材料拉伸实验

实验一：光滑静态拉伸试验

金属材料的拉伸试验是人们应用最广泛的测定其力学性能的方法。试验时取一定的标准试样，在温度、环境介质、加载速度均为确定条件下将载荷施加于试样两端，使试样在轴向拉应力作用下产生弹性变形、塑性变形、直至断裂。通过测定载荷和试样尺寸变化可以求出材料的力学性能指标。

一、实验数据分析与处理

n 0.2721

S b290.6534 535.09796

e B0.00406 0.17887

ψeB-0.00406 -0.17887

1.1光滑钢

1.1.1计算机数据

图1—1 钢光滑拉伸试验应力~应变曲线

图1—2 钢光滑拉伸试验均匀塑性变形阶段lgS~lge的线性拟合

2010-4-5 15:43

Linear Regression for A0709032_lgS:

Y = A + B * X

Parameter Value Error

------------------------------------------------------------

A 2.9417 0.00425

B 0.2721 0.00386

------------------------------------------------------------

R SD N P

------------------------------------------------------------ 0.99321 0.00788 70 <0.0001

经计算得：

K=10A=102.9417=874.38MPa

n=B=0.2721

1.1.2坐标纸数据

图1—3 钢光滑拉伸试验载荷~位移曲线

图1—4 钢光滑拉伸试验应力~应变曲线

图1—5 钢光滑拉伸试验均匀塑性变形阶段lgS~lge的线性拟合2010-4-6 20:24

Linear Regression for Data1_lgs:

Y = A + B * X

Parameter Value Error

------------------------------------------------------------

A 3.19016 0.05524

B 0.6578 0.06625

------------------------------------------------------------

R SD N P

------------------------------------------------------------ 0.95726 0.02645 11 <0.0001

经计算得：

K=10A=103.19016=1549.39MPa

n=B=0.6578

1.2光滑铸铁

1.2.1计算机数据

图1—6 铸铁光滑拉伸试验应力~应变曲线1.2.2坐标纸数据

图1—7 铸铁光滑拉伸试验载荷~位移曲线

图1—8 光滑铸铁拉伸试验应力~应变曲线

（注：对于光滑铸铁，没有“均匀塑性变形阶段”，所以不能得到K，n值。）

二、实验结果与讨论

1、将记录装置所绘制的拉伸曲线和计算机采集的数据文件分别用绘图软件（Origin5.0、Excel97或其它软件）分别画出钢和铸铁试样的σ~ε曲线和S~e曲线（同种采集方式得到的数据可绘在同一张图中），并用作图法分别求出钢和铸铁的K，n。

答：钢和铸铁试样的σ~ε曲线和S~e曲线如图所示。由于光滑铸铁没有“均匀塑性变形阶段”，因此不能得到K，n值。对于光滑钢试样，由于计算机数据较为准确，所以采用计算机数据拟合整个均匀塑性变形阶段的lgS~lge得到K=874.38MPa，n=0.2721。

2、分析比较钢和铸铁σ~ε曲线和S~e曲线的区别及屈服比σs/σb、K、n的大小，并根据所学知识进行解释。

答：钢和铸铁σ~ε曲线和S~e曲线的区别：（1）从钢的σ~ε曲线，我们可以看出钢的变形过程可分为弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形四个阶段，而铸铁的σ~ε曲线，我们可以看出铸铁的变形过程只有弹性变形阶段（没有明显的线性部分），不发生明显的宏观塑性变形。这是因为钢是塑性材料，可通过晶体的滑移和孪生进行塑性变形，当应力增大至强度极限之后，试样出现局部显著收缩，这一现象称为颈缩。颈缩出现后，使试件继续变形所需载荷减小，故应力应变曲线呈现下降趋势，直至最后断裂。而铸铁是脆性材料，可以具有较强的抗分子滑移能力，因此在这些材料中发生分子间相互滑移，需要较高应力，以致在达到此应力前，材料先发生断裂。（2）从钢的σ~ε曲线和S~e曲线中我们可以看出，在弹性变形阶段，两曲线基本重合，真实屈服应力和工程屈服应力在数值上比较接近，这是因为试样的伸长和截面收缩都很小的缘故，而在塑性变形阶段，两者之间出现了明显的差异，真实应力要大于工程应力，这是因为塑性变形阶段变形量增大并且出现颈缩现象的缘故，而铸铁的σ~ε曲线和S~e曲线基本重合，这是因为铸铁是脆性材料，不发生明显的塑性变形，所以两者差值不大。（3）从计算机数据上我们可以看到光滑铸铁的抗拉强度为289.47626MPa要明显小于光滑钢的抗拉强度447.45517MPa。

屈服比σs/σb的大小：从所整理的数据我们可以得到钢的σs/σb=0.6365，而铸铁的

σs/σb=0.989（注：σs由σs0.2作图所得），因此铸铁的屈服比σs/σb较大。这是因为钢

是塑性材料，有塑性变形阶段，有缓和应力集中，阻止裂纹扩展的作用，因此使得钢的抗拉强度大于铸铁；另外，铸铁中含碳量较高，使位错运动受阻，从而使屈服强度高于钢，综上所述，这将使得在同样条件下铸铁的屈服比σs/σb比钢的大。

钢和铸铁K、n的大小：由于铸铁没有明显的“均匀塑性变形阶段”，因此不能得到K，n值。所以无法比较。由计算机数据可以得到光滑钢的应变硬化指数n=0.2721，而从坐标纸上得到的应变硬化指数n=0.6578，而大多数金属的n值在0.1~0.5之间，所以计算机上的数据较为准确。应变硬化指数n是一个常用的金属材料性能指标，它反映了材料抵抗继续塑性变形的能力。金属材料的n值的大小与层错能的高低有关。层错能低的n值就大，层错能高的n值就小。因为层错能的高低也反映了交滑移的难易程度。所以n值大的其滑移变形的特征为平坦的滑移带，而n值小的材料，则表现为波纹状的滑移带。此外，n值对材料的冷热变形也十分敏感。通常，退火态金属n值比较大，而在冷加工状态下则比较小，且随材料强度等级的降低而增加。

3、比较钢和铸铁δ和ψ值的大小及e B和ψeB值的大小，并解释原因。

答：

钢δ=37.541%，铸铁δ=-0.281%，因此钢的δ大于铸铁的δ值

钢ψ=67.200%, 铸铁ψ=1.527%，因此钢的ψ大于铸铁的ψ值

这是因为钢是塑性材料，在拉伸过程中具有弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形这4个阶段，在后3个阶段为塑性变形阶段，有较大的变形量，而铸铁是脆性材料，在拉伸试验中只有弹性阶段，在撤去外力后基本恢复原状，变形量很小，所以铸铁的断后伸长率较钢的小；另外，由于钢是塑性材料，所以当在应变硬化与截面减小的共同作用下，因应变硬化跟不上塑性变形的发展，使变形集中于试样局部区域而产生颈缩现象，使钢试样的截面积收缩减小，而铸铁是脆性材料，在达到最大应力值后就直接断裂，不存在颈缩现象，所以断面收缩率很小。

钢e B=0.17887，铸铁e B=0.00406，因此钢的e B大于铸铁的e B值

钢ψeB=-0.17887，铸铁ψeB=-0.00406，因此钢ψeB的绝对值大于铸铁的ψeB的绝对值这是因为钢较铸铁有较好的抗拉强度和塑性变形能力，所以钢的值要大于铸铁。

4、n是否等于e B，并加以分析。

答：在拉伸试验中，在均匀塑性变形阶段，利用最小二乘法对lgS~lge进行直线拟合所求出的n值不等于最大载荷点的真应变e B。只有当F=Fb时，应变硬化指数n等于最大载荷点的真应变e B，分析如下：

颈缩是韧性金属材料在拉伸实验时变形集中于局部区域的特殊现象，它是应变硬化指数（物理因素）与截面减小（几何因素）共同作用的结果。在金属试样拉伸曲线极大值B点之前，塑性变形是均匀的，因为材料应变硬化使承载能力增加，可以补偿因试样截面减小使其承载力的下降。在B点之后，由于应变硬化跟不上塑性变形发展，使变形集中于试样局部区