低碳钢拉伸实验.doc

低碳钢拉伸实验

一、实验目的
1．验证虎克定律，测定低碳钢的弹性模量E。
2．测定低碳钢的屈服极限；强度极限；延伸率；截面收缩率。
3．观察低碳钢拉伸过程中各个阶段的现象，绘制拉伸的应力应变曲线图。
二、实验设备
1．液压式万能材料试验机
2．球铰式引伸仪
3．游标卡尺
三、试件
采用圆形截面试件，直径为10㎜。试件等截面的中段用于测量拉伸变形，其长度称为“原始标距” ，根据国标规定，取，即为100㎜，两端较粗部分是头部，为装入试验机夹头中承受拉力之用。如图2－1所示。
l0

图2－1
四、实验原理
低碳钢属塑性材料，在做拉伸实验过程中，其P－曲线如图2－2所示，
大致可分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部变形阶段。
1．弹性模量E的测定
试件受到轴向拉力P的作用时，在比例极限内，应力和应变的关系符合虎克定律，弹性模量是应力和应变的比值，即 ：

P

△l

屈服阶段

强化阶段

局部变形阶段

弹性阶段

初始瞬时效应

　O

图2－2
可见，在比例极限内，对横截面面积为的试样施加拉伸载荷P，并测出标距的相应伸长，即可求得弹性模量E。为了验证虎克定律，并提高测是弹性模量E的精确度，通常采用“增量法”进行实验，也就是把载荷分成若干相等的加载等级，然后逐级加载。测弹性模量时最高载荷为屈服载荷的70%~80%，若低碳钢的直径为10㎜，则不超过15KN。
实验时，从到逐级加载，各级载荷增量为。对应着每个载荷（i＝1，2，··· ，n），就有相应的伸长，与的差值即为变形增量，它是引起的伸长增量，，为引伸仪中的千分表读数、···算得的增量， K为引伸仪的放大倍数。在逐级加载中，若等到的各级基本相等，就表明变形与拉力P成线性关系，符合虎克定律。
完成一次加载，将得到和的一组数据，按弹性模量平均法，对应于每一个可以求得相应的单项弹性模量，则　　
( i＝1，2，··· ，n)
　　则n个的算术平均值

即为材料的弹性模量。
用增量法进行试验，还能判别加载、引伸仪的安装及读数有无错误。若伸长增量不按一定规律变化，说明试验不正常，应进行检查。
　　2．屈服极限，强度极限的测定
　　弹性阶段过后，进入屈服阶段，试验机示力度盘的主动针停止前进，并开始倒退，载荷首次下降的最低点，称为初始瞬时效应，不作为强度指标，然后应注意指针的波动情况，主动针第一次回摆之后几次回摆中，所指的最低载荷即为屈服载荷。根据定义，屈服极限可由下式求出：

式中为试件的初始横载面面积。
　　屈服阶段过后，进入强化阶段，试件因塑性变形合其内部的晶体结构得到了调整，抵抗继续变形的能力有所增强。当达到最大载荷时，在试件的某一局部的截面明显缩小，出现“颈缩”现象，这表明已经进入局部变形阶段，此时，主动针迅速倒退，试件被拉断，从动针停止不动，所指的载荷即为极限载荷，根据定义，强度极限可由下式求出：

式中为试件的初始横载面面积。
　　3．延伸率和截面收缩率的测定
　　根据定义：

其中为试件拉断后测试标距范围长度，称为断后标距；则为试件断口处的最小面积。
　　为了方便测量断后标距，试件在试验前应在其表面划上等距离并与试件轴线相垂直的标记线，例如每相距10㎜划上一段，如图2－3(a)所示。试件拉断后，把试件拼接起来。从破坏后的低碳钢试件上可以看到，各处的残余伸长是不均匀的，靠近断口处伸长较多。因此，测得的数值与断口部位有关。为了保证的准确性，应该使断口位于测量范围的中部，用游标卡尺测量10格的长度即为，如图2－3(b)所示。如果无法使断口位于测量范围的中部，就要采用断口移中的办法来决定。

(a)
(c)
l0

a

b

c

d

lac

lcd

l1

(b)

图2－3
断口移中的方法是：在靠近断口处的一个划线口，向断裂试件中较短一段的标点a数一下共有多少格，例如有2格。如图2－3(c)。然后向断裂试件较长的一段数相同的2格，记为c，则ac段的长度为共有4格。还应再数格。我们从c向试件较长的一段再数6格的一半即3格，记为d，则cd长度为。这样所包含的格数即为10格，此时，显然，这样的测量方法可保证断口在测量段的中间，使较为准确。
　　五、实验步骤
　　实验必须按步骤进行，次序为试件和试验机准备、安装试件及引伸仪、试验（加载、观察、记录）、测量、整理数据等。
　　1．试件准备
　　（1）沿试件标距的范围内，用划线机每隔10㎜刻划标记线。
　　（2）在试件标距范围内分别测量试件的两端及中间三个位置的直径。为保证精确度，每一截面取互相垂直的两个方向各测量一次，并计算其平均值，以三截面中最小处的平均值作为计算直径，再算出试件的初始横截面面积。
　　2．试验机准备
　　（1）根据试件极限载荷的大小，选择合适的测力量程，并配置相应的摆锤。对于低碳钢拉伸试验，通常选择的量程。
　　（2）调整测力指针，对准零点。
　　（3）在自动绘图器上安装绘图纸与笔。
　　3．安装试件及引伸仪
　　首先安装试件，并使之刚好拉紧（如测力盘指示0.2KN），再安装球铰引伸仪。引伸仪装好后要调整指针使之位于刻度零点。
　　4．开动试验机
　　预加小量载荷（如加至2KN），以检查试验机工作是否正常，引伸仪上百分表指针是否转动，确认正常后卸载接近零点。
　　5．进行试验
　　（1）慢速加载，初载荷为6KN，缓慢而均匀地使试件产生变形，注意测力指针的转动，自动绘图的情况和相应的试验现象。
　　（2）从初载荷开始，每2KN记录一次引伸仪中千分表的读数，并估算引伸仪先后两次读数差，以判断试验是否正常。
　　（3）卸下引伸仪。
　　（4）继续加载，观察屈服时的载荷。当测力指针倒退时，说明材料发生屈服，读出屈服载荷Ps。
（5）过屈服阶段后，可用较快的速度加载，注意观察试件出现颈缩部位，直至将试件拉断，记下极限载荷，停车，取下试件。
　　6．测量
　　（1）为了计算延伸率，需按实验原理第3点介绍的方法测量拉断后试件标距范围内的长度。
（2）为了计算试件的截面收缩率，将断裂试件的两端尽量对紧，用游标卡尺测量断口颈缩处最小直径。为保证精确度，需在两个互相垂直的两个方向各测量一次，并取平均值计算出试件断口处的截面最小面积。
7．清理仪器设备，结束实验。
8．整理数据，完成实验报告。

§2－2铸铁拉伸实验

一、实验目的
　　1．测定铸铁的拉伸强度极限。
2．观察铸铁拉伸的破坏现象，并与低碳钢拉伸的破坏现象比较。
二、实验设备
1．液压式万能材料试验机
2．游标卡尺
三、试件
采用圆形截面试件，两端较粗部分是头部，为装入试验机夹头中承受拉力之用。如图2－1所示。
四、实验原理
铸铁属脆性材料，在拉伸断裂以前所能发生的变形是很小的，无屈服阶段和颈缩现象，其P－曲线如图2－4所示。
P

△l

　O

图2－4
铸铁拉伸实验中，只有一个强度特征值，即拉断时的应力－强度极限，根据定义，可由下式求出：

式中A0为试件初始横载面面积，Pb为材料拉断时的极限载荷。
　　五、实验步骤
　　1．试件准备
　　测量试件的两端及中部共三个位置的直径，为保证精确度，每一截面均取互相垂直的两个方向各测量一次，并计算其平均值，以三截面中最小处的平均值作为计算直径，再算出试件的初始横截面面积，无需在试件上刻线。
2．试验机准备
　　根据试件极限载荷的大小，选择合适的测力量程，并配置相应的摆锤。对于铸铁拉伸试验，通常选择0～60KN的量程。调整测力指针，对准零点。
　　3．安装试件
　　4．进行试验
　　开动试验机，慢速加载，直至试件断裂为止，记下极限载荷，停车，取下试件。
5．清理仪器设备，结束实验。
6．整理数据，完成实验报告。

§2－3低碳钢和铸铁的压缩实验

一、实验目的
1．测定压缩时低碳钢的屈服极限；和铸铁的强度极限。
2．观察低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏现象，并进行比较。
二、实验设备
1．液压式万能材料试验机
2．游标卡尺
三、试件
　　采用圆柱状试件，其高度为直径的1.5～2倍，如图2－5(a)所示。
铸铁

σ

O

ε

(a)

(b)

　　d0

低碳钢

图2－5
四、实验原理
　　1．低碳钢压缩实验
低碳钢在压缩时的曲线如图2－5(b)所示，图中还用虚线绘出了低碳钢在拉伸时的曲线，从这两条曲线可以看出，在屈服阶段以前，它们基本上是重合的，这说明低碳钢在压缩时的弹性模量E和屈服极限与拉伸时大致相同，但在超过屈服极限以后，因低碳钢试件的轴向长度不断缩短，受压面积越来越大，直到被压成鼓形而不产生断裂，如图2－6(a)所示。如果载荷
(a)
(b)

P

△l

O

(c)

图2－6
足够大（例如加至2000KN），试件可被压成饼状，所以无法测定材料的压缩强度极限，故一般来说，钢材的力学性能主要是用拉伸实验来确定，并认为屈服极限为低碳钢压缩时的强度特征值：

式中为试件初始横载面面积，为低碳钢压缩时的屈服载荷。
　　必须指出低碳钢压缩时的屈服阶段并不象拉伸时那样明显，因此在确定时要特别小心地观察。在缓慢而均匀地加载下，最初测力指针是等速转动的，但发生屈服时，测力指针的转动减慢，直至停止转动，停留时间很短（例如0.5秒），有时也有出现回摆的现象，这就是屈服现象。指针停留时的载荷或指针往回摆的最低载荷即为材料的屈服载荷。
　　2．铸铁的压缩实验
　　铸铁是典型的脆性材料，在压缩时并无屈服阶段，其P－曲线如图2－6(b)所示，当对试件加至极限载荷时，试件在压缩变形很小时就突然发生剪断破坏，断面与试件轴线的夹角大约为40º～45º，如图2－6(c)所示。此时，测力主动针迅速倒退，由从动针可读出值，于是即可确定铸铁的强度极限：

式中为试件初始横载面面积，为铸铁压缩时的极限载荷。
　　由实验表明，铸铁的抗压能力比其抗剪能力好，而且在受压时的强度极限比受拉时的要高3～4倍，故铸铁只适用于受压构件。
　　五、实验步骤
　　1．试件准备
　　测量试件中间处的直径，在互相垂直的两个方向各测量一次，以其平均直径计算出试件的初始横截面面积，再测量试件高度。
2．试验机准备
　　根据试件极限载荷的大小，选择合适的测力量程，并配置相应的摆锤。对于低碳钢和铸铁的压缩试验，通常选择0～300KN的量程。调整测力指针，对准零点。
　　3．放置试件
　　把压缩试件放置于试验机的两个承压垫板之间，并对准轴线。
　　4．进行试验
　　　开动试验机，慢速加载。对于低碳钢，先记录试件的屈服载荷，然后加载至大约200KN时卸载；对于铸铁，则加载至试件断裂后卸载，记录极限载荷，停车，取下试件。
5．清理仪器设备，结束实验。
6．整理数据，完成实验报告。