07实验一低碳钢拉伸时的力学性能

《力学原理与工程应用》教案

实验项目：低碳钢拉伸时力学性能

实验时间：

实验地点：建筑工程学院力学实验室

实验课时：2H

同组成员：

一、实验目的

1、研究低碳钢的应力-应变曲线图

2、测定低碳钢屈服极限c s、强度极限c b、断后伸长率A、断面收缩率z

二、实验设备：

WE-600B型万能材料试验机、游标卡尺

三、实验原理

1、构件的强度和变形不仅与构件的尺寸和承受的载荷有关，而且与所选用材料的力学性能有关。

2、材料的力学性能是指材料承载时，在强度和变形等方面所表现出来的特性，一般由试验来确定。

3、只讨论在常温和静载条件下材料的力学性能。所谓常温就是指室温，静载是指载荷从零开始缓慢地增加到一定数值后不再改变（或变化极不明显）的载荷。

4、试件。必须按照国家标准（GB228-76）加工成标准试件。通常采用圆截面的标准

长试件（丨10d ）或短试件（丨5d ）。

5、由于加工中存在误差，所以试验前要进行相关尺寸的测量。

&将试件装在夹头中，然后开动机器缓慢增加载荷。

7、试件受到由零逐渐增加的拉力F作用，同时发生伸长变形，加载一直进行到试件断裂为止。

8、这一过程中，试验机的测力示值系统会显示出每一时刻的拉力F，试验机的位移-载荷记录系统会将每一时刻的拉力F和对应的变形I自动绘制成拉伸图。

9、拉伸图反映出试件的力学性能与试件的尺寸是相关的。为了消除试件几何

尺寸的影响，利用F N

和—，将拉伸图转化为应力-应变曲线。应力-应变A I

曲线反映试件材料本身的力学性能。

四、实验步骤

1、试件尺寸测量

2、安装试件，检查并启动机器

3、缓慢增加载荷，直至试件断裂为止

4、收集机器自动绘制的拉伸图

5、绘制应力-应变图

&计算分析得到材料的屈服极限、强度极限、断后伸长率、断面收缩率

五、结果分析

低碳钢是工程上广泛使用的金属材料，它在拉伸时表现出来的力学性能具有典 型性。由图可见，整个拉伸过程大致可分为四个阶段，现分别说明如下:

1、 弹性阶段

1） 弹性阶段是以弹性变形现象命名的。弹性变形是指将外力撤去后，随之消 失的那部分变形。

2） 图中oa'为一直线段，这说明该段内应力和应变成正比，即为已知的胡克定 律 E

3） 直线部分的最高点a'所对应的应力值 p 称为比例极限，低碳钢的比例极限

为 p 190 ~ 200 MPa

4） oa'直线的倾角为 ，其正切值tg — E ，即为材料的弹性模量。

5） 当应力超过比例极限后，图中的a'a 段已不是直线，胡克定律不再适用。

6） 但当应力值不超过a 所对应的应力 e

时，如将外力卸去，试件的变形也随 之全部消失，这种变形即为弹性变形， e 称为弹性极限。

7） 比例极限和弹性极限的概念不同，但实际上

a'点和a 点非常接近，通常对 两者不作严格区分，统称为弹性极限。在工程应用中，一般均使构件在弹性范围

内工作。

2、 屈服阶段

1）屈服阶段是以屈服现象命名的。试件进入这一阶段，即图中 be 段，曲线会 剧烈波动，应力虽不再增加，但变形却继续加大，材料暂时失去抵抗变形的能力， 这一现象称为屈服现象。

2）屈服现象发生时，试件表面会出现与轴线成 45 的条纹，称为滑移线。对

于抛光较 2

好的试件，滑移线是可以看到的。

3）屈服现象及滑移线的出现，表明材料的内部结构已经发生改变，从这一阶段开始将产生塑性变形，即外力撤去后会有残余的变形。

4）屈服阶段最低点对应的应力值s 称为屈服极限，是屈服现象发生的临界应力值。

5）工程中的机械零件通常不允许产生较大的塑性变形，当应力达到屈服极限时，便认为已经丧失正常的工作能力，所以屈服极限是衡量材料强度的重要指标之一。低碳钢的屈服极限为s 220~ 240 MPa 。

3、强化阶段屈服阶段后，图上出现上凸的曲线段，这表明，若要使材料继续变形，必须增加应力，即材料又恢复了抵抗变形的能力，这种现象称为材料的强化，cd 段对应的过程称为材料的强化阶段。

曲线最高点d 所对应的应力值用 b 表示，称为材料的抗拉强度。抗拉强度是材料不被破坏所允许的最大应力值，是衡量材料强度的又一重要指标。低碳钢的抗拉强度 b 370~ 460 MPa 。

4、颈缩断裂阶段

1）应力达到抗拉强度后，在试件较薄弱的横截面处发生急剧的局部收缩，出现颈缩现象。

2）颈缩处的横截面面积迅速减小，最终试件沿颈缩处被迅速拉断，应力- 应变曲线呈下降的de 段形状。

3）试件拉断后，弹性变形消失，但塑性变形仍保留下来。工程中用试件拉断后残留的塑性变形来表示材料的塑性性能。

5、常用的塑性指标

l' l

延伸率100%

l

A A'

断面收缩率A-A- 100%

A

式中I ----- 试件的标距长度；

l'――试件拉断后的长度；

A——试件变形前的横截面面积；

A'――试件断裂处最小的横截面面积。

延伸率和断面收缩率是衡量材料塑性大小的两个重要指标。5%的材料定义为塑性材料，5%的材料定义为脆性材料。

六、实验小结

1、整个拉伸过程大致可分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈

缩断裂阶段。

2、一般均使构件在弹性范围内工作，应力小于弹性极限 e o

3、当应力达到屈服极限s时，便认为已经丧失正常的工作能力。

3、抗拉强度b是材料不被破坏所允许的最大应力值。

4、延伸率5%的材料定义为塑性材料，5%的材料定义为脆性材料。