西安交通大学材料力学性能实验报——金属材料静拉伸.doc

材料力学性能实验报告
姓名：
班级：
学号：
成绩：
实验名称
实验一 金属材料静拉伸试验
实验设备
1）电子拉伸材料试验机一台，型号CSS-88100；
2）位移传感器一个；
3）刻线机一台；
4）游标卡尺一把；
5）铝合金和20#钢。
试样示意图

图1 圆柱形拉伸标准试样示意图
试样宏观断口示意图

图2 铝合金试样常温拉伸断裂图和断口图
（和试样中轴线大约成45°角的纤维状断口，几乎没有颈缩，可以知道为切应力达到极限，发生韧性断裂）

图3 正火态20#钢常温拉伸断裂图和断口图
（可以明显看出，试样在拉断之后在断口附近产生颈缩。断口处可以看出有三个区域：1.试样中心的纤维区，表面有较大的起伏，有较大的塑性变形；2.放射区，表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹；3.剪切唇，轴线成45°角左右的倾斜断口）
原始数据记录

表1 正火态20#钢试样的初始直径测量数据（单位：mm）
左
中
右
平均值
9.90
10.00
10.00
9.97
9.92
10.00
10.00
10.00
10.00
9.92

左
中
右
平均值
8.70
8.72
8.68
8.69
8.68
8.70
8.70
8.64
8.72
8.70
表2 时效铝合金试样的初始直径测量数据（单位：mm）

两试样的初始标距为。
表3 铝合金拉断后标距测量数据记录（单位：mm）
AB
BC
AB+2BC
平均
12.32
23.16
58.64
58.79
24.02
17.46
58.94

测量20#钢拉断后的平均标距为=69.53 mm，断口的直径平均值为=6.00 mm。
测量得到铝合金拉断后的断面直径平均值为7.96mm。
数据处理：
1.20#钢正火材料（具有明显物理屈服平台的材料）
20#钢正火材料试样的载荷-位移曲线试验结果见图4。
（1）由图可得各特征力值及对应的位移值分别为：
比例伸长力； 下屈服力；
最大力； 断裂载荷；
断裂后塑性伸长； 断裂后弹性伸长。
（2）由各特征力值计算各强度指标
比例强度：
下屈服强度：
抗拉强度：
断裂强度：
（3）由各特征位移及实验所测数据计算塑性指标（断后伸长率和断面收缩率）
断后伸长率：
断面收缩率：

2. 铝合金材料（不具有明显的物理屈服平台）
铝合金材料试样常温拉伸实验载荷-位移曲线如图6。
由于铝合金材料不具有明显的物理屈服平台，其屈服强度一般采用规定非比例延伸强度表示。即在横轴上找应变为0.2%的点，过此点作平行于载荷-位移曲线弹性段的辅助线与载荷-位移曲线相交，相交点即为力值点。则条件屈服强度可由下式计算：

在载荷-位移曲线上，找的点，作BM的平行线，如图6所示，得到。
（1）由图6可得各特征力值分别为：
比例伸长力； 条件屈服载荷；
最大力。
（2） 由各特征力值求得各强度指标为：
比例强度：
条件屈服强度：
抗拉强度：
（3） 由所测数据计算塑性指标（断后伸长率和断面收缩率）：
断后伸长率：
断面收缩率：

两种材料的常温拉伸实验数据如下：

表4 20#钢正火态试样常温拉伸试验数据表
初始截面积So(mm²)
初始标距
Lo(mm)
断后伸长率A(%)
比例伸长
力Fp(kN)
下屈服力Fel(kN)
最大力Fm(kN)
断裂力FF(kN)
78.07
50
39.06
20.6
24.5
37.2
27.1
断后截面积Su(mm²)
断后标距Lu(mm)
断面收缩
率Z(%)
比例强度Rp(MPa)
下屈服强度Rel(MPa)
抗拉强度Rm(MPa)
断裂强度RF(MPa)
28.27
69.53
63.79
263.9
313.8
476.5
347.1

表5 铝合金试样常温拉伸试验数据表
初始截面积So(mm²)
初始标距
Lo(mm)
断后伸长率A(%)
比例伸长力Fp(kN)
条件屈服力Fp0.2(kN)
最大力Fm(kN)
59.31
50
17.58
19.0
25.7
34.6
断后截面积Su(mm²)
断后标距Lu(mm)
断面收缩率Z(%)
比例强度Rp(MPa)
条件屈服强度Fp0.2(MPa)
抗拉强度Rm(MPa)
49.76
58.79
16.10
320.3
433.3
583.4

实验分析：
本实验是金属材料的静拉伸实验，分别对铝合金和20#钢进行了拉伸实验。通过测绘试样的载荷-位移曲线，得到20#钢的屈服强度Rel与抗拉强度Rm和铝合金的条件屈服强度Rp与抗拉强度Rm，及其二者的塑性指标——断后延伸率A和断面收缩率Z。而且通过对拉伸断口的分析，初步对材料的断裂类型有了一定的认识和了解。
本实验的拉伸设备是CSS-88100电子万能试验机，它具有很多的特性：高性能的负荷机架，先进的机械传动机构，适用于金属、非金属、复合材料的拉伸、压缩、弯曲试验。可对试验数据实时采集、运算处理、实时显示并打印结果报告。程序具有采集数据、绘制曲线、曲线局部放大或缩小、曲线单显或多条曲线叠加对比、打印预览及人工有效修订数据等功能。
本实验的误差来源主要有：
（1） 仪器误差：试验机的固有误差以及测量工具的误差；
（2） 人为误差：游标卡尺读数误差，标距误差，作图误差；
（3） 计算误差：有效数字保留误差。
实验思考题：
1. 提高金属材料的屈服强度有哪些方法？使用已学过的专业知识就每种方法各举一个例子。
答：提高金属的方法有：
（1） 固溶强化：材料表面进行渗碳、渗氮等提高材料的屈服强度。
（2） 形变强化：汽车外壳采用冲压技术提高强度。
（3） 沉淀强化和弥散强化：粉末冶金。
（4） 晶粒细化：材料的高温退火处理，减小晶粒，提高强度。
2. 为什么材料的塑性要以延伸率和断面收缩率这两个指标来衡量？他们在工程上有什么实际意义？
答：为了确定材料的塑性变形能力以及量化比较其塑性变形能力，而且保证塑性的度量标准真正反映材料本身的塑性好坏，而不受试样的长度和几何形状的影响，故采用延伸率和断面收缩率这两个指标来衡量。断后延伸率越大，断面收缩率越大，材料的塑性就越好，反之相反。而且实验表明：断面收缩率和材料的缺口敏感度有一定的关系，断面收缩率较低时，材料就对缺口比较敏感。

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