实验一 金属材料拉伸实验
拉伸试验是检验金属材料力学性能普遍采用的一种极为重要的基本试验。 金属的力学性能可用强度极限σb、屈服极限σs、延伸率δ、断面收缩率Ψ和冲击韧度αk五个指标来表示。它是机械设计的主要依据。在机械制造和建筑工程等许多领域，有许多机械零件或建筑构件是处于受拉状态，为了保证构件能够正常工作，必须使材料具有足够的抗拉强度，这就需要测定材料的性能指标是否符合要求，其测定方法就是对材料进行拉伸试验，因此，金属材料的拉伸试验及测得的性能指标，是研究金属材料在各种使用条件下，确定其工作可靠性的主要工具之一，是发展新金属材料不可缺少的重要手段，所以拉伸试验是测定材料力学性能的一个基本试验。
一、实验目的
1、测定低碳钢在拉伸过程中的几个力学性能指标：屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ、断面收缩率Ψ。铸铁的σb 。
2、观察低碳钢、铸铁在拉伸过程中的各种现象，绘制拉伸图(P—ΔL图)由此了解试件变形过程中变形随荷载变化规律，以及有关的一些物理现象。
3、观察断口，比较低碳钢和铸铁两种材料的拉伸性能，及断口形貌。
二、实验设备仪器及量具
万能材料实验机，引伸仪，划线台，游标卡尺；小直尺。
三、试件
金属材料拉伸实验常用圆形试件。为了使实验测得数据可以互相比较，试件
形状尺寸必须按国家标准GB228—76的规定制造成标准试件。如因材料尺寸限制等特殊情况下不能做成标准试件时，应按规定做成比例试件。图1为圆形截面标准试件和比例试件的国标规定。对于板材可制成矩形截面。园形试件标距L。和直径之比，长试件为L0／d0＝10，以δ10表示，短试件为L0／d0=5以δs表示。矩形试件截面面积A0和标距L0之间关系应为
或
试件两端为夹持部分，因夹具类形不同，圆形试件端部可做成圆柱形，阶梯形或螺纹形如图1。
四、实验原理
1.由材料力学
?l?Fl EAFl ?lA得到 E?其中，l是试样标距，F是载荷，?l是变形量，A是试样横截面积。 2. 材料的机械性能指标σs、σb、δ、Ψ是由拉伸破坏实验来确定的，实验时万能材料试验机自动给出载荷与变形关系的拉伸图(P—ΔL图)如图2所示，观察试样和拉伸图可以看到下列变形过程。 1、弹性阶段— OA 2、屈服阶段— BC 3、强化阶段— CD 4、颈缩阶段— DE
由实验可知弹性阶段卸荷后，试样变形立即消失，这种变形是弹性变形。当负荷增加到一定值时，测力盘的指针停止转动或来回摆动，拉伸图上出现了锯齿
平台，即荷载不增加的情况下，试样继续伸长，材料处在屈服阶段。此时可记录下屈服点Ps。当屈服到一定程度后，材料又重新具有了抵抗变形的能力，材料处在强化阶段。此阶段：强化后的材料就产生了残余应变，卸载后再重新加载，具有和原材料不同的性质，材料的强度提高了。但是断裂后的残余变形比原来降低了。这种常温下经塑性变形后，材料强度提高，塑性降低的现象称为冷作硬化。当荷载达到最大值Pb后，试样的某一部位截面开始急剧缩小致使载荷下降。至到断裂，这一阶段叫颈缩阶段。
实验中可测得： Ps一屈服荷重。
Pb —最大荷重。
L1 一断后标距部分长度。 A1 一断后最细部分截面积。
由此可计算 1、屈服极限：?s?PS A0Pb A0 2、强度极限：?b? 3、延伸率：??L1?L0?100% L0A0?A1?100% A04、截面收缩率：??其中A0、L0均为拉伸前试件的截面面积及标距。
五、实验步骤
（1）在试样中部测量三个直径尺寸，计算其平均值作为试样直径尺寸d。 （2）在试样中部取标距l0＝5d，并划上标距线。 1.测定低碳钢的弹性常数
（3）先将低碳钢的拉伸试样安装在万能试验机上。将软件界面的“负荷”清零。
（4）手动操作控制盒的“快上”、“慢上”、“微上”按钮，观察软件界面的“负荷”指示有很小的数值变化时，停止加载，并将软件界面的“变形”清零。
（5）手动操作控制盒，按等量逐级加载法均匀缓慢加载，读取软件界面的“负荷”和“变形”的读数，并记录。注意此加载过程应该在弹性围。
2.测定低碳钢拉伸时的强度和塑性性能指标
（6）先卸载。然后用连续加载方式（软件界面的“运行”）。观察试样的屈服现象和颈缩现象，直至试样被拉断为止。记录下软件界面中的数据和图形。
（7）取下拉断后的试样，将断口吻合压紧，用游标卡尺量取断口处的最小直径和两标点之间的距离。
3.测定灰铸铁拉伸时的强度性能指标 与前述步骤相同。
六、实验数据的记录与计算
1.测定低碳钢拉伸时的强度和塑性性能指标
表1-1 测定低碳钢拉伸时的强度和塑性性能指标试验的数据记录与计算
试 样 尺 寸 实验前： 标 距 l? mm 直 径 d? mm 实验后： 标 距 l1? mm 实 验 数 据 屈服载荷 Fs? kN 最大载荷 Fb? kN 屈服应力 ?s?Fs/A? MPa 抗拉强度 ?b?Fb/A? MPa 伸 长 率 ???l1?l?/l?100%? 最小直径d1? mm 断面收缩率 ???A?A1?/A?100%? 拉断后的试样草图 试 样 的 拉 伸 图
2.测定灰铸铁拉伸时的强度性能指标
表1-2 测定灰铸铁拉伸时的强度性能指标试验的数据记录与计算
试 样 尺 寸 实验前： 直 径 d? mm 拉断后的试样草图 实 验 数 据 最大载荷 Fb? kN 抗拉强度 ?b?Fb/A? MPa 试 样 的 拉 伸 图 3.拉伸试验结果的计算精确度
（1）强度性能指标（屈服应力?s和抗拉强度?b）的计算精度要求为0.5MPa，即：凡＜0.25 MPa的数值舍去，≥0.25MPa而＜0.75MPa的数值化为0.5MPa，≥0.75MPa的数值者则进为1MPa。
（2）塑性性能指标（伸长率?和断面收缩率?）的计算精度要求为0.5%，即：凡＜0.25%的数值舍去，≥0.25%而＜0.75%的数值化为0.5%，≥0.75%的数值则进为1%。
七、结束工作
1.实验时必须严格遵守实验设备和仪器的各项操作规程，严禁开“快速”档加载。开动万能试验机后，操作者不得离开工作岗位，实验中如发生故障应立即停机。
2.引伸仪系精密仪器，使用时须谨慎小心，不要用手触动指针和杠杆。安装时不能卡得太松，以防实验中脱落摔坏；也不能卡得太紧，以防刀刃损伤造成测量误差。
3.加载时速度要均匀缓慢，防止冲击。
八、思考题：
1、低碳钢拉伸图大致可分几个阶段?每个阶段力和变形有什么关系?
2、低碳钢和铸铁两种材料断口有什么不同?它们的力学性能有何不同?(比较强度和塑性)
3、拉伸试验为什么要采用标准试件?
4、试件载面直径相同而标距长度不同，试件的延伸率和载面收缩率是否相同?
实验1 - 金属材料拉伸实验
