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试验一 拉伸实验

拉伸试验是测定材料在静载荷作用下力学性能的一个最基本最重要的试验。通过拉伸试验所得的力学性能指标，在整个材料力学的强度计算中几乎都要用到。更重要的是，工程设计中所选用的材料力学性能指标大都是以拉伸试验为主要依据的。本次试验将选用低碳钢作为塑性材料的代表，做拉伸试验。
一、实验目的
1）测定低碳钢的屈服强度，抗拉强度。断后伸长率δ和断面收缩率ψ
2）观察低碳钢在拉伸过程中所出现的各种变形现象（包括屈服、强化和缩颈等），分析力与变形之间的关系，并绘制拉伸图。
3）分析低碳钢力学性能的特点和试件断口情况，分析其破坏原因。
4）学习、掌握万能试验机的使用方法及其工作原理。

二、实验设备
（1）试件：材料的力学性能是通过拉伸试验来确定的，因此，必须把所测试的材料加工成能被拉伸的试件。试验表明，试件的尺寸和形状对试验结果有影响。为了避免这种影响和便于使各种材料力学性能的测试结果进行比较，国家标准对试件的尺寸和形状作了统一的规定，拉力试件分为比例的和非比例的两种。比例试件应符合如下的关系：
L0＝K·A0 （1-1）
式中 L0――标距，用于测量拉伸变形，单位为ｍｍ；
A0――标距部分试件的断面积；
K――系数，K ＝5.56或K ＝11.3，前者称为短试件，后者称为长试件。
据此，直径为d0的短、长圆形试件的标距长度L0分别为5d0和10d0；非比例试件的标距与其横截面间则无上述关系，而是根据制品（薄板、薄带、细管、细丝、型材等）的尺寸和材料的性质规定出平行长度L和标距长度L0。长试件见图1-1。试件两端较粗的部分为装入试验机夹头中的夹持部分，起传递拉力之用。它的形状及尺寸可根据试验的夹头形式而定。本实验采用非比例试件。

图1-1 圆形拉伸试件
（2）实验装置：万能试验机或拉力试验机。试验机的夹头有各种形式，一般采用夹板式，如图1-2。图形截面试件所用的夹板如图1-3所示。楔形夹板表面制成凸纹，因而承受拉力作用后的试件会越来越紧。有的试验机采用螺纹夹头，则试件夹持部分相应也为螺纹。试验时，利用试验机的自动绘图器可绘出低碳钢的拉伸图。

图1-2 夹板式夹头 图 1-3用于圆形截面试件的夹板
（3）游标卡尺。

三、实验原理
（1）低碳钢拉伸的实验原理：低碳钢的拉伸图全面而具体的反映了整个变形过程。观察自动绘图机绘出的拉伸图，如图1-4。在试验之初，绘出的拉伸图是一段曲线，如图中

图1-4 低碳钢拉伸图

虚线所示，这是因为试件开始变形之前机器的机件之间和试件与夹具之间留有空隙，所以当试验刚刚开始时，在拉伸图上首先产生虚线所示的线段，继而逐步夹紧，最后只留下试件的变形。为了消除在拉伸图起点处发生的曲线段。须将图形的直线段延长至横坐标所得相交点O，即为拉伸图之原点。随着载荷的增加，图形沿倾斜的直线上升，到达A点及B点。过B点后，低碳钢进入屈服阶段（锯齿形的BC段），B点为上屈服点，即屈服阶段中力首次下降前的最大载荷，用Psu来表示。对有明显屈服现象的金属材料，一般只需测试下屈服点，即应测定屈服阶段中不计初始瞬时效应时的最小载荷，用Psl来表示。下屈服点的测定，并不是一件容易的事。因为在屈服阶段中，当指针无规则上、下波动时，要准确捕捉屈服载荷的读数确实有一定的难度。对试件连续加载直至拉断，由测力度盘或拉伸图上读出最大载荷Pb。将试件拉断后的两段在拉断处紧密对接起来，尽量使其轴线位于一条直线上。如拉断处形成缝隙，则此缝隙应计入该试件拉断后的标距内。由此可量得试件标距部分拉断后的长度L1。

四、实验步骤
1）试件准备与尺寸测量，用划线机划上试件的标距，并将其分成10格，以便观察标距范围内沿轴向的变形情况。用游标卡尺测量试件标距部分的直径。在标距范围的中间及两端处，每处两个互相垂直的方向上各测量一次，取其平均值为该处直径。用所测得的三个平均值中的最小的值计算试件的横截面面积A0。计算A0时取三位有效数字。
2）调整测力指针指零。
①选择测力度盘。根据低碳钢的强度极限σb和横截面面积A0估算试件最大载荷。根据最大载荷，选择合适的测力度盘，配置好摆杆重锤，将缓冲器放在合适的位置。
②开机进油，使活动平台上升10mm左右。
③摆锤对中，使重摆垂直。
④调整测力指针对准零点，使测力指针与随动指针重合。
3）装夹试件，先把试件夹持在试验机上夹头内，再将下夹头移动到试件所需的夹持位置，并把试件下端夹紧。
4）准备好自动绘图器，使笔与记录纸刚好接触。
5）进行实验
①开始试验机，缓慢匀速加载。
②根据所提供的屈服类型确定Psu、Psl或Ps。
③冷拉试验。在强化阶段任一处（例如图1-6中的a点）将载荷卸至初载，再重新加载，从自动绘图器上曲线的变化规律（图1-6）可以看到，冷拉过的材料曲线上的转折点a高于未冷拉过的材料曲线的转折点B，说明材料经过冷拉以后弹性极限提高了。

图1-6 冷作硬化现象

④观察颈缩现象。当测力指针再次出现停滞不前、倒退现象时，可以观察到试件产生局部变形的颈缩现象。随之，测力指针迅速倒退，试件很快断裂。
⑤确定Pb。试件断裂后，关闭机器电门；记录随动指针所指的刻度值，此即为强度极限载荷Pb。
⑥取下试件，将拉断的试件在断口处尽量对拢，量测拉断后的标距长度L1和断口直径d1。

5.注意事项
1）开机前和停机后，送油阀一定要置于关闭位置。加载、卸载和回油均须缓慢进行。
2）拉伸试件夹住后，不得再调整下夹头的位置。
3）机器开动时，操纵者不得擅自离开。实验过程中不得触动摆锤。
4）使用时，听见异声或发生任何故障应立即停止。
5）调整测力指针指零时，一定要开机进油，使活动平台上升少许。
6）试件装夹必须正确，防止偏斜和夹入部分过短的现象。读测力度盘显示值时，测力指针所指的刻度值必须与所挂摆锤相对应。

6.实验结果处理
（1）强度指标：

下屈服极限： （1-3）

强度极限： （1-4）

（2）塑性指标：
　　　　　　伸长率： （1-5）

　　　　　　断面收缩率： （1-6）

第一节 金属拉伸试验
    一 、实验目的
    1.观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中的各种现象（包括屈服，强化和颈缩等现象），特别是外力和变形间的关系，并绘制拉伸图。
    2.测定低碳钢的屈服极限，强度极限，延伸率和截面收缩率。

    3.测定铸铁的强度极限。
    4.观察断口，比较低碳钢和铸铁两种材料的拉伸性能和破坏特点。
    二 、实验设备和仪器
    1.万能材料实验机
    2.游标卡尺
    三 、实验原理
    为了便于比较实验结果，按国家标准 GB228—76中的有关规定,实验材料要按上述标准做成比例试件,即
    圆形截面试件    l0 =10d0       (长试件)
                   l0  =5 d0       (短试件)
    矩形截面试件  l0 =11.3   (长试件)
                  l0 =5.65   (短试件)
    式中: l0 --试件的初始计算长度(即试件的标距);
    --试件的初始截面面积;
    d0 --试件在标距内的初始直径
    实验室里使用的金属拉伸试件通常制成标准圆形截面试件,如图3—1所示

    金属拉伸实验是测定金属材料力学性能的一个最基本的实验，是了解材料力学性能最全面，最方便的实验。本试验主要是测定低碳钢和铸铁在轴向静载拉伸过程中的力学性能。在试验过程中，利用实验机的自动绘图装置可绘出低碳钢的拉伸图（如图3—2，a所示）和铸铁的拉伸图（如图3—2，b所示）。由于试件在开始受力时，其两端的夹紧部分在试验机的夹头内有一定的滑动故绘出的拉伸图最初一段是曲线。

  图3-2试件拉伸图
    对于低碳钢，在确定屈服载荷时，必须注意观察试件屈服时测力度盘上主动针的转动情况，国际规定主动针停止转动时的恒定载荷或第一次回转的最小载荷值为屈服载荷，故材料的屈服极限为 
    试件拉伸达到最大载荷之前，在标距范围内的变形是均匀的。从最大载荷开始，试件产生颈缩，截面迅速变细，载荷也随之减小。因此，测测力度盘上主动针开始回转，而从动针则停留在最大载荷的刻度上，给我们指示出最大载荷，则材料的强度极限为
    试件断列后，将试件的断口对齐，测量出断裂后的标距l1和断口处的直径d1 ，则材料的延伸率和截面收缩率分别为:
    式中，l0 , A0分别为试验前的标距和横截面面积； l1 , A1分别为试验后的标距和断口处的横截面面积。
    如果断口不在试件距中部的三分之一区段内，则应按国家标准规定采用断口移中法来计算试件拉断后的标距l1 。其具体方法是：试验前先在试件的标距内，用刻线器刻划等间距的标点或圆周11个，即将标距长度分为10等份。试验后将拉断的试件断口对齐，如图3—3所示，以断口O为起点，在长段上取基本等于短段的格数得B点．当长段所余格数为偶数时，如图３―３（a）所示，则取所余格数的一半得C点，于是l1＝AB+2BC
    若长段所余格数为奇数时，如图３－３（b）所示，可在长段上取所余格数减１之半得C点，再取所余格数加１之半得C1点，于是l1＝AB＋BC＋BC1

   当断口非常接近试件两端部，而与其端部的距离等于或小于直径的两倍时，需重作试验．
    四、试验方法和步骤
    1.试件准备
    先用游标卡尺测量试件中间等直杆两端及中间这三个横截面处的直径：在每一横截面内沿互相垂直方向各测量一次并取平均值。用所测得的三个平均值中最小的值作为试件的初始直径d0，并按d0计算试件的初始横截面面积A0。
    再根据试件的初始直径d0 计算试件的标距l0，并用游标卡尺在试件中部等直杆段内量取试件标距l0，用刻线器将标距长度分为十等份。
    2.试验机准备
    熟悉万能试验机的操作规程，估计拉伸试验所需的最大载荷，并根据值选定试验机的测力度盘（值在测力度盘40% ~ 80%范围内较宜）。调整测力指针对准零点，并使从动针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。
    3.试件安装
    先将试件安装在试验机的夹头内，再移动下夹头到适当位置，并把试件下端夹紧。
    4.检查及试机
    请教师检查以上准备情况。经教师许可后开动试验机，加少量载荷（勿使应力超过比例极限），检查试验机和绘图装置工作是否正常，然后卸载。
    5.进行试验
    开动试验机以慢速均匀加载，注意观察测力指针的转动、自动绘图情况及试件在拉伸过程中的各种现象。
    当测力指针不动或倒退时，说明材料开始屈服，测力指针停止转动时的恒定值或第一次回转的最小值即屈服载荷。当测力指针和从动指针再次分离时，试件开始颈缩，直至最后被拉断。测力指针回到零点，而从动指针则指示出最大载荷  。
    关闭试验机，取下试件。将断裂的试件对齐并尽量靠紧，用游标卡尺测量断裂后标距段的长度l1及断口处直径d1。
    6.结束试验
    从试验机上取下已绘好的拉伸曲线图纸，并请教师检查试验记录。
    清理试验现场，将试验机及有关工具复原。
    7.注意事项
   （1）参看液压式万能材料试验机的注意事项。
   （2）试件安装必须正确，防止试件偏斜`夹入部分过短等现象。
   （3）试验时听见异常声音或发生任何故障，应立即停车，并马上报告试验指导教师。
    五、试验结果处理
    整理试验数据，按要求填写试验报告并写出结论。
    铸铁拉伸试验步骤与低碳钢拉伸试验步骤相同，只记录最大载荷并绘出拉伸曲线。

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