材料力学实验

实验一低碳钢和铸铁的拉伸实验

一、实验目的

（1）掌握测定低碳钢的弹性模量E、上屈服强度R eH、下屈服强度R eL、抗拉强度Rm、断后伸长率A和断面收缩率Z等力学性能指标的试验方法。

（2）掌握测定铸铁的抗拉强度Rm的试验方法。

（3）观察并比较塑性材料与脆性材料在拉伸过程中所表现出来的不同物理现象。

（4）熟悉材料试验机和其他有关仪器的使用。

二、实验设备

（1）INSTRON电子拉伸机。

（2）游标卡尺。

三、试件介绍

为便于比较不同材料的试验结果，对试样的形状、加工精度、加载速度、试验环境等，国家标准（GB228-2002）都有统一规定。根据规定，拉伸试件可分为比例试件和非比例试件两种，它们的区别在于原始标距的选取。在试件中部，用来测量试件断后延伸率的起始长度，称为原始标距（简称标距）。对于非圆形横截面比例试件，标距L0与原始横截面面积S0的关系规定为

（1.1）

式中系数k的取值是：短试件时为5.65，长试件时为11.3。对于直径为d0的圆形横截面试件，短试件和长试件的标距L0分别为5d0和10d0。非比例试件的L0和S0不受上述关系限制。本实验采用圆形横截面的短试件，即L0 =5d0。

四、实验原理及方法

低碳钢是指含碳量在0.3%以下的碳素钢，这类钢材在工程中使用较广，在拉伸试验中表现出的力学性能也最为典型。本次试验主要

测定它的弹性模量、上屈服强度R eH、下屈服强度R eL、抗拉强度、伸长率A和断面收缩率Z等力学性能指标

（1）弹性模量E的测定

由材料力学知识可知，材料在屈服前力与变形是成线性关系的，其拉伸图基本为一条直线，如图1所示。弹性模量是材料在弹性变形范围内应力与应变的比值，即：

(1.2)

因为，，所以弹性模量E又可表示为：

(1.3)

式中：

E—材料的弹性模量，R—应力，—应变，F—载荷，S0—试样横截面面积（取三处中最小一处的平均直径计算），Le—引伸仪标距，

ΔL—试件在载荷F作用下，标距L0段内试件的变形，ΔF—载荷的增量、—变形增量的平均值。

图1 低碳钢拉伸曲线图

可见，在材料线弹性范围内，对应着每一个拉力F，试样标距L0有一个伸长量ΔL，利用公式（1.3）即可求得弹性模量E。实际计算时，由于试验仪器的精度、夹具的间隙等问题，绝对载荷与绝对变形无法同步获取，所以一般采取增量法来得到弹性模量E。即取一个

载荷初始点F0，在此基础上按相等增量（本实验取=1kN）的间隔，读取5-6组相应变形增量数据，计算出变形增量。由

于弹性模量是在材料线弹性范围内测定，所以在理论上如果每级载荷增量相等，那么各级变形增量也应相等，因此可取平均值

来计算弹性模量E。

（2）上屈服强度R eH、下屈服强度R eL、抗拉强度R m的测定

材料过了线弹性阶段后，继续加载将进入屈服阶段，在拉伸曲线上出现上下波动的波浪线，力值增加缓慢甚至下降，但变形继续增加，根据屈服点的读取不同，可分为上屈服强度和下屈服强度。上屈服强度ReH是试样发生屈服时力首次下降前的最高应力，下屈服强度ReL是在屈服期间，不计初始瞬时效应的最低应力，具体见图2。????? 屈服阶段过后，材料进入强化阶段，试件的承载能力继续增加。载荷达到最大值Fm时，试件某一局部的截面明显缩小，出现“颈缩”现象。这时载荷迅速下降，试件随即被拉断。最大力Fm所对应的应力叫抗拉强度R m。

图2 屈服强度的确定

（3）断后伸长率A及断面收缩率Z的测定

为了测定断后伸长率，应将试样断裂的部分仔细地对接在一起使其轴线处于同一直线上，并尽可能保证断裂部分接触。采用精度为0.02mm的游标卡尺量取断后标距L u。断后伸长率A的计算公式为

(1.5)

式中L0——试件原始标距；L u——试件断后标距。

对于塑性材料，断裂变形集中在断口处，该处变形最大，距离断口位置越远，变形越小，如果试验前将原始标距细分为N等份，则可见各等份内的伸长量基本沿断口位置左右对称。一般来说，断口位置基本位于试样标距中间，但由于试样加工误差、材料局部缺陷等等造成断口位置偏向原始标距某一边。按照国家标准，原则上只有断口位置与最接近的标距标记的距离不小于原始标距的三分之一情况方为有效。否则可根据左右对称性，利用断口移位方法测量断后伸长率（参见图3）。具体做法如下：

1.首先以短边的原始标距标记为起点，使断口位置位于L1的中间， L1长度范围内的小格数为NL1；

2.如果N- NL1为偶数（N为原始标距内的小格数），那么再量取L2，使NL1+2*NL2=N，这样Lu=L1+2*L2；

3.如果N- NL1为奇数，那么再量取L2和L3，使NL1+NL2+ NL3=N，这样Lu=L1+L2+L3；

图3 断后标距的量取（断口移位法）

为了测定低碳钢的断面收缩率，试件拉断后，将试样断裂部分仔细地对接在一起，使其轴线处于同一直线上。在缩颈最小处相互垂直方向各测量一次直径，取其算术平均值计算最小横截面面积S u。再按下式计算断面收缩率

1.6)

式中S0——试件原始横截面面积。

S u——试件拉断后断口处最小横截面面积。

五、实验步骤

1.试样准备

1.选取表面无明显缺陷、划痕的试样。用小刻刀按等刻度（一般取5mm）在试样工作长度区间轻轻划上标距标记线。

2.在标距两端及中间三个位置上，沿相互垂直的方向分别测量试件直径，并记录。

2. 试验机准备

1.开启试验机电源，打开电脑电源，运行Series.LXS软件程序，进入到试验就绪状态。INSTRON试验机的具体操作请阅读附录

《INSTRON试验机基本使用说明书》。

2.根据试样大小，选择合适的夹头；根据试样长度，调整试验机横梁的高度。

3.试验机载荷调零。安装试样并夹紧。

4.进行预拉（只用于低碳钢拉伸实验）。为检查机器和仪表是否处于正常状态，先把载荷预加到略小于F n（测定弹模E时的最

大载荷），然后卸载到0~F0之间。

5.安装引伸仪（只用于低碳钢拉伸实验）。并将变形或位移调零。

6.加载。在弹性直线段加载时应保持匀速、缓慢（速率为0.5mm/min，试验前老师已设定）。观察曲线的变化情况，当曲线进

入材料强化阶段后，电脑会弹出“取下引伸仪”的警告窗口，按“确定”后立即取下引伸仪。然后稍增加加载速率（速率为2mm/min，试验前老师已设定），直到试件被拉断。对铸铁试件，应缓慢匀速加载（速率为0.5mm/min，试验前老师已设定）。

7.试验结束，注意保存数据文件。记录屈服力、最大力、弹性模量（作为计算弹性模量的参考值）。对铸铁试验，只记录最大

力。