金属材料的拉伸实验

一、实验目的

（1）观察与分析低碳钢、灰铸铁在拉伸过程中的力学现象，并绘制拉伸图。

（2）测定低碳钢的σs，σb，δ，ψ以及灰铸铁的σb。

（3）比较低碳钢与灰铸铁的力学性能。

二、实验仪器和设备

（1）CMT系列电子万能试验机。

（2）游标卡尺。

三、实验试件

实验表明，试件的尺寸和形状对试验结果有影响，为了使各种材料的试验结果具有通用性、可比性，必须将试件尺寸、形状和试验方法统一规定，使试验标准化。本实验所用的试件参照国家标准枟钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备枠（GB／T2975—1998）制备；实验方法参照国家标准枟金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法枠（GB／T228．1—2010）进行。

试件形状如图1．1所示。

图1．1

图1．1中：

L——平行长度，L≥L0＋d0；

L0——试件平行长度部分两条刻线间的距离，称为原始标距；

d0——平行长度部分的原始直径。

圆形比例试件分以下两种：

（1）L0＝10d0，称为长试件。

（2）L0＝5d0，称为短试件。

本实验试件采用d0＝10mm，L0＝100mm的长试件。

四、实验原理

（一）低碳钢拉伸实验

材料的力学性能指标σs，σb，δ，和Ψ由常温、静载下的轴向拉伸破坏试验测定。整个试验过程中，力与变形的关系可由拉伸图表示，被测材料试件的拉伸图由试验机自动记录显示。低碳钢的拉伸图比较典型，可分为以下4个阶段：

1．直线阶段OA

此阶段拉力与变形成正比，故也称为线弹性变形阶段，A点对应的载荷为比例极限载荷Fp。

2．屈服阶段AC

曲线常呈锯齿形，此阶段拉力的变化不大，但变形迅速增加，此段内曲线上的最高点称为上屈服点B′，最低点称为下屈服点B，因下屈服点B比较稳定，工程上一般以B点对应的力值作为屈服载荷Fs。

3．强化阶段CD

此阶段拉力增加变形也继续增加，但它们不再是线性关系，其最高点D对应的力值为最大载荷Fb。

4．颈缩阶段DE

过了D点，试件开始出现局部收缩（颈缩），直至试件被拉断。

如图1．2所示为低碳钢拉伸图。

（二）灰铸铁拉伸实验

对于灰铸铁，由于拉伸时的塑性变形极小，在变形很小时就达到最大载荷而突然断裂，没有明显的屈服和颈缩现象，其强度极限即为试件断裂时的名义应力。如图1．3所示为铸铁拉伸图。

图1．2

图1．3

五、实验步骤

（一）实验准备

（1）打开试验机主机电源。

（2）打开计算机，选择计算机桌面上的PowerTest＿D00C图标，试验软件启动。选择正确的传感器、引伸计进行联机。

（3）在输入用户参数窗口选择欲做试验方案，输入存盘文件名。

（4）测量并记录试件的尺寸：在刻线长度内的两端和中部测量3个截面的直径d0，取直径最小者为计算直径，并量取标距长度L0。输入试件尺寸、试件标距及相关试验参数。

（5）调节横梁位置并安装夹持试样。

（6）单击主机小键盘上的试样保护键，消除夹持力。

（7）装夹引伸计，引伸计清零。

（二）进行实验

（1）开始试验：

①按下“运行”按钮，试验机开始按试验程序对试件进行拉伸。仔细观察试件和计算机屏幕上的拉伸曲线在拉伸过程中的对应情况，特别注意观察屈服阶段的特点，颈缩阶段的发生和发展，直至试件拉断，取下试件并观察断口。

②对灰铸铁试件，则装夹后按下“运行”按钮，试验机开始按试验程序对试件进行拉伸，仔细观察试件和计算机屏幕上的拉伸曲线在拉伸过程中的对应情况，直至拉断，取下试件并观察断口。

（2）当变形达到试验方案设置的引伸计切换点时，程序有提示窗口，试验进入力保持状态，卸引伸计，然后关掉提示窗口，试验继续运行。

（3）试验结束，在试验结果栏中，程序将自动计算出的结果显示在其中。观察拉伸曲线，记录屈服载荷Fs（Fel）和最大载荷Fb（Fm）。输入断后标距，断后面积，并打印试验报告。

（三）断后延伸率δ和截面收缩率ψ的测定

（1）试件拉断后，将其断裂试件紧密对接在一起，在断口（颈缩）处沿两个互相垂直方向各测量一次直径，取其平均值为d1，用来计算断口处横截面面积A1。

（2）将断裂试件的两段紧密对接在一起，尽量使其轴线位于同一直线上，若断口到邻近标距端点的距离大于L0／3，则用游标卡尺测量断裂后两端刻线之间的标距长度即为L1。

（3）若断口到邻近标距端点的距离小于或等于L0／3，要求用断口移中法计算L1的长度。应按下述方法来测量拉断后试件标距部分的长度L1。

利用在试验前将试件标距部分等分成10个小格，即以断口O（见图1．4（a））为起点，在长段上量取基本等于短段的格数得B点。当长段所余格数为偶数时，则由所余格数的1／2得C点，将BC段长度移到标距的左端，则移位后的L1为

L1＝AO＋OB＋2BC

图1．4

如果在长段取B点后所余下的格数为奇数（见图1．4（b）），则取所余格数加1的1／2得C1点，减1的1／2得C点，则移中（即将BC1或BC移到试件左侧）后的L1为

L1＝AO＋OB＋BC＋BC1

六、实验结果处理

（1）根据测得的低碳钢拉伸载荷Fs，Fb计算屈服极限σs和强度极限σb。

（2）根据测得的灰铸铁拉伸最大载荷Fb计算强度极限σb，即

（3）根据拉断前后的试件标距长度和横截面面积，计算出低碳钢的延伸率δ和截面收缩率ψ。由于灰铸铁拉伸塑性变形量很小，断后延伸率和截面收缩率一般就不必测定，故

（4）绘制两种材料的拉抻图（F唱ΔL图）。

（5）绘图表示两种材料的断口形状。