§1.3低碳钢拉伸时力学性能的测定一、实验目的和要求1、了解万能试验机的构造原理,掌握其操作规程和方法。2、观察试件拉伸过程中表现的变形规律和破坏现象。3、熟悉球铰引伸仪的正确使用方法。4、观察比例极限内力与变形间的线性关系,验证虎克定律。5、测定低碳钢的强度特征(屈服极限бs和强度极限бb),塑性特征(延伸率δ和截面收缩率ψ),绘制б—ε曲线。二、实验内容和原理常温下的拉伸实验是测定材料力学性能的基本实验,可用以测定弹性常数E和μ,比例极限бp,屈服极限бs,抗拉强度бb,断后伸长率δ和断面收缩率ψ等。这些力学性能都是工程设计的重要依据.1.验证虎克定律弹性模量是应力低于比例极限时应力与应变的比值。lAPlE00为验证荷载与变形的关系是否符合虎克定律,减少测量误差,实验一般用等增量法加载,即把荷载分成若干相等的加载等级ΔP,然后逐级加载。为保证应力不超出比例极限,加载前先估算出式样的屈服载荷,以屈服载荷的70%~80%作为测定弹性模量的最高载荷Pn。此外,为使实验机夹紧式样,消除引伸仪和实验机机构的间隙,以及开始阶段引伸仪刀刃在式样上的可能滑动,对式样应施加一个初载荷P0,P0可取为Pn的10%。从P0到Pn将载荷分成n级,且n不小于5,于是nPPPn0n5例如,若低碳钢的屈服极限бs=235Mpa,试样直径d0=10mm,则)取KNNdPsn15(14800%804120KNPPn5.1%100实验时,从P0到Pn逐级加载,载荷的每级增量为ΔP。对应着每个载荷Pi(I=1,2,···,n),记录下相应的伸长Δli,Δli+1与Δli的差值即为变形增量δ(Δl)i。它是ΔP引起的伸长增量。在逐级加载中,若得到的各级δ(Δl)I基本相等,就表明Δl与P成线形关系,符合虎克定律。2.屈服极限бs及抗拉强度бb的测定测定E后重新加载,当到达屈服阶段时,低弹钢的P—Δl曲线呈锯齿形,与最高荷载Psu对应的应力称为上屈服点,它受变形速度和试样形状的影响,一般不作为强度指标。同样,载荷首次下降的最低点(初始瞬时效应)也不作为强度指标。一般将初始瞬时效应以后的最低载荷Psl,除以试样的初始横截面面积A0,作为屈服极限бs。若实验机由示力度盘和指针指示载荷,则在进入屈服阶段后,示力指针停止前进,并开始倒退,这时应注意指针的波动情况,捕捉指针所指的最低载荷Psl。屈服阶段过后,进入强化阶段,试样又恢复了抵抗继续变形的能力。载荷到达最大值Pb时,试样某一局部的截面明显缩小,出现了紧缩现象.这时示力度盘从动针停留在Pb不动,主动针则迅速倒退,表明载荷迅速下降,试样即将被拉断,以试样的初始横截面面积A0除Pb得抗拉强度бb。3.断后延伸率δ及端面收缩Ψ的测定试样的标距原长为l0,拉断后将两段试样紧密地接在一起,量出拉断后的标距为l1,断后延伸率为式中:0l—实验前的标距,1l—实验后的标距。断口附近塑性变形最大,所以l1的量取与断口的部位有关。如断口发生于l0的两端或在l0以外,则实验无效,应重作。若断口距l0的一端的距离小于或等于l0/3(图1.6b和c),则按下述断口移中法测定l1。在拉断后的长段上,由断口处取约等于短段的格数得B点,若剩余格数为偶数(图1.6b),取其一半得C点,设AB长为a,BC长为b,则l1=a+2b。当长段剩余格数为奇数时(图1.6c),取剩余格数减1后的一半得C点,加1后的一半得C1点,设AB、BC和BC1的长度分别为a、b1、b2,则l1=a+b1+b2。试样拉断后,设缩紧处的最小横截面面积为A1,由于断口不是规则的圆形,应在两个相互垂直的方向上量取最小截面的直径,以其平均值计算A1,然后按00001/100lll00APAPbbss下式计算端面收缩率:式中:、A0—实验前的截面面积,A1—实验后的断口横截面面积。三、实验所用仪器及材料1.万能实验机2.蝶式引伸仪或球铰引伸仪3.游标卡尺4.低碳钢圆形截面试件实验表明,试件的形状和尺寸对实验结果有显著的影响,为了比较实验结果,应按国家标准GB228—76中有关规定做比例试件,如图1.7所示,图中l0叫做标距(又叫计算长度)。圆形截面标准试件:直径:d0=20mm,标距:l0=200mm(长试件),l0=100mm(短试件)。四、实验方法与步骤00010/100AAA1、试件准备(1)在低碳钢试件的标距长度内(l0=100mm),每隔10mm刻画一圆周线,以便观察变形分布和计算延伸率。(2)在标距中央和两端分别沿互相垂直的两个方向各量一次直径,分别计算这三处直径的平均值,取其中最小值作为试件直径d0,同时测量标距l02、试验机准备(1)根据低碳钢的强度极限(бb=350—450MPa)和试件尺寸,估算试验所需的最大荷载Pb。选择合适的测力度盘并配置相应的摆锤。(2)开动试验机,缓慢打开送油阀,将活动台上升10—20mm消除自重。然后关闭送油阀,停止油泵电机,调整测力指针对准零点,并检查自动描图装置。3、安装试件及引伸仪(1)将试件一端加夹紧在试验机的夹头内(刚好使试件头部全部进入夹头,并要注意夹正),再移动下夹头使其达到适当位置,夹紧试件下端。(2)将引伸仪十分小心的装到试件上(注意:使上下刀口位于试件纵向对称面内),调整指针到零点。为检查机器和引伸仪能否正常工作,须进行预拉,先把载荷预加到测定E的最高载荷Pn,然后卸载到0~P0之间。4、验证虎克定律(1)缓慢加载至初载荷P0,记调整引伸仪为起始零点(或记下初读数)加载按等增量法进行,应保持加载均匀。每增加一个阶段载荷ΔP,记录一次引伸仪读数,分4—5各阶段加载。(2)检查变形增量与载荷增量是否保持正比例关系,加载至终载荷Pn后立即撤下引伸仪。5、测定强度指标(1)、继续缓慢加载,并注意观察测力指针的移动情况,当测力指针倒退时,即表明材料已进入屈服阶段。记下指针后退所指示的最小载荷为屈服载荷PS。(2)、屈服阶段一过,材料进入强化阶段,载荷继续上升。单此时由于变形速度加大,载荷上升明显减慢,故需适当开大送油阀才能维持一定的加载速度。当载荷达到最大值Pb时,试件在某处出现“颈缩”现象,同时测力指针迅速倒退,试件很快发生断裂。关闭送油阀,停机,记下最大载荷Pb6、测量塑性变形取下试件,将断裂试件的两段对齐并尽量靠拢。用游标卡尺测量段裂后标距段的长度l1和断口出直径d1。若断口不在标距中间的1/3区段内,用“断口移中法”测量l1。在断口处沿两相互垂直方向各测一次直径,取其平均值作为d1。