实验5 板料拉伸实验及其冲压性能分析
一、实验目的
1.了解金属板料的冲压性能指标。
2.掌握用电子拉伸机测定金属板料抗拉强度、屈服强度、硬化指数、板厚方向
性系数的方法。
二、实验原理
板料的冲压性能是指板料对各种冲压加工方法的适应能力，板料冲压性能可以通过间接实验和直接实验方法获得。
拉伸实验可以获取板料冲压性能参数包括：
1.均匀延伸率δu
是在拉伸实验中开始产生局部集中变性（细颈时）的延伸率。
δ
u
σσ
2.屈强比/s b
屈强比是材料的屈服极限与强度极限的比值。较小的屈强比几乎对所有的冲压成型都是有利的。
3.硬化指数n
硬化指数表示在塑性变性中材料硬化的强度。由应力-应变关系
n
=
s e
k
则有
=+
s e
ln ln ln
k n
4.板厚方向性系数r
板厚方向性系数是板料试样拉伸实验中宽度应变w ε与厚度应变t ε之比，即
00
n
ln =
l t w r b b Lb
L b εε=
上式中B 0，B ，t 0，t 分别是变性前后试样的宽度与厚度。 5.板平面方向性系数
当在板料平面内不同方向上裁取拉伸试样时，拉伸实验中所测得的各种机械性能、物理性能等也不一样，这说明在板材平面内的机械性能与方向有关，所以称为板平面方向性。其程度可用差值r ?表示
()090451
2
r r r r ?=
+- 常用板厚方向性系数的平均值作为代表板材冲压性能的一项重要指标。
09045
24
r r r r ++=
式中，r 0，r 45与r 90分别是板材的纵向、45°方向和横向上的板厚方向性系数。
三、实验内容
1. 了解电子拉伸实验机的基本结构和功能
2. 学习电子拉伸实验机的简单操作，拉伸实验数据采集和处理软件的使用
3. 对试件进行标距，进行拉伸实验，获取拉伸曲线
4. 根据实验数据，评定各种冲压性能参数
四、实验数据处理及分析
45°试样1
试样的初始宽度B 0=
12.42
mm ，初始厚度t 0= 1.28
mm
则有初始时刻横截面积S 0：
200012.42 1.2815.90B t mm S =?==
图1.45°1号试样的拉伸曲线
由实验测得负荷最大值为6.214kN ，此时试样的变形为12.013mm 。 1. 均匀延伸率
δ??=
=?=012.013
100%100%24.02%50
u L L 2. 屈强比
1) 强度极限b σ
()()δσ---+??+?====??=?3336
00001050.0012.0310484.951015.906.21450.0010b F L L F FL MPa S L S L S
2) 屈服极限s σ
由实验数据可知，当试样处于屈服极限时，负荷为5.168kN ，变形为1.226mm ，则有s σ：
()()3336
0000 5.1681050.00 1.50.0022610333.051015.9010s F L L F FL
MPa S L S L S δσ---+??+?====???=
则屈强比
s
b
σσ为 333.050.687484.95
s b σσ==
3) 硬化指数
在试样屈服阶段近似等距地选取5点，如下表所示
表1.45°-1号：负荷-变形
由
()
000
F L S L L F S s +D =
=及
000
ln
ln L L L
L L e +D ==，得应力应变关系如下表所示
表2.45°-1号：σ-ε
表3.45°-1号：ln σ-ln ε
对表3数据进行线性拟合有：
ln 0.184ln 6.465e d =+
相关系数R=0.999878，故硬化指数n=0.184。
4) 板厚方向性系数
当引伸计变形为7.5mm 时，此时试样的宽度为：
7.511.64L mm b mm D ==
则板厚方向性系数r
()0451
0012.42
ln
ln
11.640.866507.511.64ln ln
5012.2
=4t w b r b b Lb L εε-==+=??
45°试样2
试样的初始宽度B 0=
12.42
mm ，初始厚度t 0= 1.28
mm
则有初始时刻横截面积S 0：
200012.42 1.2815.90B t mm S =?==
图2.45°2号试样的拉伸曲线
实验测得负荷最大值为6.222kN ，此时试样的变形为11.396mm 。 1. 均匀延伸率
δ??=
=?=011.396
100%100%22.79%50
u L L 2. 屈强比
1) 强度极限b σ
()()δσ---+??+?====??=?3336
00001050.0011.4010484.511015.906.22250.0010b F L L F FL MPa S L S L S
2) 屈服极限s σ
由实验数据可知，当试样处于屈服极限时，负荷为5.418kN ，变形为2.271mm ，则有s σ：
()()3336
0000 5.4181050.00 2.50.0027110359.171015.9010s F L L F FL MPa S L S L S δσ---+??+?====???=
则屈强比
s
b
σσ为
359.170.741484.51
s b σσ== 3) 硬化指数
在试样屈服阶段近似等距地选取5点，如下表所示。
表4.45°-2号：负荷-变形
由
()
000
F L S L L F S s +D =
=及
000
ln
ln L L L
L L e +D ==，得应力应变关系如下表所示
表5.45°-2号： σ-ε
表6.45°-1号：ln σ-lnε
对表6数据进行线性拟合有：
ln 0.185ln 6.501e d =+
相关系数R=0.999895，故硬化指数n=0.185。 综合45°两个试样有硬化指数n=0.185
4) 板厚方向性系数
当引伸计变形为7.5mm 时，此时试样的宽度为：
7.511.80L mm b mm D ==
则板厚方向性系数r
()0452
0012.42ln
ln
11.800.578507.511.80ln ln
5012.2
=4t w b r b b Lb L εε-==+=??
综合45°两个试样有板厚方向性系数r=0.722
0°试样1
试样的初始宽度B 0=
12.44
mm ，初始厚度t 0= 1.38
mm
则有初始时刻横截面积S 0：
200012.44 1.3817.17B t mm S =?==
图3.0°1号试样的拉伸曲线
实验测得负荷最大值为6.330kN ，此时试样的变形为12.099mm 。 1. 均匀延伸率
012.09914
100%100%24.20%50
u L L δ?=??=
=
2. 屈强比
1) 强度极限b σ
()()δσ---+??+?====??=?3336
00001050.0012.09910457.951015.906.33050001.0b F L L F FL MPa S L S L S
2) 屈服极限s σ
由实验数据可知，当试样处于屈服极限时，负荷为5.240kN ，变形为1.878mm ，则有s σ：
()()3336
0000 5.2401050.00 1.50.0087810316.711017.1710s F L L F FL
MPa S L S L S δσ---+??+?====???=
则屈强比
s
b
σσ为 316.710.692457.95
s b σσ== 3) 硬化指数
在试样屈服阶段近似等距地选取5点，如下表所示。
表7.45°-1号：负荷-变形
由
()
000
F L S L L F S s +D =
=及
000
ln
ln L L L
L L e +D ==，得应力应变关系如下表所示
表8.45°-1号：σ-ε
表9.45°-1号：ln σ-ln ε
对表9数据进行线性拟合有：
ln 0.210ln 6.463e d =+
相关系数R=0.992542，故硬化指数n=0.210。
4) 板厚方向性系数
当引伸计变形为7.5mm 时，此时试样的宽度为：
7.511.70L mm b mm D ==
则板厚方向性系数r
(
)001
0012.44
ln
ln
11.700.782507.511.70ln ln
5014= 2.4
w t b b Lb L r b εε-==+??=
0°试样2
试样的初始宽度B 0=
12.48
mm ，初始厚度t 0= 1.42
mm
则有初始时刻横截面积S 0：
200012.48 1.4217.72B t mm S =?==
图4.0°2号试样的拉伸曲线
实验测得负荷最大值为6.210kN ，此时试样的变形为10.054mm 。 3. 均匀延伸率
δ??=
=?=010.054100%100%20.10%50
u L L 4. 屈强比
1) 强度极限b σ
()()3336
00001050.0010.05410420.851017.726.21050.0010b F L L F FL MPa
S L S L S δσ---+??+?====?=??
2) 屈服极限s σ
由实验数据可知，当试样处于屈服极限时，负荷为5.071kN ，变形为2.020mm ，则有s σ：
()()3336
0000 5.0711050.00 2.50.0002010297.711017.7210s F L L F FL MPa S L S L S δσ---+??+?====???=
则屈强比
s
b
σσ为 297.700.707420.85
s b σσ== 3) 硬化指数
在试样屈服阶段近似等距地选取5点，如下表所示。
表10.45°-2号：负荷-变形
由
()
000
F L S L L F S s +D =
=及
000
ln
ln L L L
L L e +D ==，得应力应变关系如下表所示
表11.45°-2号： σ-ε
表12.45°-1号：ln σ-lnε
对表12数据进行线性拟合有：
ln 0.196ln 6.374e d =+
相关系数R=0.999805，故硬化指数n=0.196。 综合0°两个试样有硬化指数n=0.203
4) 板厚方向性系数
当引伸计变形为7.5mm 时，此时试样的宽度为：
7.511.66L mm b mm D ==
则板厚方向性系数r
(
)002
0012.48
ln
ln
11.660.947507.511.66ln ln
5014= 2.8
w t b b Lb L r b εε-==+??=
综合0°两个试样有板厚方向性系数r=0.865 90°试样1
试样的初始宽度B 0=
12.36
mm ，初始厚度t 0= 1.27
mm
则有初始时刻横截面积S 0：
2000 1.2715.6692371.B t m S m =?==
图5.90°1号试样的拉伸曲线
实验测得负荷最大值为6.247kN ，此时试样的变形为11.531mm 。 5. 均匀延伸率
δ??=
=?=011.531100%100%23.06%50
u L L 6. 屈强比
1) 强度极限b σ
()()δσ---+??+?====??=?3336
00001050.0011.53110489.991015.6976.24750.0010b F L L F FL
MPa S L S L S
2) 屈服极限s σ
由实验数据可知，当试样处于屈服极限时，负荷为4.769kN ，变形为1.015mm ，则有s σ：
()()3336
0000 4.7691050.00 1.50.0001510310.011015.69710s F L L F FL MPa S L S L S δσ---+??+?====???=
则屈强比
s
b
σσ为 310.010.633489.99
s b σσ== 3) 硬化指数
在试样屈服阶段近似等距地选取5点，如下表所示。
表13.90°-1号：负荷-变形
由()
000F L S L L F S s +D =
=及000
ln ln L L L L L e +D ==，得应力应变关系如下表所示 表14.90°-1号：σ-ε
表15.90°-1号：ln σ-ln ε
对表15数据进行线性拟合有：
ln 0.184ln 6.486e d =+
相关系数R=0.999878，故硬化指数n=0.184。
4) 板厚方向性系数
当引伸计变形为7.5mm 时，此时试样的宽度为：
7.511.66L mm b mm D ==
则板厚方向性系数r
(
)0901
0012.36
ln
ln
11.660.716507.511.66ln ln
5012.6
=3t w b r b b Lb L εε-==+=??
90°试样2
试样的初始宽度B 0=
12.32
mm ，初始厚度t 0= 1.28
mm
则有初始时刻横截面积S 0：
200012.32 1.2815.77B t mm S =?==
图6.45°2号试样的拉伸曲线
实验测得负荷最大值为6.222kN ，此时试样的变形为11.396mm 。 1. 均匀延伸率
δ??=
=?=011.396100%100%22.79%50
u L L 2. 屈强比
1) 强度极限b σ
()()δσ---+??+?====??=?3336
00001050.0011.39610484.511015.906.22250001.0b F L L F FL
MPa S L S L S
2) 屈服极限s σ
由实验数据可知，当试样处于屈服极限时，负荷为4.826kN ，变形为1.444mm ，则有s σ：
()()3336
0000 4.8261050.00 1.50.0044410314.881015.7710s F L L F FL MPa S L S L S δσ---+??+?====???=
则屈强比
s
b
σσ为 314.880.650484.51
s b σσ== 3) 硬化指数
在试样屈服阶段近似等距地选取5点，如下表所示。
表16.45°-2号：负荷-变形
由
()
000
F L S L L F S s +D =
=及
000
ln
ln L L L
L L e +D ==，得应力应变关系如下表所示
表17.45°-2号： σ-ε
表18.45°-1号：ln σ-lnε
对表18数据进行线性拟合有：
ln 0.201ln 6.505e d =+
相关系数R=0.998525，故硬化指数n=0.201。
4) 板厚方向性系数
当引伸计变形为7.5mm 时，此时试样的宽度为：
7.511.61L mm b mm D ==
则板厚方向性系数r
()0902
0012.32
ln
ln
11.610.738
507.511.61ln ln
5012.2
=3t w b r b b Lb L εε-==+=??
综合90°两个试样有板厚方向性系数r 90=0.727 板料板平面方向性系数
()090450.0731
28r r r r -D =
+=
板料板厚方向性系数
09045
0.7829
45r r r r =++=
五、思考题
1 测量试件长度和宽度变化的标距对r 值测定是否会有影响？
答：r 值的计算公式：
εε-=+=000
902
00000
ln
ln ln ln ln ln ln
==
t w B B B B B B t L r B
B L B t L B L
得测量试件长度和宽度变化的标距对r 值测定有影响，即当L 增大时，r 减小。
2 拉伸速度对实验结果会有哪些影响？
答：对于试验结果的精度有影响，速度越慢精度越高。 3 R 值较大的材料对哪些成型有利？为什么？
答：对板料平面内与拉应力相垂直的方向上的压缩成形有利。
r值表明板材在单向压应力作用时，板平面方向和厚度方向上的变形难易程度的比较。r值大的材料，在复杂形状的曲面零件拉伸成形时，毛坯的中间部分在拉应力的作用下，厚度方向上变形比较困难，即变薄量小，而在板料平面内与拉应力相垂直的方向上的压缩变形比较容易。
4n值较大的材料对哪些成型有利？为什么？
答：对伸长类成形有利。
n值表示塑性成形中材料硬化的程度。n值大的材料，在同样变形程度下，真实应力增加的要多。