低碳钢拉伸实验指导书知识讲解

实验一 低碳钢拉伸实验及弹性模量E 的测定
一、实验目的
1．了解试验设备——WDW3100微控电子万能试验机的构造和工作原理，掌握其操作规程及使用时的注意事项。

2．测定碳钢的屈服极限
s σ、强度极限b σ、延伸率δ、断面收缩率ψ。

3．测定弹性模量E 。

4．观察拉伸过程中的各种现象，自动生成并打印拉伸图（P 一L ∆曲线）。

5．分析材料的力学性质。

二、实验设备和量具
1．设备：WDW3100微控电子万能试验机（图1-1）。

图1-1 WDW3100微控电子万能试验机
2．计算机（安装实验机控制系统软件---如图1-2），打印机一台。

3．电子应变引伸计。

4．量具：游标卡尺。

WDW3100微控电子万能试验机主要技术参数：
①最大试验力：100KN ；
②移动横梁行程：1200mm ；
③试验力精确度：0.5%；
④试验速度：0.05—500mm/min ；
⑤横梁位移显示分辨率：0.01mm ；
⑥试验区宽度：570 mm 。

万能
D 3
W 电
子 W 微机 控制 系列 100 最大实验力
100KN
图1-2 实验机控制系统软件操作界面
工作原理：
WDW3100微控电子万能试验机主要由上横梁、移动横梁、台面及两侧立柱组成框架结构，滚珠丝杠固定在台面和上横梁之间，两滚珠丝杠配合螺母及导套固定在移动横梁上。

电机通过三级同步带轮减速后带动丝杠旋转，推动移动横梁在设定速度下作直线运动以实现各种试验功能。

三、实验试件
低碳钢试件如图l —3。

夹持部
分用来装入试验机夹具中以便夹紧试件，过渡部分用来保证标距部分能均匀受力，这两部分的形状和尺寸，决定于试件的截面形状和尺寸以及机器夹具类型。

标距l 0是待试部分，也是试件的主体，其长度通常简称为标距，也称为计算长度。

试件的尺寸和形状对材料的塑性性质影响很大。

为了能正确地比较各种材料的力学性质，国家对试件尺寸作了标准化规定。

拉伸试件分比例试件和非比例试件两种。

比例试件系按公式00A K l =计算而得。

式中0l 为标距，0A 为标距部分原始截面积，系数K 通常为5.65和11.3（前者称为短试件，后者称为长试件）。

据此，短、长圆形试件的标距长度0l 分别等于50d 、100d 。

非比例试件的标距与其原横截面间无上述一定的关系。

根据国家标准（GB228—87）将比例试件尺寸列表如下：
试件 标距长度0l （mm ） 横截面积A 0（mm ）
圆形试样
直径
表示延伸率 的符号 比例 长 03.11A
10d 0 任意 任意 10δ 5δ
短 065.5A 5d 0 表中:①d 0表示试件标距部分原始直径；
②10δ、5δ分别表示标距长度L 0为d 0的10倍或5倍的试件延伸率。

常用试件的形状尺寸、表面粗糙度等可查国家标准GB228—87中的附录一、二。

图1-3 圆形截面试件
四、实验方法及实验原理
1、测定试件的截面尺寸
圆试件测定其直径0d 的方法是：在试件标距长度的两端和中间三处予以测量，每处在两个相互垂直的方向上各测一次，取其算术平均值，然后取这三个平均数的最小值作为0d 。

2、试件标距长度0l 的确定
除了要根据圆试样的直径0d 来确定外，还应将其化到5mm 或10mm 的倍数。

等于或大于2.5mm 但小于7.5mm 者化整为5mm ；等于或大于7.5mm 者进为10mm ，依此类推。

在标距两端各打一小标点，使其连线平行于试样的轴线。

将两标点间的距离等分10格或20格，并刻出分格线，以便观察变形分布情况，测定其伸长率 。

3、试验加载范围
根据低碳钢的强度极限，估计加在试件上的最大载荷，确定试验机最大试验力是否足够。

由于试验机测力部分本身精确度的限制，WDW3100微控电子万能试验机的测力范围为：最大试验力100KN 的0.4%--100%，即0.4KN —100KN 。

实验时应保证全部待测载荷均在此范围之内。

4、试验过程分析
正式实验开始，用慢速加载，使试件的变形匀速增长。

国家标准规定的拉伸速度是：屈服前，应力增加速度为10MPa ／s ，屈服后，试验机活动夹头在负荷下的移动速度不大于0.50l ／min 。

对于低碳钢来说，屈服时的曲线如图1—4(a)所示，其中P S 上叫做上屈服载荷，（
a ） (b)
图1-4 不同钢材的屈服图
与锯齿状曲线段最低点相应的最小载荷P S 下叫下屈服载荷。

由于上屈服载荷随试件过
渡部分的不同而有很大差异，而下屈服载荷则基本一致，因此一般规定用下屈服载荷来计算屈服极限00//A P A P s s s 下==σ。

有些材料，屈服时的L P ∆-曲线基本上是一个平台的曲线而不是呈现出锯齿形状，如图1—4(b)所示。

屈服阶段终了以后，要使试件继续变形，就必须加大载荷。

这时载荷—变形曲线将开始上升，材料进入强化阶段，试件的横向尺寸有明显的缩小。

如果在强化阶段的某一点处进行卸载，则可以得到一条卸载曲线，实验表明，它与曲线的起始直线部分基本平行。

卸载后若重新加载，加载曲线则沿原卸载曲线上升直到该点，此后曲线基本上与未经卸载的曲线重合，这就是冷作硬化效应。

随着实验的继续进行，当载荷达到某一值P b ，载荷不再增加的情况下，ΔL 继
续增加，试件开始出现颈缩现象，继续拉伸直至试件最后在颈缩处断裂。

根据测得的P b 可以按0/A P b b =σ 计算出强度极限b σ。

其拉伸过程如图1-5所示。

5、试件断后标距部分长度1l 的测量
将试件拉断后的两段在拉断处紧密对接起来，尽量使其轴线位于一条直线上。

拉断处由于各种原因形成缝隙，则此缝隙应计入试样拉断后的标距部分长度内。

如拉断处到邻近标距端点的距离大于0l ／3，1l 可直接测量两端点间的长度。

测量了 1l ，按下式计算伸长率，即 %1000
01⨯-=
l l l δ。

图1-5 低碳钢拉伸图
圆形试样在缩颈最小处两个相互垂直方向上测量其直径，用二者的算术平均值作为断口直径1d ，来计算其1A 。

断面收缩率按下式计算：％1000
10⨯-=A A A ψ 最后，在进行数据处理时，按有效数字的选取和运算法则确定所需的位数，所需位数后的数字，按四舍六入五单双法处理。

6、低碳钢弹性模量E 的测定
若要测定试件的弹性模量E ，则在试验前应在试件上安装电子应变引伸计。

材料弹性模量E 的测定，是在比例极限以内的拉伸试验中进行的。

低碳钢在比例极限内服从胡克定律，即：
0EA PL L =∆ 式中，P ——轴向拉力（N ）
L 0——试件标距长度（m ）
A 0——为试件原始截面面积（m 2）
E ——材料弹性模量（P a ）
五、实验操作步骤
1、打开总电源；
2、打开机架背后的空气开关；
3、打开机架前面的钥匙开关；
4、打开电脑及打印机；
5、点击桌面“材料试验机”图标，进入实验软件界面；
6、单击菜单栏“联机”，使软件进入控制试验机状态；
7、单击菜单栏“试样录入”，测量试验样件参数，输入试样编号、试样参数等信息，保存并关闭退出；
8、单击菜单栏“参数设置”，确定主要实验参数，关闭退出；
9、各项显示参数“清零”；
10、将试件安装在试验机上，注意试件两端与卡槽底面均留有间隙，然后紧固试件。

再将电子应变引伸计的插销插入销孔后安装于试件上，确保安装牢固，然后
图1-6 拉伸试验结果分析
拔出插销。

横梁上升期间注意安全，防止试件运动过快冲击上夹头，遇危险则立即按手轮或操作面板上的“STOP”按钮；
11、单击菜单栏“试验开始”，进入拉伸试验过程；
12、密切观察试验过程，依提示进行各项操作，随时用手轮或操作面板调节进给速度；
13、直至试件拉断，取下两段试件将其对接，测量断面直径和伸长后的标距；
14、回到电脑前，顺序点击菜单栏“结束实验”“数据管理”，在弹出的对话框中输入相关数据，点击“确定”显示实验数据。

，分析其各项数据。

点击“报表”，进行页面设置，选择单元项目并打印。

（如图1-6）；
15、关闭“数据管理”，单击菜单栏“脱机”、“关闭”，关闭电脑、打印机，关钥匙开关、空气开关、总电源，试验结束。

16、填写试验报告并上交。