材料力学拉伸实验报告

图 1-1
试件拉伸图
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中山大学工学院、理论与应用力学刘广编制
实验编号及题目：实验一 低碳钢、铸铁拉伸试验
《材料力学》课程实验报告纸
院系：工学院 姓名：刘广 学号：11309018 日期：2012 年 10 月 18 号
强化阶段（CD)：屈服阶段结束后，R-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 R-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 Rm。对低碳钢来说 Rm 是材料均匀塑性变形的最大抗力，是材料进 入颈缩阶段的标志。 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。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 A 和断面收缩率 Z 来表示。即
学号：11309018
实验一：低碳钢、铸铁拉伸试验 一、实验目的 本试验以低碳钢和铸铁为代表，了解塑性材料在简单拉伸时的机械性质。它是力学性能 试验中最基本最常用的一个。一般工厂及工程建设单位都广泛利用该实验结果来检验材料的 机械性能。试验提供的 E，ReL，Rm，A 和 Z 等指标，是评定材质和进行强度、刚度计算的重要 依据。本试验具体要求为： 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 ReL，抗拉强度 Rm。 3．测定塑性材料的塑性指标：拉伸时的伸长率 A，截面收缩率 Z。 4．比较塑性材料与脆性材料在拉伸时的机械性质。 二：实验仪器与设备: ① 微机控制电液伺服万能试验机 ② 全数字闭环测控系统 ③ 电子引伸计 ④ 游标卡尺 ⑤ 刻度尺 ⑥ 橡皮筋 三、实验原理 进行拉伸试验时，外力必须通过试样轴线,以确保材料处于单向应力状态。一般试验机都 设有自动绘图装置，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 R-ε曲线)来表示： 0-150mm 0-30cm 最小刻度 0.02mm 最小刻度 0.5mm 2条 型号 SHT5305 型号 DCS-300 最大负荷 300kN 1台 1台 1个
R 0.8 d0
L0 L 图 1-4 圆形截面拉伸试件
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前已述及，颈缩局部及其影响区的塑性变形在断后伸长率中占很大的比重。虽然，同种材 料的断后伸长率不仅取决于材质，而且还取决于试样的标距。试样愈短、局部变形所占比例 愈大，A 也就愈大。为了便于相互比较，试样的长度应当标准化。按照规定，测试断后伸长率 应当采用比例试样。比例试样的长度有两种规定： 10 倍直径圆试样：

S0 S 100% 。 S0
⑦ 将试件两截拼合后用刻度尺测量拉伸后试件长度，测量三次取平均值为 l，同时计算伸长 率

实验结束，收拾好实验用品。 铸铁拉伸：
l0 l 100% 。 l0
① 用游标卡尺在铸铁试件的两端和中央的三个截面上测量直径，每个截面在互相垂直的两个 方向各测一次，取其平均值，并用三个平均值中最小者作为计算截面积的直径 d0，并计算 出截面积 S0 值。 ② 用刻度尺在铸铁试件两端间取 10d0 的距离作为原长度 l0，做上标记。 ③ 打开万能试验机，先把试件安装在试验机的上夹头内，再移动下夹头，使其达到适当的位 置，此时清零电脑记录的所有数据后，把试件下端夹紧。 ④ 点击电脑中表示“开始”的箭头按钮，开始拉伸试验，此间数据由电脑记录。 ⑤ 拉断试件后，打印电脑记录数据及图像，取下断裂的两截试件。

S0 S 100% 。 S0
⑦ 将试件两截拼合后用刻度尺测量拉伸后试件长度，测量三次取平均值为 l，同时计算伸长 率

⑧ 实验结束，收拾好实验用品。 实验数据与数据处理： 低碳钢： 截面直径 d0 测量 位置 上部 中部 下部 断面直径 d 位置 上半段 下半段 断裂后长度 l l 第一次 124.16mm
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③ 点击电脑中表示“开始”的箭头按钮，开始拉伸试验，此间数据由电脑记录。 ④ 当电脑提示取下引伸计时，取下引伸计。 ⑤ 拉断试件后，打印电脑记录数据及图像，取下断裂的两截试件。 ⑥ 用游标卡尺测量上下两截断截口处的截面直径，每个截面在互相垂直的两个方向各测一 次，取其平均值，取最小值作为计算截面积的直径 d，计算此时截面积 S，同时计算断面 收缩率
L0 10d 0 , 即 L0 11.3 S0
5 倍直径圆试样：
L0 5d 0 , 即 L0 5.65 S0
按照上述比例，板试样也分长、短两种： 长试样： 短试样：
L0 11.3 S0 L0 5.65 S0
用 10 倍直径试样测定的断后伸长率记做 Au0，用 5 倍直径试样测定的断后伸长率记做 A5 国家 标准推荐使用短比例试样。 五：实验步骤: 低碳钢拉伸: ① 用游标卡尺在低碳钢试件的两端和中央的三个截面上测量直径，每个截面在互相垂直的两 个方向各测一次，取其平均值，并用三个平均值中最小者作为计算截面积的直径 d0，并计 算出截面积 S0 值。 用刻度尺在低碳钢试件两端间取 10d0 的距离作为原长度 l0，做上标记，并平均分成 10 格，同 样做上标记。 ② 打开万能试验机，先把试件安装在试验机的上夹头内，用橡皮筋将电子引伸计固定在试件 标记 l0 长度内，再移动下夹头，使其达到适当的位置，此时清零电脑记录的所有数据后， 把试件下端夹紧。
R
F ——试样的名义应力 S0
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L ——试样的名义应变 L0
S0 和 L0 分别代表初始条件下的面积和标距。R-ε曲线与 F-ΔL 曲线相似，但消除了几何 尺寸的影响。因此，能代表材料的属性。单向拉伸条件下的一些材料的机械性能指标就是在 R-ε曲线上定义的。如果试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 R-ε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 R-ε曲线（图 1-1)可以看出，低碳钢断裂前明显地分成四个 阶段： 弹性阶段（OA)：试件的变形是弹性的。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虎克定律，其应力、应变为正比关系， 即 R E （1-1） 比例系数 E 代表直线 OA 的斜率，称作材料的弹性模量。 屈服（流动)阶段（BC)：R-ε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，而变形快速增长。通常把下屈服点（ Bˊ)作为材料 屈服极限 ReL。ReL 是材料开始进入塑性的标志。结构、零件的应力一旦超过 ReL，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 ReL 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。如果试样线。
A
Lu L0 100% L0 S 0 Su 100% S0
（1-2）
Z
Lu，Su 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 Lu 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试验无效。 工程上通常认为，材料的断后伸长率 A> 5%属于韧断，A< 5%则属于脆断。韧断的特征是 断裂前有较大的宏观塑性变形，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。
四：试样的制备 试样制备是试验的重要环节。 国家标准 《金属拉伸试验试样》 GB6397-86 对此有详细规定。 通常拉伸试样有比例试件和定标准试件两种。 一般拉伸试样由三部分组成，即工作部分，过渡部分和夹持部分（图 1-4） 。工作部分必 须保持光滑均匀以确保材料表面的单向应力状态。均匀部分的有效工作长度 L0 称做标距。d0、 S0 分别代表工作部分的直径和面积。过渡部分必须有适当的台肩和圆角，以降低应力集中，保 持该处不会断裂。试样两端的夹持部分用以传递载荷，其形状尺寸应与试验机的钳口相匹配。
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 Rm。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。
l0 l 100% 。 l0
第一次测量 10.00mm 10.00mm 10.00mm
第二次测量 10.00mm 10.00mm 10.00mm
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多数工程材料的拉伸曲线介于低碳钢和铸铁之间，常常只有两个或三个阶段如图 1-3。但 强度、塑性指标的定义和测试方法基本相同。所以，通过拉伸破坏试验，分析比较低碳钢和 铸铁的拉伸过程，确定其机械性能，在机械性能试验研究中具有典型意义。
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⑥ 用游标卡尺测量上下两截断截口处的截面直径，每个截面在互相垂直的两个方向各测一 次，取其平均值，取最小值作为计算截面积的直径 d，计算此时截面积 S，同时计算断面 收缩率
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院系：工学院 实验人姓名：刘广 日期：2012 年 10 月 18 号 专业：理论与应用力学 年级：2011 级
参加人姓名：刘广、马鹏程、杨航、罗嘉辉、林泽鹏、
刘志豪、林静榕、刘海峰
温度：28° C