实验一材料的拉伸试验
1.实验名称及类别
材料的拉伸试验；验证性。
2.实验内容及目的
（1）测定低碳钢材料在常温、静载条件下的屈服强度、抗拉强度、伸长率和断面收缩率。
（2）测定铸铁在常温、静载条件下的抗拉强度。
（3）掌握万能材料试验机的工作原理和使用方法。
3.实验材料及设备
低碳钢、铸铁、游标卡尺、万能试验机。
4.试样的制备
按照国家标准GB6397—86《金属拉伸试验试样》，金属拉伸试样的形状随着产品的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试样、矩形截面试样、异形截面试样和不经机加工的全截面形状试样四种。其中最常用的是圆形截面试样和矩形截面试样。
如图1所示，圆形截面试样和矩形截面试样均由平行、过渡和夹持三部分组成。平行部分的试验段长度称为试样的标距，按试样的标距与横截面面积之间的关系，分为比例试样和定标距试样。圆形截面比例试样通常取或，矩形截面比例试样通常取或，其中，前者称为长比例试样（简称长试样），后者称为短比例试样（简称短试样）。定标距试样的与之间无上述比例关系。过渡部分以圆弧与平行部分光滑地连接，以保证试样断裂时的断口在平行部分。夹持部分稍大，其形状和尺寸根据试样大小、材料特性、试验目的以及万能试验机的夹具结构进行设计。
对试样的形状、尺寸和加工的技术要求参见国家标准GB6397—86。
（a）
（b）
图1 拉伸试样
（a）圆形截面试样；（b）矩形截面试样
5.实验原理
低碳钢进行拉伸试验时，外力必须通过试样轴线，以确保材料处于单向应力状态。低碳钢具有良好的塑性，低碳钢断裂前明显地分成四个阶段：弹性阶段：试件的变形是弹性的。在这个范围内卸载，试样仍恢复原来的尺寸，没有任何残余变形。
屈服（流动)阶段：应力应变曲线上出现明显的屈服点。这表明材料暂时丧失抵抗继续变形的能力。这时，应力基本上不变化，而变形快速增长。通常把下屈服点作为材料屈服极限（又称屈服强度），即，是材料开始进入塑性的标志。结构、零件的应力一旦超过屈服极限，材料就会屈服，零件就会因为过量变形而失效。因此强度设计时常以屈服极限作为确定许可应力的基础。
强化阶段：屈服阶段结束后，应力应变曲线又开始上升，材料恢复了对继续变形的抵抗能力，载荷就必须不断增长。D点是应力应变曲线的最高点，定义为材料的强度极限又称作材料的抗拉强度，即。对低碳钢来说抗拉强度是材料均匀塑性变形的最大抗力，是材料进入颈缩阶段的标志。
颈缩阶段：应力达到强度极限后，塑性变形开始在局部进行。局部截面急剧收缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直到断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在破断的试样上。
材料的塑性通常用试样断裂后的残余变形来衡量，单拉时的塑性指标用断后伸长率和断面收缩率来表示。即
其中——试样的原始标距；
——将拉断的试样对接起来后两标点之间的距离。
——试样的原始横截面面积；
——拉断后的试样在断口处的最小横截面面积。
低碳钢颈缩部分的变形在总变形中占很大比重。测试断后伸长率时，颈缩局部及其影响区的塑性变形都应包含在标距l之内，这就要求断口位置应在标距的中央附近，若断口落在标距之外则试验无效。
工程上通常认为，材料的断后伸长率> 5%属于韧断，< 5%则属于脆断。韧断的特征是断裂前有较大的宏观塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状组织。低碳钢断裂时有很大的塑性变形，断口为杯状周边为45°的剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状，因此是一种典型的韧状断口。
6.实验过程
（1）将试样打上标距点，并刻画上间隔为或的分格线。
（2）在试样标距范围内的中间以及两标距点的内侧附近，分别用游标卡尺在相互垂直方向上测取试样直径的平均值为试样在该处的直径，取三者中的最小值作为计算直径。
（3）把试样安装在万能试验机的上、下夹头之间，估算试样的最大载荷，选择相应的测力盘，配置好相应的摆锤，调整测力指针，使之对准“0”点，将从动指针与之靠拢。
（4）开动万能试验机，匀速缓慢加载，观察试样的屈服现象和颈缩现象，直至试样被拉断为止，并分别记录下主动指针回转时的最小载荷和从动指针所停留位置的最大载荷。
（5）取下拉断后的试样，将断口吻合压紧，用游标卡尺量取断口处的最小直径和两标点之间的距离。
7.注意事项
（1）实验时必须严格遵守实验设备和仪器的各项操作规程，严禁开“快速”档加载。开动万能试验机后，操作者不得离开工作岗位，实验中如发生故障应立即停机。
（2）加载时速度要均匀缓慢，防止冲击。
8.实验数据的记录与计算
（1）试样原始尺寸
表1低碳钢试验前试样原始数据
测量次数 1 2 3
直径d(mm) 9.90 10.00 10.00 9.90 9.94 9.98 10.00 10.00 10.00 平均9.97 9.94 10.00 标距L(cm) 12
最小截面积（mm2）77.60
（2）试验后试样尺寸
表2 低碳钢拉断试样尺寸
材料名称颈缩处直径d(mm) 平均标距（cm）颈缩处截面积
低碳钢 5.90 5.96 5.90 5.92 15.1 27.53
表3 万能试验机上数据
材料名称屈服载荷（kN）最大载荷（kN）
低碳钢30.4 38.6
（3）计算结果
MPa
MPa
表4 低碳钢拉伸测试计算结果
强度指标（MPa）塑性指标（%）屈服强度抗拉强度伸长率断面收缩率
391752.58 497422.68 25.83 65.23
9.思考题
（1）低碳钢和铸铁两种材料断口有什么不同?它们的力学性能有何不同?(比较强度和塑性)
答：试件在拉伸时铸铁延伸率小表现为脆性,低碳钢延伸率大表现为塑性;低碳钢具有屈服现象,铸铁无.低碳钢断口为直径缩小的杯锥状,且有450的剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状组织。铸铁断口为横断面，为闪光的结晶状组织。原因是因为前者是塑性材料后者是脆性材料咯，塑性材料受拉要经过弹性阶段，屈服阶段，以及强化和颈缩阶段，就是破坏前形状变化比较明显；而脆性材料受拉时则没有上述过程，破坏前没有明显的塑性变形，突然断裂。
（2）测定材料的力学性能有何实用价值？
答：在实际使用的过程中对于材料的力学负荷不能超过其本身的力学性能，否则会出现材料失效比如断裂等事故情况。因此测定材料的力学性能能够帮助人们在实际使用材料的过程中，针对可能出现的力学负荷选择合适的材料。（3）拉伸试验为什么要采用标准试件?
答：拉伸实验中延伸率的大小与材料有关,同时与试件的标距长度有关.试件局部变形较大的断口部分,在不同长度的标距中所占比例也不同.因此拉伸试验中必须采用标准试件或比例试件,这样其有关性质才具可比性.。材料相同而长短不同的试件通常情况下延伸率是不同的。
