1、實(shí)驗(yàn)1 常溫單軸拉伸實(shí)驗(yàn)馬 杭 編寫 單軸拉伸實(shí)驗(yàn)是研究材料機(jī)械性能的最基本、應(yīng)用最廣泛的實(shí)驗(yàn)。由于試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單而且易于得到較為可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在工程上和實(shí)驗(yàn)室中都廣泛利用單軸拉伸實(shí)驗(yàn)來測(cè)取材料的機(jī)械性能。多數(shù)工程材料拉伸曲線的特性介于低碳鋼和鑄鐵之間，但其強(qiáng)度和塑性指標(biāo)的定義與測(cè)試方法基本相同，因此通過單軸拉伸實(shí)驗(yàn)分析比較兩種材料的拉伸過程，測(cè)定其機(jī)械性能，在機(jī)械性能的試驗(yàn)研究中具有典型的意義，掌握其拉伸和破壞過程的特點(diǎn)有助于正確合理地認(rèn)識(shí)和選用材料，了解靜載條件下結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力的內(nèi)涵。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.通過單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，觀察分析典型的塑性材料（低碳鋼）和脆性材料（鑄鐵）的拉伸過程，觀察斷

2、口，比較其機(jī)械性能。2.測(cè)定材料的強(qiáng)度指標(biāo)（屈服極限、強(qiáng)度極限）和塑性指標(biāo)（延伸率和面縮率）。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1.電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)WDW-100A(見附錄一)。2.計(jì)算機(jī)、打印機(jī)。3.游標(biāo)卡尺。圖1-1 圓棒拉伸試樣簡(jiǎn)圖三、試樣 材料性能的測(cè)試是通過試樣進(jìn)行的，試樣制備是試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6397-86對(duì)此有詳細(xì)的規(guī)定。本試驗(yàn)采用圓棒試樣，如圖1-1所示。試樣的工作部分（即均勻部分，其長(zhǎng)度為）應(yīng)保持均勻光滑以確保材料的單向應(yīng)力狀態(tài)。均勻部分的有效工作長(zhǎng)度稱為標(biāo)距，和分別為工作部分的直徑和面積。試樣的過渡部分應(yīng)有適當(dāng)?shù)膱A角以降低應(yīng)力集中，兩端的夾持部分用以傳遞載荷，其形狀與尺寸應(yīng)與試驗(yàn)機(jī)

3、的鉗口相匹配。 材料性能的測(cè)試結(jié)果與試樣的形狀、尺寸有關(guān)，為了比較不同材料的性能，特別是為了使得采用不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、在不同的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性，試樣的形狀與尺寸應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB6397-86）。例如，由于頸縮局部及其影響區(qū)的塑性變形在斷后延伸率中占很大比重，同種材料的延伸率不僅取決于材質(zhì)，而且還取決于試樣標(biāo)距。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，材料延伸率的測(cè)試應(yīng)優(yōu)先采用兩類比例試樣： （1）長(zhǎng)試樣：（圓形截面試樣），或（矩形截面試樣） （2）短試樣：（圓形截面試樣），或（矩形截面試樣）用長(zhǎng)試樣和短試樣測(cè)得的斷后延伸率分別記做和，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦使用短比例試樣。四、實(shí)驗(yàn)原理 單軸拉伸實(shí)驗(yàn)在電子萬(wàn)能材

4、料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)上的載荷傳感器和位移傳感器分別將感受到的載荷與位移信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)送入EDC控制器，信號(hào)經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)，并將處理過的數(shù)據(jù)同步地顯示在屏幕上，形成載荷位移曲線（即曲線），試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)和打印。在實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)進(jìn)行載荷傳感器和位移傳感器的標(biāo)定（校準(zhǔn)）。 根據(jù)曲線和試樣參數(shù)，計(jì)算材料的各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)。根據(jù)性能指標(biāo)、曲線特征并結(jié)合斷口形貌，分析、評(píng)價(jià)材料的機(jī)械性能。試驗(yàn)機(jī)操作軟件的使用可參見附錄一。五、試驗(yàn)步驟1.原始尺寸測(cè)量：（1）確定標(biāo)距。（2）測(cè)量直徑：在標(biāo)距中央及兩條標(biāo)距線附近各取一截面進(jìn)行測(cè)量，每截面沿互相垂直方向各測(cè)一次取平均值，采用三個(gè)

5、截面中的平均值的最小值。2.初始條件設(shè)定：如圖1-2，（1）首先進(jìn)行載荷與位移清零，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊載荷與位移（綠色）顯示區(qū)右上方的0.0按紐，使兩者的顯示值均為零。（2）點(diǎn)擊左上方“曲線參數(shù)”，根據(jù)材料的強(qiáng)度與塑性，選擇合適的顯示量程。圖二右下方為載荷位移曲線的顯示區(qū)，其X軸為橫梁位移（mm），Y軸為載荷（kN）。（3）點(diǎn)擊左上方“試樣信息”，輸入試樣參數(shù)。3.試樣裝夾：（1）選擇“手動(dòng)操作”，設(shè)定較快的橫梁移動(dòng)速度（20mm/min或50mm/min），點(diǎn)擊“上升”或“下降”使橫梁移動(dòng)并觀察。當(dāng)橫梁到達(dá)合適的位置時(shí)，點(diǎn)擊“停止”使橫梁停止移動(dòng)。（2）將試樣的夾持端插入上楔形夾頭并旋緊，點(diǎn)擊“下降

6、”使試樣的另一端插入下楔形夾頭，下降時(shí)注意對(duì)中以免產(chǎn)生碰撞，停機(jī)后旋緊下夾頭。 注意，試樣裝夾之后不再進(jìn)行載荷清零。圖1-2 拉伸試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)界面4.加載試驗(yàn)：（1）選擇“手動(dòng)操作”，設(shè)定試驗(yàn)速度，建議低碳鋼試樣設(shè)為5mm/min，鑄鐵試樣設(shè)為1-2mm/min。（2）點(diǎn)擊“上升”開始拉伸試驗(yàn)，注意觀察試樣、曲線顯示區(qū)的曲線以及載荷與位移顯示值的變化。（3）低碳鋼試樣將依次出現(xiàn)變形的四個(gè)階段。當(dāng)載荷從最大值開始下降時(shí)可以看到試樣的頸縮區(qū)，如果試樣表面光滑、材料雜質(zhì)含量少，可以清楚地看到表面45方向的滑移線。試樣斷裂后試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停止加載。5.試驗(yàn)結(jié)束前的重要工作：（1）打印記錄曲線，開啟打印機(jī)電

7、源后，依次點(diǎn)擊右上角“分析”（彈出新界面）、“打印”。 點(diǎn)擊右上角“保存”，可以將本次試驗(yàn)的信息以文本文件的形式保存起來，文件名的后綴為“.dat”。（2）取下試樣，對(duì)攏已破壞的試樣，測(cè)量有關(guān)數(shù)據(jù)，觀察斷口形貌。六、試驗(yàn)結(jié)果整理1.強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算：（1）屈服極限 （MPa）（2）強(qiáng)度極限 （MPa）屈服載荷取屈服平臺(tái)的下限值。取曲線上的最大載荷（參見圖三）。脆性材料不存在屈服階段，所以只需計(jì)算。2.塑性指標(biāo)計(jì)算：（1）延伸率 （2）面縮率 3.繪制曲線：將載荷位移記錄曲線繪制在坐標(biāo)紙上，標(biāo)注坐標(biāo)的刻度，標(biāo)明變形的各個(gè)階段，標(biāo)出曲線上的特殊點(diǎn)（例如下屈服點(diǎn)，等等）。4.畫出斷口形貌草圖，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)

8、果，對(duì)兩種材料的性能進(jìn)行分析比較，完成試驗(yàn)報(bào)告。七、預(yù)習(xí)與思考1.認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮头椒ǎ髁嗽囼?yàn)中應(yīng)當(dāng)注意觀察的現(xiàn)象。2.本試驗(yàn)的曲線上的變形量與試樣上的變形量是否相同？如果要利用曲線來近似確定試樣的斷后延伸率，應(yīng)怎樣做？3.為什麼要采用比例試樣？同一材料的和有何關(guān)系？八、兩種典型材料的曲線低碳鋼具有良好的塑性，從圖1-3可以看出，低碳鋼的曲線明顯地分為四個(gè)階段：（1）彈性階段（OA）：試樣的變形是彈性的，若在彈性階段卸載，試樣恢復(fù)原來的尺寸，幾乎不存在殘余變形。材料在彈性范圍內(nèi)服從Hooke定律，其載荷伸長(zhǎng)、應(yīng)力應(yīng)變成正比。（2）屈服階段（AB）：標(biāo)志著宏觀塑性變形的開始，

9、材料暫時(shí)喪失抵抗繼續(xù)變形的能力。在屈服階段，載荷（應(yīng)力）往往出現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)，載荷開始下降所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為上屈服點(diǎn)，其數(shù)值受材料狀態(tài)和試驗(yàn)條件多種因素的影響，而屈服階段應(yīng)力的最低值下屈服點(diǎn)的數(shù)值則比較穩(wěn)定，所以通常用下屈服點(diǎn)作為材料的屈服極限。結(jié)構(gòu)、零件的應(yīng)力一旦超過屈服極限，就會(huì)因?yàn)樽冃芜^量而失效。從屈服階段開始，材料的變形包含彈性與塑性兩部分。（3）強(qiáng)化階段（BC）：亦稱均勻變形階段，材料恢復(fù)了對(duì)繼續(xù)變形的抵抗能力，載荷隨著變形而持續(xù)上升。如果在該階段卸載，試驗(yàn)機(jī)和試樣組成的系統(tǒng)的彈性變形隨之消失，試樣的塑性變形將永遠(yuǎn)保留下來，卸載路徑與彈性階段平行。如果卸載后再次加載，加載路徑近似與卸載路徑重合，載荷到達(dá)原卸載點(diǎn)時(shí)將重新進(jìn)入屈服并產(chǎn)生塑性變形，材料表現(xiàn)出強(qiáng)度上升、塑性下降的現(xiàn)象，稱作形變強(qiáng)化（或冷作硬化、加工硬化）。形變強(qiáng)化是金屬材料的寶貴品質(zhì)，是材料強(qiáng)化的重要手段。（4）頸縮階段（CD）：亦稱局部變形階段。這時(shí)，材料形變強(qiáng)化對(duì)載荷增加的貢獻(xiàn)已經(jīng)不能抵償試樣截面積減小對(duì)載荷的削弱作用，載荷下降