低碳鋼拉伸破壞實驗 |
1.1 實驗目的 |
[1]測定低碳鋼材料屈服極限σs、強度極限σb、伸長率δ、面積收縮率ψ 。 |
[2]觀察分析低碳鋼拉伸過程中的各階段變化規律及出現的屈服、強化、頸縮現象，并繪制 |
拉伸圖。 |
[3]了解材料試驗機的結構原理，并能正確獨立的操作使用。 |
[4]比較低碳鋼材料在拉伸過程中機械性能的特點和斷口形貌。 |
1.2 實驗內容和原理 |
低碳鋼是典型的塑性材料。從拉伸到斷裂，試驗機的自動繪圖裝置可以直接繪制出 |
拉伸曲線圖，即P-ΔL圖，如圖1-1所示。為消除尺寸影響，P-ΔL圖的縱、橫坐標分別被試 |
樣原始面積A0和計算長度L0除，得到材料的應力-應變曲線圖，即б-ε圖，如圖1-2所示。 |
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由應力－應變曲線可見，低碳鋼拉伸實驗的整個過程，大致可分為四個階段，其特點 |
略述如下： |
[1]線彈性階段：拉伸曲線中OA段表示材料的線彈性階段。在此階段中，試樣的變形隨著 |
載荷的增大而增大，兩者成線性關系。當載荷從某一數值開始下降時，變形量也隨著 |
這一比例下降，載荷降到零時，變形也隨之降為零。即變形量*消失，這說明在這 |
一階段中，變形是*彈性變形，無任何殘余變形（塑性變形）。此階段中材料的應 |
與應變關系呈線性關系，即： |
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式中：E為材料的拉壓彈性模量。公式（1－1）稱為拉壓虎克定律。與斜直線OA的終 |
點相對應的應力值 ，稱為材料的比例極限。 |
[2]屈服階段：當載荷增加到一定數值時，在低碳鋼的拉伸曲線上出現水平平臺或鋸齒現 |
象。這種載荷保持不變或在一定范圍內波動，而變形繼續增加的現象稱為屈服現象。材 |
料屈服時的應力稱為屈服極限,用σs表示。一些低碳鋼材料存在上屈服極限和下屈服極 |
限。不加以說明，一般屈服極限都是指下屈服極限。下屈服極限是屈服階段中應力的* |
小值。在試驗過程中一般可以通過指針讀數法或圖示法來確定屈服極限。材料屈服時， |
變形包括彈性變形與塑性變形。如果試樣表面非常光滑，可以看到與試樣軸線約成45o |
斜線 ，這是由于該方向上存在*大剪應力τ造成的。 |
材料屈服時將產生不能消失的塑性變形，因此工程中將此定義為材料的破壞。所以， |
屈服極限σs是表征材料抵抗破壞能力的重要強度指標之一。材料的屈服極限與載荷、 |
試樣橫截面積之間有如下關系 |
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式中：PS為屈服時的載荷值；A0為試樣的原始橫截面積。 |
[3]強化階段：拉伸曲線中的BC段表示材料的強化階段。材料屈服后，抵抗變形的能力有 |
所增強。因此若使材料繼續變形，就要不斷增加載荷。在強化階段如果卸載，彈性變 |
形會隨之消失，但塑性變形將長久保留下來。強化階段的卸載路徑與彈性階段平行。 |
若卸載后重新加載，加載線與彈性階段平行。重新加載后，材料的比例極限、屈服極 |
限明顯提高，而塑性性能會相應下降。這種現象稱之為形變硬化或冷作硬化。冷作硬 |
化是金屬材料的重要寶貴性質之一。工程中利用冷作硬化工藝的例子很多，把鋼筋預 |
拉超過屈服極限、構件表面進行噴丸處理等，均能提高材料屈服極限，亦即提高材料 |
抵抗破壞的能力。拉伸曲線*高點C點對應的載荷為材料的強度載荷，用Pb表示，此 |
時對應的應力稱為強度極限或抗拉極限。材料的強度極限與強度載荷、試樣橫截面積 |
之間有如下關系 |
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[4]頸縮階段：拉伸曲線中的CD段表示材料的頸縮階段。載荷達到*大值后，變形多集中 |
在局部，此處伸長和橫向收縮的速度比其他地方要快，成為頸縮。由于頸縮使橫截面 |
積減小，試樣承載能力下降，*后導致斷裂。斷裂后試樣的彈性變形消失，塑性變形將永遠 |
保留在斷裂的試樣上。材料的塑性性能通常用伸長率δ和面積收縮率ψ來表示。并且 |
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式中：L0 為試樣原始計算長度；L1 為試樣拉斷后的計算長度；A0為試樣的原始橫截面 |
積; A1拉斷后頸縮處*小橫截面積。 |
斷裂后拉伸試樣示意圖如圖1－3所示。研究表明，低碳鋼試樣頸縮部分變形占總塑性變 |
形的80%左右，測定伸長率時，頸縮部分及其影響區的塑性變形都包含在L1之內。試樣的斷 |
口如果在試樣的附近，伸長率δ即按公式(1-4)計算。若斷口在標距線以外則試驗無效。 |
若斷口在靠近端線的Lo/3范圍內。那么頸縮影響區的變形將部分地落到標距之外，使L1的長 |
度相對減少，從而影響δ的測定。為此要采用斷口補償法對L1進行修正。修正的原則是：假 |
想斷口置于標距的，而且斷口兩側的變形基本對稱。具體的測量方法是將破斷試樣的斷 |
口緊緊地對攏，由于試樣的標距試驗前被 n 等分，顯然長半部分大n/2格，而另半部分不足 |
n/2格，長半部分超出n/2格數正是另半部分缺少的格數。測量時，以長半部分的n/2格作為 |
端線，而另半部分不足n/2格的部分，用與長半部分對稱的分進行補償。具體測量方法如圖 |
1-4所示。修正后L1= a + b。L1測出后即可按定義計算δ。 |
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1.3 試驗設備、工具 |
[1]液壓材料試驗機。 |
[2]游標卡尺。 |
1.4 試樣的制備 |
按照橫截面形狀的不同，拉伸試樣分為圓比例試樣和板材比例試樣兩種。試樣由工作部 |
分(或稱平行長度部份)、圓弧過渡部分和夾持部分組成，如圖1-5所示。圖中，L 為平行長 |
度段的平行長度；Lo為有效工作長度，稱為標距。對于圓形截面試樣，要求L≥Lo +do,對 |
于矩截面試樣，L≥Lo+bo/2。圓弧過渡要有適當的圓角和臺階，以減小應力集中，確保試 |
驗過程中試樣不會在該處斷裂。試樣兩端的夾持部分用以傳遞拉伸載荷，其形狀和尺寸要與 |
試驗機的鉗口夾塊相匹配。一般對于直接用鉗口夾緊的試樣，其夾持部分的長度應不小于鉗 |
口深度的3/4。工作部分的表面粗糙度應符合國家規定，以確保材料表面的單向應力狀態。 |
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大量試驗結果表明，試樣的形狀和尺寸對試驗結果有一定的影響。為了減少這種影響需 |
要按照統一規定制備試樣。國標GB/T6397－1986給出了金屬拉伸實驗試樣的加工標準。對 |
于比例試樣的長度，標準中給出了長試樣和短試樣兩種規定。對于圓比例試樣規定:長試樣 |
Lo=10do；短試樣Lo=5do。對于板材比例試樣規定:長試樣 ；短試樣 |
式中Lo為試樣標距，Ao為試樣初始橫截面積。 |
低碳鋼試樣，在被拉斷前一定要產生頸縮，而頸縮部分及其影響區的塑性變形在伸長率 |
中占很大比例。一種材料的伸長率不僅取決于材質，而且還取決于試樣的標距。試樣愈短， |
局部變形所占的比例愈大，伸長率δ也就愈大。用標距為10倍直徑試樣測定的伸長率記做 |
δ10，用標距為5倍直徑試樣測定的伸長率記做δ5。國家標準推薦使用短比例試樣。 |
1.5 實驗方法、步驟 |
[1]用游標卡尺測量試樣中間部位及兩端等三處截面的直徑，每一截面沿相互垂直的兩個方 |
向測量，取試樣直徑*小的一處的平均值計算橫截面積，用Ao表示。（試驗機構造原理 |
見下圖） |
[2]試樣的刻劃：確定計算長度，并將標距分成10個等距離的格子，（長試樣間距10mm，短 |
試樣為5mm）以便觀察試樣變形分布情況和為斷口移中作準備。 |
[3]裝夾試樣：先將試樣夾在上夾頭上，然后開動機器，使工作臺上升10mm左右停機，按下 |
夾頭升降開關，使下夾頭達到裝夾試樣的合適位置，夾緊試樣。 |
[4]選擇試驗機加載量程：根據試樣材料強度極限，選擇相應的測試量程。 |
[5]安裝記錄紙和繪圖筆,調節試驗機讀數指示度盤，使主動針與從動針指零，落下記錄筆。 |
準備完畢，可以加載試驗。 |
[6]按下試驗機啟動按鈕，并緩慢打開送油伐，觀察示力度盤指針一旦轉動，說明載荷加在 |
試樣上。加載速度要求均勻緩慢而穩定，觀察彈性現象、屈服現象、強化現象和頸縮現 |
象。當試樣達到屈服極*，度盤主動針停止不動或反復波動，立即記錄載荷波動下限 |
*小值。并抓住時機觀察試樣表面。如試樣表面加工時光潔度較高,在試樣表面可以看 |
到45o滑移線。屈服現象結束后，隨著載荷不斷增加，變形量增大，載荷達到*大時,主 |
動針回擺，試樣表面局部出現頸縮，此時試樣很快斷裂，主動針返到零位，從動針保留 |
在此位置上，指示值為Pb。 |
[7]試樣斷裂后，切斷電源，取下試樣，按要求記錄試驗數據。 |
1.6 實驗數據處理 |
試樣斷裂后，觀察斷口形貌，將斷裂兩端對在一起測量伸長量L1和斷口處*小直徑以計 |
算*小橫截面積Ao。之后按公式(1-2)-(1-5) |
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分別計算屈服極限、強度極限、伸長率、面積收縮率。 |
