实验四：低碳钢轴向拉伸实验
一、实验目的
1. 测定低碳钢的强度性能指标：抗拉强度R m (ζb )。
2. 测定低碳钢的塑性性能指标：断后伸长率A 11.3（δ10）和断面收缩率Z （ψ）。
3. 观察低碳钢的力学性能、拉伸过程、断口特征及破坏现象。
4. 学习电子拉力试验机的使用方法。
注：括号内为GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》发布前的旧
标准
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引用符号。
二、实验原理
1. 低碳钢的拉伸
低碳钢是指含碳量在0.3％以下的碳素钢。这类钢材在
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
中使用较广，在拉伸时
表
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现出的力学性能也最为典型。在下图中可以看到低碳钢拉伸过程中的四个阶段（弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段）。屈服阶段反映在F-ΔL 曲线图上为一水平波动线。上屈服力F eH 是试样发生屈服而载荷首次下降前的最大载荷。下屈服力F eL 是试样在屈服期间去除初始瞬时效应（载荷第一次急剧下降）后波动最低点所对应的载荷。最大轴向力F m 是试
F-ΔL 曲线与试样的尺寸有关。为了消除试样尺寸的影响，把轴向力F 除以试样横截面的原始面积A 0就得到了名义应力，也叫工程应力，用ζ表示。同样，试样在标距段的伸长ΔL 除以试样的原始标距Ｌ0得到名义应变，也叫工程应变，用ε表示。ζ-ε曲线与F-ΔL 曲线形状相似，但消除了儿何尺寸的影响，因此代表了材料本质属性，即材料的本构关系。
典型低碳钢的拉伸ζ-ε曲线，如上图所示，可明显分为四个阶段：
（1）弹性阶段：在此阶段试样的变形是弹性的，如果在这一阶段终止拉伸并卸载，试样仍恢复到原先的尺寸，试验曲线将沿着拉伸曲线回到初始点，表明试样没有任何残余变形。习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律，其应力、应变为正比关系，即E σε=，式中比例系数E 代表直线的斜率，称为材料的弹性模量，其常用单位为GPa 。它是代表材料发生弹性变形的主要性能参数。E 的大小反映材料抵抗弹性变形的一种能力，代表了材料的刚度。此外，材料在发生杆的轴向伸长的同时还发生横向收缩。横向应变与纵向应变之比的绝对值μ称为材料的泊松比。它是代表材料弹性变形的另一个性能参数。
（2）屈服阶段：在超过弹性阶段后出现明显的屈服过程，即曲线沿一水平段上下波动，即应力增加很少，变形快速增加。这表明材料在此载荷作用下，宏观上表现为暂时丧失抵抗继续变形的能力，微观上表现为材料内部结构发生急剧变化。从微观结构解释这一现象，是由于构成金属晶体材料结构晶格间的位错，在外力作用下发生有规律的移动造成的。如果试样表面足够光滑、材料杂质含量少，可以清楚地看出试样表面有45o 方向的滑移线。
根据GB/T228－2002标准
规定
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，试样发生屈服而力首次下降前的最大应力称为上屈服强度，记为“R eH ”；在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力称为下屈服强度，记为“R eL ”，
若试样发生屈服而力首次下降的最小应力是屈服期间的最小应力时，该最小应力称为初始瞬时效应，不作为下屈服强度。
通常把试验测定的下屈服强度R eL 作为材料的屈服极限ζs ,ζs 是材料开始进入塑性的标志。不同的塑性材料其屈服阶段的曲线类型有所不同，其屈服强度按GB/T228-2002规定确定。结构、零件的外加载荷一旦超过这个应力，就可以认为这一结构或零件会因为过量变形而失效。因此，强度设计中常以屈服极限ζs 作为确定许可应力的基础。由于材料在这一阶段已经发生过量变形，必然残留不可恢复的变形(塑性变形)，因此，从屈服阶段开始，材料的变形就包含弹性和塑性两部分。
(3)强化阶段：屈服阶段结束后,ζ-ε曲线又出现上升现象，说明材料恢复了对继续变形的抵抗能力，材料若要继续变形必须施加足够的载荷。如果在这一阶段卸载，弹性变形将随之消失，而塑性变形将永远保留。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后若重新加载，材料的弹性阶段线将加长、屈服强度明显提高，塑性将降低。这种现象称作应变强化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料极为宝贵的性质之一。塑性变形与应变强化二者结合，是工厂强化金属的重要手段。例如：喷丸、挤压，冷拔等工艺，就是利用材料的冷作硬化来提高材料的强度。强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布的。随塑性变形的增长，试样表面的滑移线亦愈趋明显。ζ-ε曲线的应力峰值R m 为材料的强度极限ζb 。对低碳钢来说ζb 是材料均匀塑性变形的最大抵抗能力，也是材料进入颈缩阶段的标志。
(4)颈缩阶段：应力到达强度极限后，开始在试样最薄弱处出现局部变形，从而导致试样局部截面急剧颈缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直至断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在断裂的试样上。
塑性材料和脆性材料的拉伸曲线存在很大差异。低碳钢和铸铁是工程材料中最具典型意义的两种材料，前者为塑性材料，后者为脆性材料。观察它们在拉伸过程中的变形和破坏特征有助于正确、合理地认识和选用材料。
测量断后的标距部分长度L u 和颈缩处最小直径d u ，按以下两式计算其主要塑性指标：断 后伸长率δ(工程上把%5>δ的材料称为塑性材料，把%5<δ的材料称为脆性材料。)
u 0
100%L L L δ-=
? 式中:L 0为试样原始标距长度。
断面收缩率ψ
%1000
0?-=
A A A u
ψ 式中0A 和u A 分别是试样原始横截面积和断后最小横截面积。
三、设备及试样
1.电子拉力试验机
2.游标卡尺(0.02mm )
3.试样
注：试样描述如下
为使实验结果可以相互比较，必须对试样、试验机及实验方法做出明确具体的规定。国标GB/T228-2002 “金属材料室温拉伸试验方法”中规定对金属拉伸试样通常采用圆形和板状两种试样，如上图所示。它们均由夹持、过渡和平行三部分组成。夹持部分应适合于试验机夹头的夹持。过渡部分的圆弧应与平行部分光滑地联接，以保证试样破坏时断口在平行部分。平行部分中测量伸长用的长度称为标距。受力前的标距称为原始标距，记作L 0，通常在其两端划细线标志。
按试样原始标距L 0和原始横截面面积A 0之间的关系分，试样可分为比例试样和定标距
试样(非比例试样)两种。比例试样的0L K 通常取为5.65或11.3，前者称为短比例试样(简称短试样)，后者称为长比例试样(简称长试样)。对圆形试样来说，原始标距分别等于5d 0和10d 0。一般应采用短比例试样。定标距试样L 0与A 0无上述比例关系。
国标GB/T228-2002中，对试样形状、尺寸、公差和表面粗糙度均有明确规定。
四、实验步骤
1. 测量试样尺寸：原始横截面面积A 0和原始长度L 0(标距长度)。
2. 按要求装夹试样(先选其中一根)，并保持上下对中。
3. 开机并设置参数
4. 测试
5. 数据记录并分析
6. 试验机复原
五、
实验报告
化学实验报告单总流体力学实验报告观察种子结构实验报告观察种子结构实验报告单观察种子的结构实验报告单
要求
1. 实验原始数据记录
表1-1 试样原始尺寸数据记录
表1-2 试样断后尺寸
(a)
(b)
2. 测定材料屈服强度的意义?哪些材料需要测定屈服强度?
3. 应变强化是哪类材料的特点，发生在拉伸过程的哪个阶段，有何作用和意义?
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