低碳钢、铸铁的拉伸试验.doc

工程力学实验报告

实验名称：
试验班级：
实验组号：
试验成员：
实验日期：

一、试验目的
1、测定低碳钢的屈服点，强度极限，延伸率，断面收缩率。
2、测定铸铁的强度极限。
3、观察低碳钢拉伸过程中的各种现象（如屈服、强化、颈缩等），并绘制拉伸曲线。
4、熟悉试验机和其它有关仪器的使用。
二、实验设备
1．液压式万能实验机；
2．游标卡尺
三、设备简介
万能试验机简介
具有拉伸、压缩、弯曲及其剪切等各种静力实验功能的试验机称为万能材料试验机，万能材料试验机一般都由两个基本部分组成；
1、加载部分：利用一定的动力和传动装置强迫试件发生变形，从而使试件受到力的作用，即对试件加载。
2、 测控部分：指示试件所受载荷大小及变形情况。
四、实验原理
低碳钢和铸铁是工程上最广泛使用的材料，同时，低碳钢试样在拉伸试验中所表现出的变形与抗力间的关系也比较典型。低碳钢的整个试验过程中工作段的伸长量与荷载的关系由拉伸图表示。做实验时，可利用万能材料试验机的自动绘图装置绘出低碳钢试样的拉伸图即下图中拉力F与伸长量△L的关系曲线。需要说明的是途中起始阶段呈曲线是由于试样头部在试验机夹具内有轻微滑动及试验机各部分存在间隙造成的。大致可分为四个阶段：

（1）弹性阶段（Ob段）
在拉伸的初始阶段，σ-ε曲线（oa段）为一直线，说明应力与应变成正比，即满足胡克定理，此阶段称为线形阶段。线性段的最高点则称为材料的比例极限（σp），线性段的直线斜率即为材料的弹性摸量E。
线性阶段后，σ-ε曲线不为直线（ab段），应力应变不再成正比，但若在整个弹性阶段卸载，应力应变曲线会沿原曲线返回，载荷卸到零时，变形也完全消失。卸载后变形能完全消失的应力最大点称为材料的弹性极限（σe），一般对于钢等许多材料，其弹性极限与比例极限非常接近。
（2）屈服阶段（bc段）
超过弹性阶段后，应力几乎不变，只是在某一微小范围内上下波动，而应变却急剧增长，这种现象成为屈服。使材料发生屈服的应力称为屈服应力或屈服极限（σs）。
当材料屈服时，如果用砂纸将试件表面打磨，会发现试件表面呈现出与轴线成45°斜纹。这是由于试件的45°斜截面上作用有最大切应力，这些斜纹是由于材料沿最大切应力作用面产生滑移所造成的，故称为滑移线。
（3）强化阶段（ce段）
经过屈服阶段后，应力应变曲线呈现曲线上升趋势，这说明材料的抗变形能力又增强了，这种现象称为应变硬化。
若在此阶段卸载，则卸载过程的应力应变曲线为一条斜线（如d-d＇斜线），其斜率与比例阶段的直线段斜率大致相等。当载荷卸载到零时，变形并未完全消失，应力减小至零时残留的应变称为塑性应变或残余应变，相应地应力减小至零时消失的应变称为弹性应变。卸载完之后，立即再加载，则加载时的应力应变关系基本上沿卸载时的直线变化。因此，如果将卸载后已有塑性变形的试样重新进行拉伸实验，其比例极限或弹性极限将得到提高，这一现象称为冷作硬化。
在硬化阶段应力应变曲线存在一个最高点，该最高点对应的应力称为材料的强度极限（σb），强度极限所对应的载荷为试件所能承受的最大载荷Fb。
（4）局部变形阶段（ef段）
试样拉伸达到强度极限σb之前，在标距范围内的变形是均匀的。当应力增大至强度极限σb之后，试样出现局部显著收缩，这一现象称为颈缩。颈缩出现后，使试件继续变形所需载荷减小，故应力应变曲线呈现下降趋势，直至最后在f点断裂。试样的断裂位置处于颈缩处，断口形状呈杯状，这说明引起试样破坏的原因不仅有拉应力还有切应力。
（5）伸长率和断面收缩率
试样拉断后，由于保留了塑性变形，标距由原来的L0变为L1。用百分比表示的比值 A=（L1- L0）/ L0*100%
称为伸长率。试样的塑性变形越大，δ也越大。因此，伸长率是衡量材料塑性的指标。
原始横截面面积为A0的试样，拉断后缩颈处的最小横截面面积变为A1，用百分比表示的 比值 Z=（A0-A1）/A0*100%
称为断面收缩率。Z也是衡量材料塑性的指标。
所以，低碳钢拉伸破坏变形很大，断口缩颈后，端口有45度茬口，由于该方向上存在最大剪应力τ造成的，属于剪切破坏力
五、实验内容及数据处理
1、实验前测低碳钢和铸铁的直径和
分三段测低碳钢和铸铁的直径d0、标距L0以及截面积A0。
材料
直径d0/mm
标距L0/mm
截面积A0/mm2
I
II
III
平均值/mm
1
2
1
2
1
2
低碳钢
10.00
9.90
10.00
10.10
9.70
9.90
9.80
98.00
75.39
铸铁
10.10
9.70
10.30
10.00
9.90
10.00
9.90
99.00
76.94
2、进行低碳钢拉伸试验
（1）将低碳钢按要求放于万能试验机上，并一步一步按照实验要求进行试验。试验完成后将拉伸曲线打印出来。

（2）记录试验后低碳钢式样的断口直径d1、断裂后的标距长度L1、断口处横截面积A1以及断面形状。
断口直径d1/mm
断裂后的标距长度L1/mm
断口处横截面积A1/ mm2
1
2
平均值
5.00
5.00
5.00
125
19.63
断面形状如下图：

(3)计算应力值(强度)、伸长率A及收缩率Z并填写下表。
最大力FM/KN
抗拉强度б/MP
上屈服应力FS1/KN
上屈服强度бS1/ MP
下屈服应力FS2/KN
下屈服强度
бS2/ MP
断后伸长率A/%
断面收缩率Z/%
36.75
487.47
25.75
41.56
23.00
305.08
27.55%
73.96%

抗拉强度б б= FM/A0 = 36.75*103/75.39 = 487.47 MP
上屈服强度бS1 бS1= FS1/A0 =25.75*103/75.39 = 341.56 MP
下屈服强度бS2 бS1= FS2/A0 =23.00*103/75.39 = 305.08 MP
断后伸长率A A = (L1- L0)/ L0 *100% =(125-98)/98*100% = 27.55%
断面收缩率Z Z = (A0- A1)/ A0*100% =(75.39-19.63)/75.39*100% =73.96%

3、进行铸铁拉伸试验
（1）将低碳钢按要求放于万能试验机上，并一步一步按照实验要求进行试验。试验完成后将拉伸曲线打印出来。

（2）铸铁断后观察断面形状。

(3)计算应力值(强度)并填写下表。
最大力FM/KN
抗拉强度б/MP
17.96
233.43

抗拉强度б б=б= FM/A0 =17.96*103/76.94 = 233.43 MP

六、思考题
1． 根据实验时发生的现象和实验结果比较低碳钢和铸铁的机械性能有什么不同?
答：低碳钢是典型的塑性材料，拉伸时会发生屈服，会产生很大的塑性变形，断裂前有明显的颈缩现象，拉断后断口呈凸凹状，而铸铁拉伸时没有屈服现象，变形也不明显，拉断后断口基本沿横截面，较粗糙。
2． 低碳钢试样在最大载荷D点不断裂，在载荷下降至E点时反而断裂，为什么？
答：低碳钢在载荷下降至E点时反而断裂，是因为此时实际受载截面已经大大减小，实际应力达到材料所能承受的极限，在最大载荷D点实际应力比E点时小。