北科大-低碳钢的拉伸实验预习报告

4、实验数据处理 （1）强度指标： 上屈服强度： 下屈服强度： 抗拉强度： 间接测量不确定度：
（2）塑性指标： 断后伸长率：
ReH=FeH/S0 ReL=FeL/S0 Rm=Fm/S0
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R
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×
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低碳钢的拉伸实验-预习报告
一、实验目的 1.测定低碳钢在退火、正火和淬火三种不同热处理状态下的强度（屈服强度 Re、抗拉 强 度 Rm）与塑性性能（断后伸长率 A、断面收缩率 Z） 2.测定低碳钢的应变硬化指数 n 和应变硬化系数 k 二、试验要求：按照相关国标标准（GB/T228-2002：金属材料室温拉伸试验方法）要求 完成试验测量工作。 三、引言 低碳钢拉伸实验原理： 低碳钢在做拉伸实验时，根据其力学性能，可以将拉伸过程分为四个阶段如图 1 所示
1
（3）强化阶段 S′B：当过了屈服阶段后，试样材料因发生明显塑性变形，其内部晶体组
织结构重新得到了排列调整，其抵抗变形的能力有所增强，随着拉力的增加，伸长变形也随
之增加，故拉伸曲线继续上凸升高形成 S′B 曲线段，称为试样材料的强化阶段。在该阶段中
试样随着塑性变形量累积增大，促使材料的力学性能也发生变化，即材料的塑性变形性能劣
（5）在加载实验过程中，总的要求应是缓慢、均匀、连续地进行加载。 对低碳钢试样，测定下屈服强度 ReL，在试样平行长度的屈服期间其应变速率应在 0.00025/S～0.0025/S 之间，试验中平行长度内的应变速率应尽可能保持恒定；测定抗拉强度 Rm 时，试样平行长度的应变速率不应超过 0.008/S。在上述规定的应变速率的范围内选择确 定一适宜的试验速率。 （6）在实验中，对低碳钢试样，要注意观察拉伸过程四个特征阶段中的各种现象，记 下上屈服点力 FeH 值、下屈服点力 FeL 值和最大力 Fm 值。当试样被拉断后立即停机，并取下 试样观测。 （7）对于拉断后的低碳钢试样，要分别量测断裂后的标距 Lu 和颈缩处的最小直径 du。 按照 GB/T 228—2002 中的规定测定 Lu 时，将试样断裂后的两段在断口处紧密地对接起来， 尽量使其轴线位于一条直线上，直接测量原始标距两端的距离即得 Lu 值。
“颈缩”，此时拉力随即下降，直至试样被拉断，则拉伸曲线由顶点 B 急剧下降至断裂点 K，
故称曲线 BK 阶段为颈缩和断裂阶段。试样拉断后，弹性变形消失，而塑性变形则保留在拉
断的试样上，其断口形貌成杯锥状如图 2 所示。利用试样原始标距内的残余变形来计算材料
的断后伸长率 A 和断面收缩率 Z，其计算公式为：
化，材料抵抗变形能力提高，这种特征称为形变强化或冷作硬化。当拉力增加达到拉伸曲线
顶点 B 时，拉力开始减小，但此过程中的最大拉力为 Fm，依它求得材料抗拉强度 Rm=Fm/S0， 它也是衡量材料强度性能优劣的又一重要指标。本实验也要准确测定其抗拉强度 Rm。
（4）颈缩和断裂阶段 BK：对于低碳钢类塑性材料来说，在承受拉力达 Fm 以前，试样 发生的变形在各处基本上是均匀的。但在达到 Fm 以后，则变形主要集中于试样的某一局部 区域，在该区域处横截面面积急剧缩小，这种特征就是所谓颈缩现象。试验中试样一旦出现
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的原状全截面试样。通常采用机加工的圆形截面试样如图 3 所示，图中 Lc 为试样平行段长 度，L0 为试样原始标距（或称测量伸长变形的工作长度），d 为圆形试样平行部分的原始直 径，a 为矩形试样平行部分的原始厚度，b 为矩形试样平行部分的原始宽度，S0 为试样平行 部分原始横截面面积，r 为过渡弧半径。本次实验采用 GB/T228-2002 中 R4 试样。
1、试验材料与试样
（1）本次拉伸实验所用材料为 Q235 低碳钢，其成分等根据标准 GB/T 3274-2007 冶炼，
热处理方式为退火、回火和淬火。
退火：将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，使组织全部或者部分奥氏体化，缓慢
而均匀冷却到室温。正火：将钢加热到临界温度以上，试岗全部转变为均匀的奥氏体，然后
室温拉伸试验方法》第六章试样的要求制备试样。拉伸试样系由夹持、过渡和平行三部分构
成。试样两端较粗段为夹持部分，其形状和尺寸可依实验室现有使用试验机夹头情况而定；
试样两夹持段之间的均匀部分为实验测试的平行部分；而夹持与平行二部分之间为过渡部
分，通常用圆弧进行光滑连接，以减少应力集中。拉伸试验可分为机加工试样和不经机加工
n
i 1
图 3 拉伸圆柱形试样图 2、试验测试内容与相关的测量工具、仪器、设备
（1）需测量的物理量有试样的原始标距 L0，断后标距 Lu，试样直径 d，试样断裂后处 最小直径 du，试样所受载荷 F，标记段试样长度改变量ΔL。
（2）实验仪器： WDW200D 微机控万能材料试验机 按照 GB/T228-2002 规定使用 1 级或优于 1 级准确度的试验机 本实验所用 Q235 的 R4 试样的直径为 10mm,则屈服使拉力为 18.5KN，此最大试验 力：200KN；试验力准确度优于示值的 0.5%；力值测量范围：最大试验力的 0.4%~100%； 变形测量准确度：在引伸计满量程的 20%，50%；范围内优于示值的 1%；横梁位移测量： 分辨率的 0.001mm；横梁速度范围：0.005mm/min-500mm/min 无级任意设定；夹具形式： 标准模型拉伸附具，压缩附具，弯曲附具。 电子引伸计 GB/T228-2002 中规定测定非比例延伸强度时应采用不低于 1 级准确度的引伸计，测定 抗拉强度时应使用不低于 2 级精确度的引伸计 精度在 2%~100%内，精度优于示数的 1%；变形传感器的精度为 0.5 级 游标卡尺 GB/T228-2002 中规定要求其分辨率优于 0.1mm，实验中所用游标卡尺为 50 分游标卡 尺，量程为 150mm，精度为 0.02mm，用来测试原始标距 L0，断后标距 Lu，试样直径 d，试 样断裂后处最小直径 du 试样划线器 将试样原始标距细分为 10 等分，每格 10mm；标距误差 1% 3、实验过程 （1）根据试样的形状、尺寸和预估材料的抗拉强度来估算最大拉力，本实验中预测屈 服时拉力为 18.5KN，使此力位于试验机加载量程的 40%～80%内。因此设定试验机加载为 45KN，然后选用与试样头部相适应的夹具，以使试样安装在试验机上时夹持牢固。 （2）用细砂纸打磨低碳钢试样表面，使之光亮洁净。在试样的原始标距长度 L0 范围内， 用试样划线器细划等分 10 个分格线，标距端点可做上颜色标记，对原始标距的标记应准确 到±1%，以便观察标距范围内沿轴向变形和晶体滑移迹线的情况，也便于试样断裂后测定断 后伸长率。 （3）根据 GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》中第 7 章的规定，测定试样 原始横截面面积。本次实验采用圆形截面试样，应在标距的两端及中间处的两个相互垂直的
材料继续变形需要增大应力，经过屈服滑移之后，材料重新呈现抵抗继续变形的能力，金属
在塑性变形阶段的应力与应变关系通用性最好的经验公式为 Hollomon 公式： ������������ = ������������������������
式中σt 为真应力，εt 为真应变。
真应力与工程应力关系：������������ = σ（1 + ε） 真应变与工程应变关系：εt = ln（1 + ε） 四、试验准备内容
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方向上各测一次横截面直径 d，取其算术平均值，选用三处中平均直径最小值，并以此值计 算横截面面积 S0，其 S0=πd2/4。该计算值修约到四位有效数字（π 取五位有效数字）。
（4）安装试样，可快速调节试验机的夹头位置，将试样先夹持在上夹头中，再把测力 指针调零，随动指针靠上；再升起下夹头，将试样夹牢并使之铅直；并设定试验机上自动绘 制力-延伸曲线。
工程应变-真应变关系计算真应力和真应变
对 Hollomon 公式取对数有：
将数值带入式进行线性拟合
ln������������ = lnk + nlnεt
令y = ln������������ , ������ = lnk , b = n , x = lnεt
不确定度： a
n
xi2
n
在空气中自然冷却。淬火：将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂
中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度急速冷却，获得以马氏体为主的不平衡组织。
（2）试样：
大量实验表明，实验时所用试样的形状、尺寸、取样位置和方向、表面粗糙度等因素，
对其性能测试结果都有一定影响。本实验按照 GB/T228-2002 eqv ISO6892—1998《金属材料
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断面收缩率： 不确定度：
A Lu L0 100% L0
Z S0 Su 100% S0
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表格 1 拉伸前数据测量表
材料
原始标距 L0/mm
原始直径 d/mm
截面Ⅰ
截面Ⅱ
截面Ⅲ
原始横截面 面积 S0/mm2
（1） （2） 平均 （1） （2） 平均 （1） （2） 平均
低碳钢
断裂后标距长 度
Lu/mm
表格 2 拉伸断裂后数据测量表
断口（颈缩）处最小直径 du/mm
（1积 Su/mm2
断后伸长率 A Lu L0 100% ； L0
断面收缩率 Z Su S0 100% 。 S0
式中 L0 为原始标距长度，S0 为原始 横截面面积，Lu 为试样断裂后标距长度， Su 为试样断裂后颈缩处最小横截面面积。
测定应变硬化系数和指数：
图 2 低碳钢试样断口
在材料的拉伸实验中，材料经过屈服阶段之后，又增强了抵抗变形的能力，这是，要是
图 1 金属拉伸拉力-延伸率曲线 Rp—比例极限 Re—弹性极限；ReH—上屈服强度； ReL—下屈服强度；Rm—抗拉强度；Rk—断裂应力；
A—断裂后伸长；Ae—弹性延伸率 （1）弹性阶段 OP:其拉力 F 和延伸率成正比关系，表明钢材的应力 R 与延伸率即应变 为线性关系，完全遵循虎克定律。点 P 对应的应力 RF 称为材料的比例极限，如果当应力继 续增加达到 A 点所对应的应力 Re 时，则应力与应变之间的关系不再是线性关系，但变形仍 然是弹性的，即卸除拉力后变形完全消失，这呈现出非线性弹性性质。A 点对应的应力 Re 称为材料的弹性极限，把 PA 段称为非线性弹性阶段。 （2）屈服阶段 AS′：当应力超过弹性极限继续增加达到锯齿状曲线 SS′时，拉力大小产 生波动，这时在试样表面上可看到表征金属晶体滑移的迹线，大约与试样轴线成 45°方向的 螺旋线。这种现象表征试样在承受的拉力不继续增加或稍微减小的情况下却继续伸长达到塑 性变形发生，这种现象称为试样材料的屈服，其相对应的应力称为屈服应力（或屈服强度）。 拉伸曲线上最高应力 ReH 称为上屈服强度，在屈服阶段不计初始瞬时效应时的最低应力 ReL 称为下屈服强度。由于上屈服强度受试验速率、试样变形速率和试样形式等因素的影响不够 稳定，而下屈服强度则比较稳定，故工程中一般要求准确测定下屈服强度 ReL 作为材料的屈 服极限 σs。其计算公式为 ReL(σs)=FeL/S0。如果材料没有明显的屈服现象时，工程上常用产生 规定残余延伸率为 0.2%时的应力 Rr0.2 作为规定残余延伸强度，又称条件屈服极限 σr0.2。屈 服强度（或屈服极限）是衡量材料强度性能优劣的一个重要指标。本实验测定其屈服强度 ReL。
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（3）应变硬化系数与指数：
在前面所绘制的应力-应变曲线均匀变形阶段随机选取 6 个点，根据工程应力-真应力，