1 材料的拉伸性能的检测

实验1 材料的拉伸性能的检测
一、实验目的
1．观察分析低碳钢拉伸过程及实验现象； 2．掌握材料力学性能测试的基本实验方法；
3．测定低碳钢拉伸时的弹性模量、屈服极限σs ，强度极限σb ，延伸率δ和截面收缩率ψ；
4．掌握万能材料试验机的基本操作；
二、实验设备及原理 1.概述
材料的拉伸试验指材料的单向静拉伸试验，该试验通常是在室温下按照常规的试验标准，采用光滑圆柱试样在缓慢加载和低的变形速率下进行的，其试样方法和试样尺寸都有相应的明确规定。

在材料的常规力学性能试验中，拉伸试验虽然简单，但却是工业生产和材料研究中最重要和应用最为广泛的试验方法。

通过拉伸试验可以揭示材料在静载荷作用下的应力和应变关系以及过量弹性变形、塑性变形、断裂三种失效形式的特点和基本规律，检测材料的弹性、强度、塑性、应变硬化、韧性等重要的力学性能指标：弹性模量、屈服强度、抗拉强度、断面收缩率、伸长率等。

通过拉伸试验得到的拉伸性能可以预测材料的其他力学性能如抗疲劳、断裂性能等。

因此，研究新材料或者合理使用现有的材料改善其力学性能都需要测定材料的拉伸性能。

2.拉伸试验原理
常温下的拉伸试验是测定材料力学性能的基本试验。

可用以测定弹性常数E ，比例极限σp ，屈服极限σs （或非比例伸长应力σP 0.2），强度极限σb ，延伸率δ和截面收缩率ψ等。

这些指标都是工程设计的主要依据。

(1)弹性模量的测定
由材料力学可知，弹性模量是材料在弹性变形范围内应力与应变的比值，即
ε
σ
=
E （1） 因为A
P
=
σ,0L L ∆=ε,所以弹性模量E 又可以表示为
L
A PL E ∆=
(2) 以上公式中：
E —材料的弹性模量；－应变应力，εσ-，
P —实验时所施加的荷载，A －以试件直径的平均值计算的横截面面积， L 0——引伸仪标距，-∆L 试件在载荷P 作用下，标距L 0段的伸长量。

可见，在弹性变形范围内，对试件作用拉力P ，并量出拉力P 引起的标距内伸长L ∆，即可求得弹性模量E ，实验时，拉力P 值由试验机读数盘示出，标距L 0＝50㎜（不同的引伸仪标距不同），试件横截面面积A 可算出，只要测出标距段的伸长量L ∆，就可得到弹性模量E 。

在弹性变形阶段内试件的变形很小，标距段的变形（伸长量L ∆）需用放大倍数为200倍的球铰式引伸仪来测量。

为检验荷载与变形之间的关系是否符合胡克定律，并减少测量误差，实验时一般用等增量法加载，每次递加同样大小的载荷增量F ∆（可选kN 2=∆F ），在引伸仪上读取相应的变形量。

若每次的变形增量大致相等，则说明载荷与变形成正比关系，即验证了胡克定律。

弹性模量E 可按下式算出，
()
L A L P E ∆∆⋅⋅∆⨯
=-
0200 (3)
其中：()()∑=-
∆∆=∆∆n
i i L n L 1
1为变形增量的平均值；200为测量变形时的放大系数。

(2)强度性能指标
屈服强度（屈服点）σs ：试样在拉伸过程中载荷不增加而试样仍能继续产生变形时的载荷（即屈服载荷）F s 除以原始横截面面积A 所得的应力值，即
A
F s
s =
σ 抗拉强度σb ：试样在拉断前所承受的最大载荷F b 除以原始横截面面积A 所得的应力值，即
A
F b
b =
σ 低碳钢是具有明显屈服现象的塑性材料，在均匀缓慢的加载过程中，当万能试验机测力盘上的主动指针发生回转时所指示的最小载荷（下屈服载荷）即为屈
服载荷。

试样超过屈服载荷后，再继续缓慢加载直至试样被拉断，万能试验机的从动指针所指示的最大载荷即为极限载荷。

当载荷达到最大载荷后，主动指针将缓慢退回，此时可以看到，在试样的某一部位局部变形加快，出现颈缩现象，随后试样很快被拉断。

(2)塑性性能指标
伸长率δ—拉断后的试样标距部分所增加的长度与原始标距长度的百分比，即
%1001⨯-=
l
l
l δ 式中：l 为试样的原始标距；1l 为将拉断的试样对接起来后两标点之间的距离。

断面收缩率ψ——拉断后的试样在断裂处的最小横截面面积的缩减量与原始横截面面积的百分比，即
%1001
⨯-=
A
A A ψ 式中：A 为试样的原始横截面面积；1A 为拉断后的试样在断口处的最小横截面面积。

试样的塑性变形集中产生在颈缩处，并向两边逐渐减小。

因此，断口的位置不同，标距l 部分的塑性伸长也不同。

若断口在试样的中部，发生严重塑性变形的颈缩段全部在标距长度内，标距长度就有较大的塑性伸长量；若断口距标距端很近，则发生严重塑性变形的颈缩段只有一部分在标距长度内，另一部分在标距长度外，在这种情况下，标距长度的塑性伸长量就小。

因此，断口的位置对所测得的伸长率有影响。

为了避免这种影响，国家标准GB228—87对L 1的测定作了如下规定。

试验前，将试样的标距分成十等分。

若断口到邻近标距端的距离大于L/3，则可直接测量标距两端点之间的距离作为L 1。

若断口到邻近标距端的距离小于或等于L/3，则应采用移位法（亦称为补偿法或断口移中法）测定：在长段上从断口O 点起，取长度基本上等于短段格数的一段，得到B 点，再由B 点起，取等于长段剩余格数（偶数）的一半得到C 点（见图6（a ））；或取剩余格数（奇数）减1与加1的一半分别得到C 点与C 1点（见图6（b ））。

移位后的L 1分别为：
BC OB AO l 21++=或11BC BC OB AO l +++=。

测量时，两段在断口处应紧密对接，尽量使两段的轴线在一条直线上。

若在断口处形成缝隙，则此缝隙应计入1l 内。

如果断口在标距以外，或者虽在标距之内，但距标距端点的距离小于d 2，则试验无效。

（a ）
（b ） 图1 测1l 的移位法
3拉伸试样要求
国家标准GB6397—86《金属拉伸试验试样》对拉伸试样的规格进行了详细的规定，依据材料、产品规格、试验目的可以将金属拉伸试样的形状分为圆形截面试样、矩形截面试样、异形截面试样和不经机加工的全截面形状试样四种。

其中最常用的是圆形截面试样和矩形截面试样。

圆形截面试样和矩形截面试样均由平行、过渡和夹持三部分组成,如图7所示。

图2 拉伸试样
（a ）圆形截面试样；（b ）矩形截面试样
平行部分的试验段长度l 称为试样的标距，按试样的标距l 与横截面面积A 之间的关系，分为比例试样和定标距试样。

比例试样按公式001A K =计算确定，式中10为标距，A 0为标距部分原始截面积，系数 K 通常为5.65和11.3（前者称为短试样，后者称为长试样）。

标距10是待试部分，也是试样的主体，其长度通常简称为标距，也称为计算长度。

据此，短、长圆形试样的标距长度10分别等于5d 0和10d 0。

非比例试样的标距与其原横截面间无上述一定的关系。

通常圆形截面比例试样通常取0051d =l=或00101d =，前者称为长比例试样（简称长试样），后者称为短比例试样（简称短试样）。

定标距试样的l 与A 之间无上述比例关系。

圆柱试样的过渡部分以圆弧与平行部分光滑地连接，以保证试样断裂时的断口在平行部分。

夹持部分稍大，其形状和尺寸根据试样大小、材料特性、试验目的以及万能试验机的夹具结构进行设计。

常用试样的形状尺寸、光洁度等可查国家标准GB228—76。

三、典型材料的拉伸试验过程
在CMT 电子式万能材料试验机上，检测低碳钢和铸铁的拉伸性能。

拉伸试验过程如下：
1.准备拉伸试样：首先将低碳钢和铸铁按照国标制备l 0=10d 0的长试样，测量试样的原始截面积(在标距l 0的两端及中部三个位置上沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算各横截面面积，再以三个横截面面积中的最小值作
为公式中的A
)，并将试样的直径和截面积记录下来。

2．试验机准备：按试验机、计算机、打印机的顺序开机，开机后必须预热10分钟，等系统稳定后方可进一步使用。

3．按照软件使用手册，启动配套软件并选择和设定力传感器和引伸计，确定计算机和试验机保持在联机状态。

4.按照要求安装相应的夹具并将试样正确安放在在试验机上，夹紧。

5.待在软件上设定好相关参数后按照软件设定的方案进行实验。

加载的过程中要注意屈服阶段和颈缩现象的出现。

6.试件拉断后，取下试件，将断裂试件的两端对齐、靠紧，用游标卡尺测出试件
断裂后的标距长度l
1及断口处的最小直径d
1
（一般从相互垂直方向测量两次后
取平均值）。

7.数据整理和计算。

根据计算机记录试验过程的相关数据和图表、曲线，结合试验后测得的试样标距参数，确定低碳钢、铸铁的相关拉伸力学性能指标。

8．完成实验报告，试验结果应以表格或图线的形式表达，并附有必要的文字说明。

以下为试验报告中较为典型的三个表格。

表1 试样原始尺寸。