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一、目的:
测定低碳钢的屈服极限强度极限◎,延伸率5和截面收缩率屮;
掌握万能材料试验机的工作原理和使用方法。
3•观察两种材料拉伸过程中的各种现象、拉断后的断口情况,分析二者的力学性能。
二、设备及试样:
万能材料试验机.
游标卡尺
PC机一台
三、拉伸试件
根据不同的材料和要求,对试样的形状、尺寸和加工在国家标准中有规定,
必须遵照执行。在拉伸试验中,试样按试件长度不同可划分为长试样(L=10d)
00和短试样(L=5d)。本次材料拉伸试验采用L=10d(L为标距即工作段长度,
00000
d为直径,d=10mm)圆形截面试样,见图1-1。为确保材料处于单向拉伸状态
00
以衡量它的各种性能,拉伸试样有工作部分、过渡部分和夹持部分。其中工作部分即标距处必须表面光滑,以保证材料表面的单向应力状态;过渡部分必须有适当的台肩和圆角,以降低应力集中,保证该处不会变形或断裂;试样两端的夹持部分是装入试验机夹头中的,起传递拉力的作用。
试验前,需对低碳钢试样打标距,用试样打点机或手工的方法在试样工作段确定L=100mm的标记。由于塑性材料径缩局部及其影响区的塑性变形在断后延
0
伸率中占很大比重,显然同种材料的断后延伸率不仅取决于材质、而且取决于试样的标距。试样越短,局部变形所占比例越大,6也就越大。为便于相互比较,试样的长度应当标准化。
直径
宜径^lOirnn标跆=100etti
图1—1拉伸试样
四、试验原理及方法
常温下的拉伸试验是测定材料力学性能的基本试验。可用以测定弹性常数
E,比例极限◎,屈服极限-(或非比例伸长应力%),强度极限勺,
和截面收缩率屮等。这些指标都是工程设计的主要依据。
弹性模量E的测定
弹性模量是材E=?=工料在比例极限内,应力和应变的比值。即
£AA/
0
可见,在比例极限内,对试样作用拉力P,并量出标矩l0的相应伸长Al,即可求得弹性模量E。
为保证载荷不超过比例极限,加载前可先估算试样的屈服载荷,以屈服载荷
的70%〜80%作为测定弹性模量的最高载荷P,此外,为使试验机夹紧试样,以
n及开始阶段引伸计刀刃在试样上的可能滑动,对试样应施加一个初载荷P。
0
2•屈服极限q及强度极限ob的测定测定E后重新加载,到达屈服阶段时,低碳钢的P—Al曲线呈锯齿形(图4)。与最高载荷对应的应力称为上屈服极限(点B)它受变形速度和试样形状的影响,一般不作为强度指标。一般初始瞬时效应之后的最低载荷P对应的应力作为屈服极限q。因为进入屈服阶
SPs
段时,示力指针停止前进,并开始倒&S=T退,这时应注意指针的波动情
0况,捕捉指针所指的最低载荷P。以试样的初始横截面面积A除
S0
PS,即得屈服极限
屈服阶段过后,进入强化阶段,试样又恢复了承载能力(图4)。载荷到达
最大值Pb时,试样某一局部的截面明显缩小,出现“颈缩”现象。这时示力度盘的从动针停留在Pb不动,主动针则迅速倒退,表明载荷迅速下
P
b=—b-
降,试样即将拉断。以试样的初始横截面面积A0除Pb,得强度极限为
3•延伸率5和断面收缩率〃的测定试样的标距原长为l,拉断后将两段试0
样紧密地对接在一起,量出拉断后的标距长为1],延伸率应为
1一1
6=-44X100%
1
0
断口附近塑性变形最大,所以1的量取与断口的部位有关。如断口发生于1的两
10
端或在1之外,则试验无效,应重作。若断口距1一端的距离小于或等于U(图003
5b和c),则按下述断口移中法测定1。在拉断后的长段上,由断口处取约等于1
短段的格数得B点,若剩余格数为偶数(图5b),取其一半得C点,AB长为a,
BC长为b,则1=a+2b。当长段剩余格数为奇数时(图5c),取剩余格数减11
后的一半得C点,加1后的一半得C点,AB、BC和BC的长度分别为a、b和
111
b,贝U1=a+b+b。
2112
试样拉断后,设颈缩处的最小横截面面积为A,由于断口不是规则的圆形,应
1
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A,然后按下
1
式计算断面收缩率:
A-A
屮=—oix100%
A
0
五、试验步骤
,在标距l的两端及中部00
三个位置上,沿两个相互垂直的方向,测量试样直径,以其平均值计算各横截面
面积,再以三个横截面面积中的最小值作为公式中的A。
0
调整试验机按要求调整万能试验机。根据估计最大载荷,选用合适的测力。
装夹试样按要求装夹试件。
将原始数据输入计算机。
加载开始试验并单击“开始试验”按钮,加载应均匀、缓慢,速率控制在
2mm/min的范围内。加载的过程中要注意屈服阶段和颈缩现象的出现。
取下试件,将试验机恢复原状。观察试件并测量有关数据。
试验后的测量和断口的观察
低碳钢材料拉断后,须计算其延伸率和截面收缩率,因此要测量断后标距长度和断口(颈缩)处直径。
分析拉伸试样的断口,对于评价材料的质量是很重要的,而且还有助于判断材料的塑性、强度及其综合性能。观察低碳钢铸铁两种材料的断口,并分析原因。
低碳钢:断后有较大的宏观塑性变形,断口呈灰暗色纤维状,不完全杯锥状,
周边为45°的剪切唇——塑性较好
铸铁:断口与正应力方向垂直,没有颈缩现象,长度没有变化,断口齐平为闪光的结晶状组织——脆性
六、实验结果的处理
(1)计算屈服极限b和强度极限b
sb
PP
b=—1,b=—b
sAbA
00
其中A=—nd2,d为最小直径。
0400
(2)计算低碳钢的弹性模量E。
E=200x"■Lo
A・A(AL)
其中,AP为载荷增量,A(AL)=1£A(AL),为变形增量的平均值;A=1兀d2
ni4
i=1
d为平均直径。
(3)计算延伸率5和断面收缩率屮
l-1
5=tox100%
1
0
A-A
屮=—oix100%
A
0
七、思考题
(1)由实验现象和结果比较低碳钢和铸铁的机械性能有何不同?
(2)实验时如何观察低碳钢的屈服极限?
(3)材料相同而标距分别为5d和10d的两种试件,其5、屮、◎、◎是否相
00sb同?为什么?
八、实验记录参考表格
表1-1试件原始尺寸
材
料
标距L
0
(mm)
直径(mm)
最小横截面面积A
0
(mm2)
横截面1
横截面2
横截面3
(1)
(2)
平均
(1)
(2)
平均
(1)
(2)
平均
低
碳
钢
铸铁
表1-2实验数据
材
料
屈服载荷(kN)
最大载荷(kN)
拉断后标距(mm)
断口处直径(mm)
断口处横
截面面积
(mm2)
(1)
(2)
(3)
(4)
平
均
低
碳
钢
铸铁
1-3低碳钢和铸铁的实验力-应力曲线图
表1-4计算结果
材料
弹性模量
E(Gpa)
强度指标(MPa)
塑性指标(%)
断口形状
s
c
b
5
屮
低碳钢
铸铁
低碳钢
铸铁
注:lPa=lN/m?