金屬材料的室溫拉伸試驗實驗報告(僅供參考).doc

金屬材料的室溫拉伸試驗實驗目的1、測定低碳鋼的屈服強度REh 、ReL及Re 、抗拉強度Rm 、斷后伸長率A和斷面收縮率Z 。2、測定鑄鐵的抗拉強度Rm和斷后伸長率A。3、觀察并分析兩種材料在拉伸過程中的各種現(xiàn)象（包括屈服、強化、冷作硬化和頸縮等現(xiàn)象），并繪制拉伸圖。4、比較低碳鋼（塑性材料）與鑄鐵（脆性材料）拉伸機械性能的特點。使用設備萬能試驗機、游標卡尺、試樣分劃器或鋼筋標距儀試樣圖21 機加工的圓截面拉伸試樣本試驗采用經(jīng)機加工的直徑d =10 mm的圓形截面比例試樣，其是根據(jù)國家試驗規(guī)范的規(guī)定進行加工的。它有夾持、過渡和平行三部分組成（見圖21），它的夾持部分稍大，其形狀和尺寸應根據(jù)試樣大小、材料特性、試驗目的以及試驗機夾具的形狀和結構設計，但必須保證軸向的拉伸力。其夾持部分的長度至少應為楔形夾具長度的3/4（試驗機配有各種夾頭，對于圓形試樣一般采用楔形夾板夾頭，夾板表面制成凸紋，以便夾牢試樣）。機加工帶頭試樣的過渡部分是圓角，與平行部分光滑連接，以保證試樣破壞時斷口在平行部分。平行部分的長度Lc按現(xiàn)行國家標準中的規(guī)定取Lo+d ，Lo是試樣中部測量變形的長度，稱為原始標距。實驗原理按我國目前執(zhí)行的國家GB/T 2282002標準金屬材料 室溫拉伸試驗方法的規(guī)定，在室溫1035的范圍內(nèi)進行試驗。將試樣安裝在試驗機的夾頭中，然后開動試驗機，使試樣受到緩慢增加的拉力（應根據(jù)材料性能和試驗目的確定拉伸速度），直到拉斷為止，并利用試驗機的自動繪圖裝置繪出材料的拉伸圖（圖22所示）。應當指出，試驗機自動繪圖裝置繪出的拉伸變形L主要是整個試樣（不只是標距部分）的伸長，還包括機器的彈性變形和試樣在夾頭中的滑動等因素。由于試樣開始受力時，頭部在夾頭內(nèi)的滑動較大，故繪出的拉伸圖最初一段是曲線。（a）低碳鋼拉伸曲線圖 （b）鑄鐵拉伸曲線圖圖22 由試驗機繪圖裝置繪出的拉伸曲線圖1、低碳鋼（典型的塑性材料）當拉力較小時，試樣伸長量與力成正比增加，保持直線關系，拉力超過FP后拉伸曲線將由直變曲。保持直線關系的最大拉力就是材料比例極限的力值FP 。在FP的上方附近有一點是Fc，若拉力小于Fc而卸載時，卸載后試樣立刻恢復原狀，若拉力大于Fc后再卸載，則試件只能部分恢復，保留的殘余變形即為塑性變形，因而Fc是代表材料彈性極限的力值。圖23 低碳鋼的冷作硬化當拉力增加到一定程度時，試驗機的示力指針（主動針）開始擺動或停止不動，拉伸圖上出現(xiàn)鋸齒狀或平臺，這說明此時試樣所受的拉力幾乎不變但變形卻在繼續(xù)，這種現(xiàn)象稱為材料的屈服。低碳鋼的屈服階段常呈鋸齒狀，其上屈服點B受變形速度及試樣形式等因素的影響較大，而下屈服點B則比較穩(wěn)定（因此工程上常以其下屈服點B所對應的力值FeL作為材料屈服時的力值）。確定屈服力值時，必須注意觀察讀數(shù)表盤上測力指針的轉(zhuǎn)動情況，讀取測力度盤指針首次回轉(zhuǎn)前指示的最大力FeH（上屈服荷載）和不計初瞬時效應時屈服階段中的最小力FeL（下屈服荷載）或首次停止轉(zhuǎn)動指示的恒定力FeL（下屈服荷載），將其分別除以試樣的原始橫截面積（S0）便可得到上屈服強度ReH和下屈服強度ReL。即ReH= FeH/S0 ReL = FeL/S0屈服階段過后，雖然變形仍繼續(xù)增大，但力值也隨之增加，拉伸曲線又繼續(xù)上升，這說明材料又恢復了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱為材料的強化。在強化階段內(nèi)，試樣的變形主要是塑性變形，比彈性階段內(nèi)試樣的變形大得多，在達到最大力Fm之前，試樣標距范圍內(nèi)的變形是均勻的，拉伸曲線是一段平緩上升的曲線，這時可明顯地看到整個試樣的橫向尺寸在縮小。此最大力Fm為材料的抗拉強度力值，由公式Rm=Fm/S0 即可得到材料的抗拉強度Rm。如果在材料的強化階段內(nèi)卸載后再加載，直到試樣拉斷，則所得到的曲線如圖23所示。卸載時曲線并不沿原拉伸曲線卸回，而是沿近乎平行于彈性階段的直線卸回，這說明卸載前試樣中除了有塑性變形外，還有一部分彈性變形；卸載后再繼續(xù)加載，曲線幾乎沿卸載路徑變化，然后繼續(xù)強化變形，就像沒有卸載一樣，這種現(xiàn)象稱為材料的冷作硬化。顯然，冷作硬化提高了材料的比例極限和屈服極限，但材料的塑性卻相應降低。當荷載達到最大力Fm后，示力指針由最大力Fm緩慢回轉(zhuǎn)時，試樣上某一部位開始產(chǎn)生局部伸長和頸縮，在頸縮發(fā)生部位，橫截面面積急劇縮小，繼續(xù)拉伸所需的力也迅速減小，拉伸曲線開始下降，直至試樣斷裂。此時通過測量試樣斷裂后的標距長度Lu和斷口處最小直徑du，計算斷后最小截面積（Su），由計算公式 、 即可得到試樣的斷后伸長率A和斷面收縮率Z。2、鑄鐵（典型的脆性材料）脆性材料是指斷后伸長率A5 的材料，其從開始承受拉力直至試樣被拉斷，變形都很小。而且，大多數(shù)脆性材料在拉伸時的應力應變曲線上都沒有明顯的直線段，幾乎沒有塑性變形，也不會出現(xiàn)屈服和頸縮等現(xiàn)象（如圖22b所示），只有斷裂時的應力值強度極限。鑄鐵試樣在承受拉力、變形極小時，就達到最大力Fm而突然發(fā)生斷裂，其抗拉強度也遠小于低碳鋼的抗拉強度。同樣，由公式Rm=Fm/S0 即可得到其抗拉強度Rm，而由公式 則可求得其斷后伸長率A。試驗步驟一、低碳鋼拉伸試驗1、試樣準備：為了便于觀察標距范圍內(nèi)沿軸向的變形情況，用試樣分劃器或標距儀在試樣標距L0 范圍內(nèi)每隔5 mm刻劃一標記點（注意標記刻劃不應影響試樣斷裂），將試樣的標距段分成十等份。 用游標卡尺測量標距兩端和中間三個橫截面處的直徑，在每一橫截面處沿相互垂直的兩個方向各測一次取其平均值，用三個平均值中最小者計算試樣的原始橫截面積S0（計算時S0應至少保留四位有效數(shù)字）。2、試驗機準備：根據(jù)低碳鋼的抗拉強度Rm和試樣的原始橫截面積S0估計試驗所需的最大荷載，并據(jù)此選擇合適的量程，配上相應的砝碼砣，做好試驗機的調(diào)零（注意：應消除試驗機工作平臺的自重）、安裝繪圖紙筆等準備工作。3、裝夾試樣：先將試樣安裝在試驗機的上夾頭內(nèi)，再移動試驗機的下夾頭（或工作平臺、或試驗機橫梁）使其達到適當位置，并把試樣下端夾緊（注意：應盡量將試樣的夾持段全部夾在夾頭內(nèi)，并且上下要對稱。完成此步操作時切忌在裝夾試樣時對試樣加上了荷載）。4、檢查試車：請教師檢查以上步驟完成情況，然后啟動試驗機，預加少許荷載后（對應的應力不能超過材料的比例極限），卸載回至零點，以檢查試驗機工作是否正常。同時消除試樣在夾頭中的滑移對繪制拉伸圖曲線的影響。5、進行試驗：開動試驗機使之緩慢勻速加載（依據(jù)規(guī)范要求，在屈服前以660 MPa/s的速率加載），并注意觀察示力指針的轉(zhuǎn)動、自動繪圖的情況和相應的試驗現(xiàn)象。當主動針不動或倒退時說明材料開始屈服，記錄上屈服點FeH（主動針首次回轉(zhuǎn)前的最大力）和下屈服點FeL（屈服過程中不計初始瞬時效應時的最小力或主動針首次停止轉(zhuǎn)動的恒定力），具體情況如圖24所示（說明：前所給出的加載速率是國標中規(guī)定的測定上屈服點時應采用的速率，在測定下屈服點時，平行長度內(nèi)的應變速率應在0.000250.0025s之間，并應盡可能保持恒定。如果不能直接控制這一速率，則應固定屈服開始前的應力速率直至屈服階段完成）。圖24 屈服荷載的確定根據(jù)國標規(guī)定，材料屈服過后，試驗機的速率應使試樣平行長度內(nèi)的應變速率不超過0.008/s。在此條件下繼續(xù)加載，并注意觀察主動針的轉(zhuǎn)動、自動繪圖的情況和相應的試驗現(xiàn)象（強化、冷作硬化和頸縮等現(xiàn)象在強化階段的任一位置卸載后再加載進行冷作硬化現(xiàn)象的觀察；此后，待主動針再次停止轉(zhuǎn)動而緩慢回轉(zhuǎn)時，材料進入頸縮階段，注意觀察試樣的頸縮現(xiàn)象），直至試樣斷裂停車。記錄所加的最大荷載Fm（從動針最后停留的位置）。6、試樣斷后尺寸測定：取出試樣斷體，觀察斷口情況和位置。將試樣在斷裂處緊密對接在一起，并盡量使其軸線處于同一直線上，測量斷后標距Lu和頸處的最小直徑du（應沿相互垂直的兩個方向各測一次取其平均值），計算斷后最小橫截面積Su。圖25 移位法測量Lu注意：在測定Lu時，若斷口到最臨近標距端點的距離不小于1/3L0，則直接測量標距兩端點的距離；若斷口到最臨近標距端點的距離小于1/3L0，則按圖25所示的移位法測定：符合圖（a）情況的，Lu=AC+BC，符合圖（b）情況的，Lu=AC1+BC；若斷口非?？拷嚇觾啥?，而其到最臨近標距端點的距離還不足兩等份，且測得的斷后伸長率小于規(guī)定值，則試驗結果無效，必須重做。此時應檢查試樣的質(zhì)量和夾具的工作狀況，以判斷是否屬于偶然情況。7、歸整實驗設備：卸回油缸中的液壓油，取下繪記錄圖紙，請教師檢查試驗記錄，經(jīng)認可后清理試驗現(xiàn)場和所用儀器設備，并將所用的儀器設備全部恢復原狀。二、鑄鐵拉伸試驗1、測量試樣原始尺寸：測量方法要求同前，但只用快干墨水或帶色涂料標出兩標距端點，不用等分標距段。2、試驗機準備：（要求同前）。3、安裝試樣：（方法同前）。 4、檢查試驗機工作是否正常：（檢查同前，但勿需試車）。5、進行試驗：開動試驗機，保持試驗機兩夾頭在力作用下的分離速率使試樣平行長度內(nèi)的應變速率不超過0.008/s的條件下對試樣進行緩慢加載，直至試樣斷裂為止。停機并記錄最大力Fm。6、試樣斷后尺寸測定：取出試樣斷體，觀察斷口情況。然后將試樣在斷裂處緊密對接在一起，并盡量使其軸線處于同一直線上，測量試樣斷后標距Lu（直接用游標卡尺測量標距兩端點的距離）。7、歸整實驗設備：卸回油缸中的液壓油，取下繪記錄圖紙，請教師檢查試驗記錄，經(jīng)認可后清理試驗現(xiàn)場和所用儀器設備，并將所使用的儀器設備全部復原。8、結束試驗：完成全部測量后，將試驗數(shù)據(jù)記錄、試驗機所繪的曲線圖和實驗卡片一并交指導教師檢查驗收、簽字認可后方可離開實驗室。試驗數(shù)據(jù)記錄（參考記錄表格）表21、試樣原始尺寸材 料標 距L0/mm直 徑 d0/mm原始橫截面面積 S0/mm2截面I截面II截面III12平均12平均12平均低碳鋼50.00鑄 鐵50.00 表22、試驗數(shù)據(jù)記錄 單位：KN材 料上屈服荷載FeH下屈服荷載FeL屈服荷載Fe最大荷載 Fm低 碳 鋼鑄 鐵表23、試樣斷后尺寸材 料標 距Lu/mm斷后伸長LuL0/mm 斷后縮頸處最小直徑du/mm斷后最小橫截面積Su/mm212平均低碳鋼鑄 鐵數(shù)據(jù)處理材 料上屈服強度ReH/MPa下屈服強度ReL/MPa抗拉強度Rm/MPa斷后伸長率A/斷面收縮率Z/低碳鋼鑄 鐵實驗報告要求1、進行數(shù)據(jù)處理，求出低碳鋼及鑄鐵的各項力學性能指標。2、繪出低碳鋼及鑄鐵試樣斷裂后的形狀示意圖和曲線示意圖。3、按標準格式寫出完整的實驗報告（內(nèi)容一定要完整全面）。備注：儀器自動繪制的FL圖必須隨報告一起交上（要注明本小組編號）。思考題1、什么叫比例試樣？它應滿足什么條件？國家為什么要對試樣的形狀、尺寸、公差和表面粗糙度等做出相應的規(guī)定？2、參考試驗機自動繪圖儀繪出的拉伸圖，分析低碳鋼試樣從加力至斷裂的過程可分為哪幾個階段？相應于每一階段的拉伸曲線各有什么特點？*3、為什么不顧試樣斷口的明顯縮小，仍以原始截面積S0計算低碳鋼的抗拉強度Rm呢？