《工程力学》实验指导书

《工程力学》实验指导书上海海洋大学金属材料拉伸实验一、实验目的1．测定低碳钢（如Q235钢这种典型塑性材料）的下列力学性能指标：下屈服强度Rec（或称屈服极限、屈服点σs）、抗拉强度Rm（或强度极限σb）、断后伸长率A和断面收缩率z。2．测定铸铁（典型脆性材料）的抗拉强度Rm（或强度极限σb）。3．观察塑性与脆性两种材料在拉伸过程中的各种现象。4．比较并分析低碳钢和铸铁的力学性能特点与断口破坏特征。二、实验仪器和设备1．万能材料试验机，拉力试验机，电子式拉力试验机。2．电子引伸计。3．游标卡尺。4．试样划线器。三、实验试样大量实验表明，实验时所用试样的形状、尺寸、取样位置和方向、表面粗糙度等因素，对其性能测试结果都有一定影响。为了使金属材料拉伸实验的结果具有符合性与可比性，国家制订有统一标准。本实验按照GB/T228-2002eqvISO6892—1998《金属材料室温拉伸试验方法》第六章试样的要求制备试样。拉伸试样系由夹持、过渡和平行三部分构成。试样两端较粗段为夹持部分，其形状和尺寸可依实验室现有使用试验机夹头情况而定；试样两夹持段之间的均匀部分为实验测试的平行部分；而夹持与平行二部分之间为过渡部分，通常用圆弧进行光滑连接，以减少应力集中。拉伸试验可分为机加工试样和不经机加工的原状全截面试样。通常采用机加工的圆形截面试样如图1（a）所示，亦可采用矩形截面试样如图1（b）所示。图中Lc为试样平行段长度，L0为试样原始标距（或称测量伸长变形的工作长度），d为圆形试样平行部分的原始直径，a为矩形试样平行部分的原始厚度，b为矩形试样平行部分的原始宽度，S0为试样平行部分原始横截面面积，r为过渡弧半径。拉伸试样分为比例和非比例标距两种。比例试样系按公式00SKL计算确定的试样，式中系数K通常为5.65或11.3，前者称为短试样，后者称为长试样。短试样的标距0065.5SL或L0=5d，长试样的标距为003.11SL或L0=10d，一般都采用短比例标距试样。对非比例标距试样的原始标距L0与原始横截面面积S0之间无上述公式表达的比例关系，可根据GB-T2975—1998和ISO377—1997《钢及钢产品力学性能试验取样位置和试样制备》的要求或金属产品供需双方商订的协议要求来确定。这里摘录国标中有关拉伸比例试样的尺寸参数和加工尺寸允许偏差分别列入表1、表2、表3中，供读者参考。图1拉伸试样图表1比例试样试样原始标距L0/mm原始横截面积S0/mm2圆形试样原始直径d/mm断后伸长率%圆形截面长10078.5410A10.3短50A5.65矩形截面或其他长11.30s任意A11.3短5.650sA5.65表2圆形截面比例试样尺寸（单位：mm）一般尺寸短试样长试样drminL0LcL0Lc2055dL0+d10dL0+d15410463表3试样尺寸允许偏差（单位：mm）圆形截面试样直径d标距部分内允许偏差矩形试样宽度标距部分内允许偏差d最大与最小直径bb最大与最小宽度5～10±0.10.0210～15±0.20.110±0.20.0520～30±0.50.2本实验采用圆形截面短比例试样，即L0=5d；亦可采用圆形截面长比例试样，即L0=10d。四、实验原理根据GB-T228—2002和ISO6892—1998《金属材料室温拉伸试验方法》的基本要求，分别简要叙述如下：Ⅰ低碳钢（Q235钢）拉伸实验原理做拉伸实验时，利用万能材料试验机的自动绘图装置及拉伸过程各特征点的示力度盘读数或电子拉力试验机的X—Y函数记录仪，可测绘出低碳钢试样的拉伸图，即图2所示的拉力F与伸长Lu—L0之间关系曲线。图中起始阶段呈曲线，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等原因造成的。分析时可将其忽略直接把图中的直线段延长与横坐标相交于O点，作为其坐标原点。拉伸图形象地描绘出钢材的受力变形特征以及各阶段受力与变形之间的关系，但同一种钢材的拉伸曲线会因试样尺寸不同而异。为了使同一种钢材不同尺寸试样的拉伸过程及其特性点便于比较，以消除试样几何尺寸的影响，可将拉伸曲线图的纵坐标（拉力F）除以试样的原始横截面面积S0，并将横坐标（伸长ΔL）除以试样的原始标距L0，这样得到的曲线便与试样尺寸无关，此曲线称为应力—应变曲线如图1-3所示。从曲线上可以看出，它与拉伸图曲线相似，更清晰表征了钢材的力学性能。拉伸实验过程分为四个阶段如图2和图3所示。图2低碳钢试样拉伸图图3低碳钢应力延伸率图（1）弹性阶段OA：在此阶段中的OP段，其拉力F和伸长ΔL成正比关系，表明钢材的应力R与延伸率（或称应变）为线性关系，完全遵循虎克定律，则OP段称为线弹性阶段。故点P对应的应力RF称为材料的比例极限，如图3所示。在此弹性阶段内可以测定材料的弹性模量E，它是材料的弹性性质优劣的重要特征之一。实验时如果当应力继续增加达到A点所对应的应力Re时，则应力与应变之间的关系不再是线性关系，Fp—比例伸长力；Fr—弹性伸长力；FeH—上屈服力；FeL—下屈服力；Fm—最大力；Fk—断裂力；△Lk—断裂后塑性伸长；△Lc—弹性伸长Rp—比例极限Re—弹性极限；ReH—上屈服强度；ReL—下屈服强度；Rm—抗拉强度；Rk—断裂应力；A—断裂后伸长；Ae—弹性延伸率但变形仍然是弹性的，即卸除拉力后变形完全消失，这呈现出非线性弹性性质。故A点对应的应力Re称为材料的弹性极限，把PA段称为非线性弹性阶段。工程上对材料的弹性极限（非线性阶段）和比例极限（线弹性阶段）并不严格区分，而是把拉力卸掉后，用精密仪器测定其不能恢复的塑性应变约为0.02%所对应的应力值界定为规定非比例伸长应力（或称条件弹性极限）Re0.02，它是控制钢材在弹性变形范围内工作的有效指标，在工程上很有实用价值。（2）屈服阶段AS′：当应力超过弹性极限继续增加达到锯齿状曲线SS′时，示力度盘上的指针暂停转动或开始稍微回转并往复运动，这时在试样表面上可看到表征金属晶体滑移的迹线，大约与试样轴线成45°方向的螺旋线。这种现象表征试样在承受的拉力不继续增加或稍微减小的情况下却继续伸长达到塑性变形发生，这种现象称为试样材料的屈服，其相对应的应力称为屈服应力（或屈服强度）。示力度盘的指针首次回转前的最高应力ReH称为上屈服强度，在屈服阶段不计初始瞬时效应时的最低应力ReL称为下屈服强度。由于上屈服强度受试验速率、试样变形速率和试样形式等因素的影响不够稳定，而下屈服强度则比较稳定，故工程中一般要求准确测定下屈服强度ReL作为材料的屈服极限σs。其计算公式为ReL(σs)=FeL/S0。如果材料没有明显的屈服现象时，工程上常用产生规定残余延伸率为0.2%时的应力Rr0.2作为规定残余延伸强度，又称条件屈服极限σr0.2。屈服强度（或屈服极限）是衡量材料强度性能优劣的一个重要指标。本实验要求准确测定其屈服强度。（3）强化阶段S′B：当过了屈服阶段后，试样材料因发生明显塑性变形，其内部晶体组织结构重新得到了排列调整，其抵抗变形的能力有所增强，随着拉力的增加，伸长变形也随之增加，故拉伸曲线继续上凸升高形成S′B曲线段，称为试样材料的强化阶段。在该阶段中试样随着塑性变形量累积增大，促使材料的力学性能也发生变化，即材料的塑性变形性能劣化，材料抵抗变形能力提高，这种特征称为形变强化或冷作硬化。当拉力增加达到拉伸曲线顶点B时，示力度盘上的主动针开始返回，而被动针所指的最大拉力为Fm，依它求得材料抗拉强度Rm=Fm/S0，它也是衡量材料强度性能优劣的又一重要指标。本实验也要准确测定其抗拉强度。（4）颈缩和断裂阶段BK：对于低碳钢类塑性材料来说，在承受拉力达Fm以前，试样发生的变形在各处基本上是均匀的。但在达到Fm以后，则变形主要集中于试样的某一局部区域，在该区域处横截面面积急剧缩小，这种特征就是所谓颈缩现象。试验中试样一旦出现“颈缩”，此时拉力随即下降，示力度盘上的主动针继续回转，直至试样被拉断，则拉伸曲线由顶点B急剧下降至断裂点K，故称曲线BK阶段为颈缩和断裂阶段。试样拉断后，弹性变形消失，而塑性变形则保留在拉断的试样上，其断口形貌成杯锥状如图4所示。利用试样原始标距内的残余变形来计算材料的断后伸长率A和断面收缩率Z，其计算公式为：断后伸长率%10000LLLAu；断面收缩率%10000SSSZu。式中L0为原始标距长度，S0为原始横截面面积，Lu为试样断裂后标距长度，Su为试样断裂后颈缩处最小横截面面积。Ⅱ铸铁拉伸实验原理对铸铁试样做拉伸实验时，利用试验机的自动绘图装置可绘出铸铁试样的拉伸图，如图5所示。实验表明，在整个拉伸过程中试样变形很小，无屈服和颈缩现象，拉伸图上无明显直线段，拉伸曲线很快达到最大拉力Fm，试样突然发生断裂，其断口平齐粗糙，是一种典型的脆性破坏断口如图6所示。其抗拉强度（或强度极限）Rm=Fm/S0，它远小于低碳钢材料的抗拉强度。五、实验步骤1．根据试样的形状、尺寸和预估材料的抗拉强度来估算最大拉力，并使此力位于试验机示力度盘量程的40%～80%内，以选择合适的示力度盘和相应的摆锤。然后选用与试样头部相适应的夹具，以使试样安装在试验机上时夹持牢固。2．用细砂纸打磨低碳钢试样表面，使之光亮洁净。在试样的原始标距长度L0范围内，用试样划线器细划等分10个分格线，标距端点可做上颜色标记，对原始标距的标记应准确到±1%，以便观察标距范围内沿轴向变形和晶体滑移迹线的情况，也便于试样图4低碳钢试样断口图5铸铁试样拉伸图图6铸铁试样断口断裂后测定断后伸长率。3．根据GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》中第7章的规定，测定试样原始横截面面积。本次实验采用圆形截面试样，应在标距的两端及中间处的两个相互垂直的方向上各测一次横截面直径d，取其算术平均值，选用三处中平均直径最小值，并以此值计算横截面面积S0，其S0=πd2/4。该计算值修约到四位有效数字（π取五位有效数字）。4．安装试样，可快速调节试验机的夹头位置，将试样先夹持在上夹头中，再把测力指针调零，随动指针靠上；再升起下夹头，将试样夹牢并使之铅直；并将试验机上自动绘图装置及绘图纸调整好，使试样处于完好待实验状态。经指导教师检查后即可开始实验。5．在加载实验过程中，总的要求应是缓慢、均匀、连续地进行加载。对低碳钢试样，测定下屈服强度ReL，在试样平行长度的屈服期间其应变速率应在0.00025/S～0.0025/S之间，试验中平行长度内的应变速率应尽可能保持恒定；测定抗拉强度Rm时，试样平行长度的应变速率不应超过0.008/S。在上述规定的应变速率的范围内选择确定一适宜的试验速率。对于铸铁试样，测定抗拉强度Rm时，试样平行长度的应力速率不应超过6N/mm2·S-1。6．在实验中，对低碳钢试样，要注意观察拉伸过程四个特征阶段中的各种现象，记下示力度盘上指针首次停止时的上屈服点力FeH值、主动针往复回转所指示下屈服点力FeL值和最大力Fm值。对于铸铁试样，记下示力度盘上最大力Fm值。当试样被拉断后立即停机，并取下试样观测。7．对于拉断后的低碳钢试样，要分别量测断裂后的标距Lu和颈缩处的最小直径du。按照GB/T228—2002中的规定测定Lu时，将试样断裂后的两段在断口处紧密地对接起来，尽量使其轴线位于一条直线上，直接测量原始标距两端的距离即得Lu值。如果断口处到最邻近标距端点的距离小于或等于（1/3）L0时，则需要用GB/T228—2002中附录F《移位方法测定断后伸长率》的方法来计算试样断后伸长率。如图7所示，试验前将试样原始标距L0细分为N（例如10）等分，在试验后，以符号X表示断裂后试样短段的标距标记，以符号Y表示断裂试样长段的等分标记，此标记与断裂处的距离最接近于断裂处至标距标记X的距离。如X与Y之间的分格数为n，可按下述情况分别测定断后伸长率：图7移位方法的图示说明（1）若N-n为偶数时如图7a所示，测量X与Y之间的距离和测量从Y至距离为21（N－n）个分格的Z标记之间的距离，则计算断裂伸长率公式为%100200LLYZXYA（2）若N-n为