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。