材料力学低碳钢拉伸实验指导书

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1、1低碳钢拉伸实验1低碳钢拉伸实验一、实验目的1．了解材料拉伸时力与变形的关系，观察试件破坏现象。2．测定强度数据，如屈服点，抗拉强度。3．测定塑性材料的塑性指标：拉伸时的伸长率δ，截面收缩率ψ。二、实验原理进行拉伸实验时，外力必须通过试样轴线，以确保材料处于单向应力状态。实验机具有自动绘图装置，用以记录试样的拉伸图（即F-ΔL曲线），形象地体现了材料变形特点以及各阶段受力和变形的关系。但是F-ΔL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响。因此，拉伸图往往用名义应力、应变曲线（即σ-ε曲线）来表示：——试样的名义应力——试样的名义应变A0和L0分别代

2、表初始条件下的面积和标距。σ-ε曲线与F-ΔL曲线相似，但消除了几何尺寸的影响。因此，可以代表材料的属性。单向拉伸条件下的一些材料的机械性能指标就是在曲线上定义的。如果实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学性能指标就可精确地测定。不同性质的材料拉伸过程也不同，其曲线会存在很大差异。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十分典型，掌握它们的拉伸过程和破坏特点有助于正确、合理地认识和选用材料。低碳钢具有良好的塑性，由曲线（图1.1)可以看出，低碳钢断裂前明显地分成四个阶段：（1）弹性阶段（OA）：试件的变形是弹性的。

3、在这个范围内卸载，试样仍恢复原来的尺寸，没有任何残余变形。习惯上认为材料在弹性范围内服从胡克定律，其应力、应变为正比关系，即（1-1）比例系数E代表直线OA的斜率，称作材料的弹性模量。（2）屈服（流动）阶段（BC）：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，而应变快速增长。通常把下屈服点（Bˊ）作为材料屈服极限。61低碳钢拉伸实验是材料开始进入塑性的标志。结构、零件的应力一旦超过，材料就会屈服，零件就会因为过量变形而失效。因此强度设计时常以屈服极限作为确定许可应力的基础。从屈服阶段开始，材料的变形包含弹性和塑性两部分

4、。如果试样表面光滑，材料杂质含量少，可以清楚地看到表面有45°方向的滑移线。0△LFeLBˊDgFm0ε0εσpσeLBˊDgσbδFσσEC铸铁△LeL（a）（b）（c）图1.1试件拉伸图（3）强化阶段（CD）：屈服阶段结束后，σ-ε曲线又开始上升，材料恢复了对继续变形的抵抗能力，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，而塑性变形将永远保留下来。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后若重新加载，加载线仍与弹性阶段平行，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。这种现象称作为形变强化或冷作硬化。冷作硬化是金属材

5、料极为宝贵的性质之一。塑性变形和形变强化二者联合，是强化金属材料的重要手段。例如喷丸，挤压，冷拨等工艺，就是利用材料的冷作硬化来提高材料强度的。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。D点是σ-ε曲线的最高点，定义为材料的强度极限又称作材料的抗拉强度记作。对低碳钢来说是材料均匀塑性变形的最大抗力，也是材料进入颈缩阶段的标志。（4）颈缩阶段（DE）：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，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直到断裂。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。

6、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δ和断面收缩率ψ来表示。即（1-2）（1-3）61低碳钢拉伸实验式中：L，A分别代表试样拉断后的标距和断口的面积。低碳钢颈缩部分的变形在总变形中占很大比重，如图1-2所示。测试断后伸长率时，颈缩局部及其影响区的塑性变形都应包含在L之内。这就要求断口位置应在标距的中央附近。若断口落在标距之外则实验无效。当断口非常靠近试件两端，而与其头部之距离等于或小于直径的两倍时，一般认为实验结果无效，需要重新实验。工程上通常认为，材料的断后伸长率δ>5%属于韧断，δ<5%则属于脆断。韧断的特征是断裂前有较

7、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°的剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状，因此是一种典型的韧状断口。铸铁是典型的脆性材料，其拉伸曲线如图1-1（c）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，其强度指标只有σb。由拉伸曲线可见，铸铁断后伸长率甚小，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，极易发生事故。铸铁断口与正应力方向垂直，断面平齐，为闪光的结晶状组织，是典型的脆状断口。·········807

8、0605040302010020151