长率为02%时的应力。r 0.2规定总延伸强度R：试样标距部分的总伸长（包括比例伸长和非比例伸长）达到规定 t的原始标距百分比时的应力，其定义如图 8 所示。

12、下面只简述规定非比例延伸强度 RP 的测定。在拉伸过程中自动记录绘制具有足够放大 倍数的力伸长曲线图（见图 9）。曲线高度应使规定非比例伸长的力值 FP 处于力轴量程 的1/2以上。放大倍数n的选择应使图中OC段长度不小于5mm。在曲线图上，自原点O起 在伸长轴上截取一相应于规定非比例伸长的OC段。过C点做弹性直线段的平行线CA，交 曲线于A点，A点所对应的力值F即所测定的非比例伸长力值。按（式5）计算出R：R规定非比例延伸图8 :规定总伸长强度力力图9：测定Rp的方辛注：图中数号的说明见表1。图6 :规定非比例延伸强度（R）（R）Pt注：图中数号的说明见表1。图 7：规定残余强度（ R ）a

13、)位移曲线非比例延伸超过0.2%的规小于厂|力一伸长曲线二;L力夹头位移许绘制力夹头位移曲线图（见图9b）测定 位移放大倍数的选择应使图中OC段的长度不o在生产检验 定非比例延伸强（四）抗拉强度Rm抗拉强度为试样拉段过程中最大实验力所对应的应力。从拉伸曲线上的最高点可确定 实验过程中的最大力F （见图10）。抗拉强度R按（式6）计算：mmRm5mm。6)图 10：测定 Rm 的图解法m（五） 塑性性能指标塑性性能指标主要是“断后延伸率A”和“断后收缩率Z”。对某些金属材料（如冲压 用钢板），往往还需要测定“屈服点伸长率A”、“最大试验力下的总伸长率A ”及“最 e gt大试验力下的非比例伸长率

14、A”。这些指标的定义如下：断后伸长率A试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。神长a)图11:伸长率的定义及图解测量法屈服点伸长率b）最大试验力下的总伸长率和非比例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e长OF （见图11a）与原始标距的百分比。最大试验力下的非比例伸长率A试样拉到最大力时，标距的非比例伸长OJ （见图g11-b ）与原始标距的百分比。最大试验力下的总伸长率A试样拉至最大试验力时，标距的总伸长01 （见图11-gtb）与原始标距的百分比。断面收缩率 Z 试样拉断后，颈缩处横截面积的最大减缩量与原始横截面积的百分 比。下面简要介绍断后伸

15、长率A和断面收缩率Z的测定方法：（1）断后伸长率A的测定A是在试样拉断后测定的。将试样断裂部分在断裂出紧密对接起来，尽量使其轴线位于一直线上，测出试样断裂后标距间的长度L,则断后伸长U 率的计算式为：A = Lo x 100 %L（10）0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伸长率最大。因此，断 后标距L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L/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12所示。0在断裂试样的长度上从断裂处0取基本等于短段格数，得B点（0B近似等于OA）。接 着取等于长度所余格数（偶数，图12 a）的一半得C点，或取所余格数（基数，图12- b）分别减1与加1的一半得C和q点。位移后的L1分别为2A0+0B+2BC和AO+OB+BC+Bq。BAC厶（实际的）