資料來(lái)源－－-浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院－－－－材料的力學(xué)性能測(cè)試第一節(jié)軸向拉伸實(shí)驗(yàn)
§1－1 軸向拉伸實(shí)驗(yàn)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>
1、 測(cè)定低碳鋼的屈服強(qiáng)度（）、抗拉強(qiáng)度（）、斷后伸長(zhǎng)率A11.3（10）和斷面收縮率Z（）。
2、 測(cè)定鑄鐵的抗拉強(qiáng)度（）。
3、 比較低碳鋼（塑性材料）和鑄鐵（脆性材料）在拉伸時(shí)的力學(xué)性能和斷口特征。
注：括號(hào)內(nèi)為GB/T228-2002《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》發(fā)布前的舊標(biāo)準(zhǔn)引用符號(hào)。
二、設(shè)備及試樣
1、 電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（自行改造）。
2、 0.02mm游標(biāo)卡尺。
3、 低碳鋼圓形橫截面比例長(zhǎng)試樣一根。把原始標(biāo)距段L0十等分，并刻畫出圓周等分線。
4、 鑄鐵圓形橫截面非比例試樣一根。
注：GB/T228-2002規(guī)定，拉伸試樣分比例試樣和非比例試樣兩種。比例試樣的原始標(biāo)距與原始橫截面積的關(guān)系滿足。比例系數(shù)取5.65時(shí)稱為短比例試樣，取11.3時(shí)稱為長(zhǎng)比例試樣，國(guó)際上使用的比例系數(shù)取5.65。非比例試樣與無(wú)關(guān)。
三、實(shí)驗(yàn)原理及方法
低碳鋼是指含碳量在0.3％以下的碳素鋼。這類鋼材在工程中使用較廣，在拉伸時(shí)表現(xiàn)出的力學(xué)性能也最為典型。
低碳鋼拉伸圖（F—ΔL曲線）
以軸向力F為縱坐標(biāo)，標(biāo)距段伸長(zhǎng)量ΔL為橫坐標(biāo)，所繪出的試驗(yàn)曲線圖稱為拉伸圖，即F—ΔL曲線。低碳鋼的拉伸圖如上圖所示，F(xiàn)eL為下屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的軸向力，F(xiàn)eH為上屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的軸向力，F(xiàn)m為最大軸向力。
F—ΔL曲線與試樣的尺寸有關(guān)。為了消除試樣尺寸的影響，把軸向力F除以試樣橫截面的原始面積S0就得到了名義應(yīng)力，也叫工程應(yīng)力，用σ表示。同樣，試樣在標(biāo)距段的伸長(zhǎng)ΔL除以試樣的原始標(biāo)距ＬO得到名義應(yīng)變，也叫工程應(yīng)變，用ε表示。σ—ε曲線與F—ΔL曲線形狀相似，但消除了兒何尺寸的影響，因此代表了材料本質(zhì)屬性，即材料的本構(gòu)關(guān)系。
低碳鋼應(yīng)力—應(yīng)變圖（σ—ε曲線）
典型低碳鋼的拉伸σ—ε曲線，如上圖所示，可明顯分為四個(gè)階段：
（1）彈性階段oa’：在此階段試樣的變形是彈性的，如果在這一階段終止拉伸并卸載，試樣仍恢復(fù)到原先的尺寸，試驗(yàn)曲線將沿著拉伸曲線回到初始點(diǎn)，表明試樣沒有任何殘余變形。習(xí)慣上認(rèn)為材料在彈性范圍內(nèi)服從虎克定律，其應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)檎汝P(guān)系，即
式中比例系數(shù)E代表直線的斜率，稱為材料的彈性模量，其常用單位為GPa。它是代表材料發(fā)生彈性變形的主要性能參數(shù)。E的大小反映材料抵抗彈性變形的一種能力，代表了材料的剛度。此外，材料在發(fā)生桿的軸向伸長(zhǎng)的同時(shí)還發(fā)生橫向收縮。反映橫向變形的橫向應(yīng)變ε＇與ε之比的絕對(duì)值μ稱為材料的泊松比。它是代表材料彈性變形的另一個(gè)性能參數(shù)。
（2）屈服階段ab：在超過(guò)彈性階段后出現(xiàn)明顯的屈服過(guò)程，即曲線沿一水平段上下波動(dòng)，即應(yīng)力增加很少，變形快速增加。這表明材料在此載荷作用下，宏觀上表現(xiàn)為暫時(shí)喪失抵抗繼續(xù)變形的能力，微觀上表現(xiàn)為材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化。從微觀結(jié)構(gòu)解釋這一現(xiàn)象，是由于構(gòu)成金屬晶體材料結(jié)構(gòu)晶格間的位錯(cuò)，在外力作用下發(fā)生有規(guī)律的移動(dòng)造成的。如果試樣表面足夠光滑、材料雜質(zhì)含量少，可以清楚地看出試樣表面有450方向的滑移線。
根據(jù)GB/T228－2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最大應(yīng)力稱為上屈服強(qiáng)度，記為“ReH”；在屈服期間，不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低應(yīng)力稱為下屈服強(qiáng)度，記為“ReL”，若試樣發(fā)生屈服而力首次下降的最小應(yīng)力是屈服期間的最小應(yīng)力時(shí)，該最小應(yīng)力稱為初始瞬時(shí)效應(yīng)，不作為下屈服強(qiáng)度。
通常把試驗(yàn)測(cè)定的下屈服強(qiáng)度ReL作為材料的屈服極限σS，σS是材料開始進(jìn)入塑性的標(biāo)志。不同的塑性材料其屈服階段的曲線類型有所不同，其屈服強(qiáng)度按GB/T228-2002規(guī)定確定。結(jié)構(gòu)、零件的外加載荷一旦超過(guò)這個(gè)應(yīng)力，就可以認(rèn)為這一結(jié)構(gòu)或零件會(huì)因?yàn)檫^(guò)量變形而失效。因此，強(qiáng)度設(shè)計(jì)中常以屈服極限σS作為確定許可應(yīng)力的基礎(chǔ)。由于材料在這一階段已經(jīng)發(fā)生過(guò)量變形，必然殘留不可恢復(fù)的變形（塑性變形），因此，從屈服階段開始，材料的變形就包含彈性和塑性兩部分。
（3）強(qiáng)化階段bc：屈服階段結(jié)束后，σ—ε曲線又出現(xiàn)上升現(xiàn)象，說(shuō)明材料恢復(fù)了對(duì)繼續(xù)變形的抵抗能力，材料若要繼續(xù)變形必須施加足夠的載荷。如果在這一階段卸載，彈性變形將隨之消失，而塑性變形將永遠(yuǎn)保留。強(qiáng)化階段的卸載路徑與彈性階段平行。卸載后若重新加載，材料的彈性階段線將加長(zhǎng)、屈服強(qiáng)度明顯提高，塑性將降低。這種現(xiàn)象稱作應(yīng)變強(qiáng)化或冷作硬化。冷作硬化是金屬材料極為寶貴的性質(zhì)之一。塑性變形與應(yīng)變強(qiáng)化二者結(jié)合，是工廠強(qiáng)化金屬的重要手段。例如：噴丸、擠壓，冷拔等工藝，就是利用材料的冷作硬化來(lái)提高材料的強(qiáng)度。強(qiáng)化階段的塑性變形是沿軸向均勻分布的。隨塑性變形的增長(zhǎng)，試樣表面的滑移線亦愈趨明顯。σ—ε曲線的應(yīng)力峰值Rm為材料的強(qiáng)度極限σb。對(duì)低碳鋼來(lái)說(shuō)σb是材料均勻塑性變形的最大抵抗能力，也是材料進(jìn)入頸縮階段的標(biāo)志。
（4）頸縮階段cd：應(yīng)力到達(dá)強(qiáng)度極限后，開始在試樣最薄弱處出現(xiàn)局部變形，從而導(dǎo)致試樣局部截面急劇頸縮，承載面積迅速減少，試樣承受的載荷很快下降，直至斷裂。斷裂時(shí)，試樣的彈性變形消失，塑性變形則遺留在斷裂的試樣上。
塑性材料和脆性材料的拉伸曲線存在很大差異。低碳鋼和鑄鐵是工程材料中最具典型意義的兩種材料，前者為塑性材料，后者為脆性材料。觀察它們?cè)诶爝^(guò)程中的變形和破壞特征有助于正確、合理地認(rèn)識(shí)和選用材料。
根據(jù)試驗(yàn)機(jī)繪制的拉伸F—ΔL曲線確定低碳鋼的、和鑄鐵的。
（1）原始橫截面面積（S0）的測(cè)定：圓形橫截面試樣，應(yīng)分別在標(biāo)距內(nèi)兩端及中部測(cè)
量直徑。測(cè)量某處的直徑時(shí)，應(yīng)在該處測(cè)量?jī)蓚�(gè)互垂方向的直徑，取其算術(shù)平均值。原始橫截面面積S0取三處測(cè)得的最小直徑計(jì)算，并至少保留4位有效數(shù)字。
（2）強(qiáng)度指標(biāo)（、）的測(cè)定：從低碳鋼的F—ΔL曲線讀取試樣的FeL和Fm值，將其分別除以試樣的原始橫截面面積S0得低碳鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度；從鑄鐵的F—ΔL曲線讀取試樣的Fm值，將其除以試樣的原始橫截面面積S0得鑄鐵抗拉強(qiáng)度；
根據(jù)拉斷后低碳鋼試樣的斷口直徑及標(biāo)距段長(zhǎng)度確定A11.3 和Z
（1）原始標(biāo)距L0的標(biāo)記：低碳鋼拉伸試樣的標(biāo)距段原始長(zhǎng)度為100mm，分十等分，用劃線機(jī)劃細(xì)的圓周線作為標(biāo)記。
（2）低碳鋼斷面收縮率Z的測(cè)定：斷裂后試樣橫截面的最大縮減量S0－Su與原始橫截面面積S0之比的百分率為斷面收縮率。
測(cè)量時(shí)將試樣斷裂部分仔細(xì)地配接在一起，使其軸線處于同一直線上。測(cè)量圓形橫截面縮頸處的最小直徑計(jì)算縮頸后的試樣最小橫截面面積Su。
（3）低碳鋼斷后伸長(zhǎng)率A11.3的測(cè)定：斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)Lu－L0與原始標(biāo)距L0之比的百分率為斷后伸長(zhǎng)率。對(duì)于比例試樣，若原始標(biāo)距不為，則符號(hào)A應(yīng)附下標(biāo)注明所使用的比例系數(shù)，例如A11.3表示原始標(biāo)距L0為的試樣斷后伸長(zhǎng)率。
測(cè)量時(shí)將試樣斷裂部分仔細(xì)地配接在一起，應(yīng)使試樣二段的軸線處于同一直線上，并且斷裂部分適當(dāng)接觸。當(dāng)斷裂處與最接近的標(biāo)距標(biāo)記的距離不小于原始標(biāo)距的三分之一時(shí)，標(biāo)距段長(zhǎng)度Lu按要求配接后直接測(cè)量，否則應(yīng)按下述移位方法測(cè)量Lu。
試驗(yàn)前將原始標(biāo)距L0細(xì)分為N等分，把每一等分的細(xì)圓周線稱為標(biāo)距等分標(biāo)記
試驗(yàn)后，以符號(hào)X表示斷裂后試樣短的一段距離試樣夾持部最近的標(biāo)距等分標(biāo)記，以符號(hào)Y表示斷裂試樣長(zhǎng)的一段的標(biāo)距等分標(biāo)記，要求Y與斷裂處的距離最接近X與斷裂處的距離，X與Y之間的標(biāo)距等分格數(shù)為n。
若N－n為偶數(shù)，以符號(hào)Z表示斷裂試樣長(zhǎng)的一段的標(biāo)距等分標(biāo)記，要求Z與Y的標(biāo)距等分格數(shù)為。分別測(cè)量X與Y之間的距離記為XY、Y與Z之間的距離記為YZ，則試樣斷后的標(biāo)距段長(zhǎng)度Lu＝XY＋2YZ，如下圖（a）所示。
若N－n為奇數(shù)，以符號(hào)Z’和Z’’表示斷裂試樣長(zhǎng)的一段的標(biāo)距等分標(biāo)記，要求Z’與Y的標(biāo)距等分格數(shù)為，Z’與Z’’的標(biāo)距等分格數(shù)為1。分別測(cè)量X與Y之間的距離記為XY、Y與Z’之間的距離記為YZ’、Z’與Z’’之間的距離記為Z’Z’’，則試樣斷后的標(biāo)距段長(zhǎng)度Lu＝XY＋2Y Z’＋Z’ Z’’，如下圖（b）所示。
四、實(shí)驗(yàn)步驟
1、按要求測(cè)量試樣的原始橫截面面積S0。低碳鋼標(biāo)距段原始長(zhǎng)度不用測(cè)量，為100mm。鑄鐵不定標(biāo)距，不用測(cè)量。
2、 按要求裝夾試樣（先選其中一根），并保持上下對(duì)中。
3、 按指導(dǎo)老師要求選擇“試驗(yàn)方案” →“新建實(shí)驗(yàn)”→“金屬圓棒拉伸實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行試驗(yàn)，詳細(xì)操作要求見電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)使用說(shuō)明。
4、 試樣拉斷后拆下試樣，重新調(diào)整試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)臺(tái)的合理高度（一般為10mm），按要求裝夾另一根試樣，選擇“繼續(xù)實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行第二根試樣的拉伸試驗(yàn)。
5、 第二根試樣拉斷后拆下試樣，根據(jù)電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)使用說(shuō)明把兩根試樣的F—ΔL曲線添加不同的顏色一起顯示在微機(jī)顯示屏上。從低碳鋼的F—ΔL曲線上讀取FeL、Fm值，從鑄鐵的F—ΔL曲線上讀取Fm值。并比較兩條曲線的特征。
6、 測(cè)量低碳鋼拉斷后的斷口最小橫截面面積Su。
7、 根據(jù)低碳鋼斷口的位置選擇直接測(cè)量或移位方法測(cè)量標(biāo)距段長(zhǎng)度Lu。
8、 比較低碳鋼和鑄鐵的斷口特征。
9、 試驗(yàn)機(jī)復(fù)原。
五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理要求
1、試樣直徑的測(cè)量與測(cè)量工具的精度保持一致。
2、橫截面面積的計(jì)算值取4位有效數(shù)字。
3、拉伸力學(xué)性能指標(biāo)的數(shù)值確定應(yīng)保留計(jì)算過(guò)程，最終結(jié)果值按下表要求修約。
| 性能名稱 | 范圍 | 修約間隔 |
| 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度 | ≤200MPa | 1MPa |
| ＞200～1000MPa | 5MPa |
| ＞1000MPa | 10MPa |
| 斷后伸長(zhǎng)率 | | 0.5％ |
| 斷面收縮率 | | 0.5％ |
六、思考題
1、為什么在實(shí)驗(yàn)前需要測(cè)試件原始尺寸，包括哪些數(shù)據(jù)，如何測(cè)？
2、如果試件直徑為10mm,按標(biāo)準(zhǔn)短比例試件要求，標(biāo)距應(yīng)定為多少？
3、哪種材料需要在試件拉斷后測(cè)量試件尺寸？
4、鑄鐵拉伸變形為什么沒有屈服、強(qiáng)化及縮頸等階段？
5、 測(cè)定材料屈服強(qiáng)度的意義？哪些材料需要測(cè)定屈服強(qiáng)度？
6、 應(yīng)變強(qiáng)化是哪類材料的特點(diǎn)，發(fā)生在拉伸過(guò)程的哪個(gè)階段，有何作用和意義？
