金屬材料拉伸實驗分析

摘 要：拉伸實驗是測定材料在常溫靜載下機械性能的最基本和重要的實驗之一。這不僅因為拉伸實驗簡便易行，便于分析，且測試技術較為成熟。更重要的是，工程設計中所選用的材料的強度、塑形和彈性模量等機械指標，大多數是以拉伸實驗為主要依據。

關鍵詞：拉伸實驗；材料；依據

1 實驗目的

（1）驗證胡可定律，測定低碳鋼的E。（2）測定低碳鋼拉伸時的強度性能指標：屈服應力Rel和抗拉強度Rm。（3）測定低碳鋼拉伸時的塑性性能指標：伸長率A和斷面收縮率Z。（4）測定灰鑄鐵拉伸時的強度性能指標：抗拉強度Rm。（5）繪制低碳鋼和灰鑄鐵拉伸圖，比較低碳鋼與灰鑄鐵在拉伸樹的力學性能和破壞形式。

2 實驗設備和實驗試樣

2.1 萬能試驗機、游標卡尺，引伸儀

2.2 本試驗采用經機加工的直徑d=10mm的圓形截面比例試樣，其是根據國家試驗規范的規定進行加工的。它有夾持、過渡和平行三部分組成，它的夾持部分稍大，其形狀和尺寸應根據試樣大小、材料特性、試驗目的以及試驗機夾具的形狀和結構設計，但必須保證軸向的拉伸力。其夾持部分的長度至少應為楔形夾具長度的3/4（試驗機配有各種夾頭，對于圓形試樣一般采用楔形夾板夾頭，夾板表面制成凸紋，以便夾牢試樣）。機加工帶頭試樣的過渡部分是圓角，與平行部分光滑連接，以保證試樣破壞時斷口在平行部分。平行部分的長度Lc按現行國家標準中的規定取Lo+d ，Lo是試樣中部測量變形的長度，稱為原始標距。

3 實驗原理

按我國目前執行的國家GB/T 228-2002標準——《金屬材料室溫拉伸試驗方法》的規定，在室溫10℃～35℃的范圍內進行試驗。將試樣安裝在試驗機的夾頭中，固定引伸儀，然后開動試驗機，使試樣受到緩慢增加的拉力（應根據材料性能和試驗目的確定拉伸速度），直到拉斷為止，并利用試驗機的自動繪圖裝置繪出材料的拉伸圖。

3.1 低碳鋼（典型的塑性材料）

當拉力增加到一定程度時，試驗機的示力指針（主動針）開始擺動或停止不動，拉伸圖上出現鋸齒狀或平臺，這說明此時試樣所受的拉力幾乎不變但變形卻在繼續，這種現象稱為材料的屈服。低碳鋼的屈服階段常呈鋸齒狀，其上屈服點B′受變形速度及試樣形式等因素的影響較大，而下屈服點B則比較穩定（因此工程上常以其下屈服點B所對應的力值FeL作為材料屈服時的力值）。確定屈服力值時，必須注意觀察讀數表盤上測力指針的轉動情況，讀取測力度盤指針首次回轉前指示的最大力FeH（上屈服荷載）和不計初瞬時效應時屈服階段中的最小力FeL（下屈服荷載）或首次停止轉動指示的恒定力FeL（下屈服荷載），將其分別除以試樣的原始橫截面積（S0）便可得到上屈服強度ReH和下屈服強度ReL。即ReH=FeH/S0，ReL=FeL/S0。

3.2 鑄鐵（典型的脆性材料）

4 進行實驗

4.1 低碳鋼拉伸實驗

本小組在萬能試驗機上進行了低碳鋼的拉伸實驗，得到了如圖1所示的拉力圖，由圖中我們可以看出實驗結果與實驗原理吻合的相當好，有明顯的彈性階段、屈服階段、強化階段和頸縮階段。其次，在強化過程中，有一條向下的豎線，那時我們在卸去載荷后所得到的曲線，驗證了材料的冷作硬化。圖2是低碳鋼拉斷后的斷口形狀我們可以清楚的看到斷口的形狀呈現杯錐狀。

若是單純的用最大拉應力強度理論來分析，則斷口的形狀應該比較平整：若是用最大剪應力來分析，則形狀該是呈現45°斜面。這兩種原理都不符合實驗的結果。通過課后查閱資料得知，材料的破壞是多種因素共同作用的結果，可能是剪斷也可能是拉斷，這主要取決于破壞的方式和應力狀態分布。一般認為，像我們實驗用的材料和拉伸方式，最終試樣的中心區域不是發生剪斷而是脆性拉斷，最外面的部分才沿具有最大剪應力的45°斜面上剪斷，形成杯錐狀的斷口。

4.2 灰鑄鐵的拉伸實驗

同樣的，這條實驗曲線與理論曲線吻合的很好，證明這次試驗很成功。灰鑄鐵的斷口形狀比較平整，原因是灰鑄鐵是脆性材料，在應力不太大的情況下就被拉斷。

5結論

（1）我們將低碳鋼和灰鑄鐵拉斷后的試樣放在一起比較如圖4所示，可以很清楚的看到上述的結論--低碳鋼的斷口是杯錐狀而灰鑄鐵的比較平整。同時我們也會發現灰鑄鐵的斷口在過度部分和工作部分相交處，因為那里有截面的變化，應力集中，對于脆性材料來說，它對應力集中比較敏感。

（2）低碳鋼和灰鑄鐵在常溫靜載下力學性能的差異：低碳鋼是典型的塑性材料，在斷裂前變形較大，塑性指標較高，抵抗拉斷的能力較好，其常用的強度指標是屈服極限，而且，一般來說，在拉伸和壓縮時的屈服極限值相同。灰鑄鐵是脆性材料，在斷裂前的變形較小，塑性指標較低，其強度指標是強度極限，而且其拉伸強度遠低于壓縮強度。但是材料是塑性的還是脆性的，將隨材料所處的溫度，應變 率和應力狀態等條件的變化而不同。