實驗一 金屬材料的拉伸實驗拉伸是材料力學最基本的實驗，通過拉伸可以測定出材料一些基本的力學性能參數，如彈性模量、強度、塑性等。一實驗目的1.測定低碳鋼拉伸時的強度性能指標：屈服應力和抗拉強度。2.測定低碳鋼拉伸時的塑性性能指標：伸長率和斷面收縮率。3.測定灰鑄鐵拉伸時的強度性能指標：抗拉強度。4.繪制低碳鋼和灰鑄鐵的拉伸圖，比較低碳鋼與灰鑄鐵在拉伸時的力學性能和破壞形式。二實驗儀器、設備1.電子萬能試驗機(或液壓萬能材料試驗機)。2.鋼尺。3.數顯卡尺。三、實驗試樣按照國家標準GB639786金屬拉伸試驗試樣，金屬拉伸試樣的形狀隨著產品的品種、規格以及試驗目的的不同而分為圓形截面試樣、矩形截面試樣、異形截面試樣和不經機加工的全截面形狀試樣四種。其中最常用的是圓形截面試樣和矩形截面試樣。對試樣的形狀、尺寸和加工的技術要求參見國家標準GB639786。 夾持 過渡 夾持 過渡 h b l0 d l0l0 (a) (b) 圖1-1 試件的截面形式試樣分為夾持部分、過渡部分和待測部分（l）。標距（0）是待測部分的主體，其截面積為A0。按標距（0）與其截面積（A0）之間的關系，拉伸試樣可分為比例試樣和非比例試樣。按國家標準GB6397-86的規定，比例試樣的有關尺寸如下表1-1。表1-1試樣標距l0，(mm)截面積A0，（mm2）圓形試樣直徑d (mm)延伸率比例長11.3或10 d任意任意短5.65或5 d四實驗原理（一）塑性材料彈性模量的測試：在彈性范圍內大多數材料服從虎克定律，即變形與受力成正比。縱向應力與縱向應變的比例常數就是材料的彈性模量E，也叫楊氏模量。因此金屬材料拉伸時彈性模量E地測定是材料力學最主要最基本的一個實驗。測定材料彈性模量E一般采用比例極限內的拉伸試驗，材料在比例極限內服從虎克定律，其荷載與變形關系為： 若已知載荷F及試件尺寸，只要測得試件伸長L或縱向應變即可得出彈性模量E。 本實驗采用引伸計在試樣予拉后，彈性階段初夾持在試樣的中部，過彈性階段或屈服階段，彈性模量E測畢取下，其中塑性材料的拉伸實驗不間斷。 （二）塑性材料的拉伸（低碳鋼）： 圖1-2所示是典型的低碳鋼拉伸圖。 當試樣開始受力時，因夾持力較小，其夾持部分在夾頭內有滑動，故圖中開始階段的曲線斜率較小，它并不反映真實的載荷變形關系；載荷加大后，滑動消失，材料的拉伸進入彈性階段。 應力 E D B BC F b s 伸長率 1-2b 典型的低碳鋼拉伸圖低碳鋼的屈服階段通常為較為水平的鋸齒狀（圖中的B-C段），與最高載荷B對應的應力稱上屈服極限，由于它受變形速度等因素的影響較大，一般不作為材料的強度指標；同樣，屈服后第一次下降的最低點也不作為材料的強度指標。除此之外的其它最低點中的最小值（B點）作為屈服強度s： s =當屈服階段結束后（C點），繼續加載，載荷變形曲線開始上升，材料進入強化階段。若在這一階段的某一點（如D點）卸載至零，則可以得到一條與比例階段曲線基本平行的卸載曲線。此時立即再加載，則加載曲線沿原卸載曲線上升到D點，以后的曲線基本與未經卸載的曲線重合。可見經過加載、卸載這一過程后，材料的比例極限和屈服極限提高了，而延伸率降低了，這就是冷作硬化。隨著載荷的繼續加大，拉伸曲線上升的幅度逐漸減小，當達到最大值（E點）m 后，試樣的某一局部開始出現頸縮，而且發展很快，載荷也隨之下降，迅速到達F點后，試樣斷裂。材料的強度極限b為：b= 當載荷超過彈性極限時，就會產生塑性變形。金屬的塑性變形主要是材料晶面產生了滑移，是剪應力引起的。描述材料塑性的指標主要有材料斷裂后的延伸率和截面收縮率來表示。 伸長率 截面收縮率 式中0、1和A0、A1分別是斷裂前后的試樣標距的長度和截面積。1可用下述方法測定：直接法：如斷口到最近的標距端點的距離大于0/3，則直接測量兩標距端點間的長度為1； 移位法：如斷口到最近的標距端點的距離小于0/3，如圖1-3所示：在較長段上，從斷口處O起取基本短段的格數，得到B點，所余格數若為偶數，則取其一半，得到C點；若為奇數，則分別取其加1和減1的一半，得到C、C1點，那么移位后的1分別為：1=AO+OB+2BC， 1=AO+OB+BC+BC1 A O B C D (a) A O B C C1 D (b)五實驗步驟（一）塑性材料的拉伸（圓形截面低碳鋼）1、確定標距根據表1-1的規定，選擇適當的標距（這里以10d作為標距0），并測量0的實際值。為了便于測量1，將標距均分為若干格，如10格。 2 、試樣的測量用游標卡尺在試樣標距的兩端和中央的三個截面上測量直徑，每個截面在互相垂直的兩個方向各測一次，取其平均值，并用三個平均值中最小者作為計算截面積的直徑d，并計算出A0值。 3 、儀器設備的準備根據材料的強度極限m和截面積A0估算最大載荷值Pmax，根據Pmax選擇試驗機測試量程，建立試驗編號，設置參數，調零。4、安裝試件 試件先安裝在試驗機的上夾頭內，再使用手控盒移動下夾頭，使其達到適當的位置，并把試件下端夾緊。5、按試驗開始按鈕加載，試驗斷裂試驗結束，卸載。6、測試樣斷后尺寸 （二）脆性材料的拉伸（圓形截面鑄鐵）鑄鐵等脆性材料拉伸時的載荷變形曲線不象低碳鋼拉伸那樣明顯地分為彈性、屈服、頸縮和斷裂四個階段，而是一根接近直線的曲線，且載荷沒有下降段。它是在非常小的變形下突然斷裂的，斷裂后幾乎不到殘余變形。因此，測試它的、就沒有實際意義，只要測定它的強度極限b就可以了。實驗前測定鑄鐵試件的橫截面積A0，然后在試驗機上緩慢加載，直到試件斷裂，記錄其最大載荷Pb ，求出其強度極限b。（三）拉伸試驗結果的計算精確度1強度性能指標（屈服應力和抗拉強度）的計算精度要求為，即：凡的數值舍去，而的數值化為，的數值者則進為。2塑性性能指標（伸長率和斷面收縮率）的計算精度要求為，即：凡的數值舍去，而的數值化為，的數值則進為。五. 討論與思考1. 當斷口到最近的標距端點