三种金属材料的拉伸性能实验报告

一、实验目的

1.观察低碳钢、铸铁和铝合金在拉伸过程中的各种现象（包括屈服，强化和颈缩等现象），特别是外力和变形间的关系，并绘制拉伸图。

2.

测定低碳钢的屈服极限，强度极限。 ，延伸率和截面收缩率。 3.

测定铸铁和铝合金的强度极限

4.观察断口，比较低碳钢、铸铁、铝合金三种材料的拉伸性能和破坏特点。

二、实验设备及原理

实验采用长春科新WDW-50万能试验机。该试验机可进行试件拉伸及压缩试验。对三种金属材进行测试时将其制作成圆柱形试件进行测量。

试验机可由自身的公工作台进行控制，也可连接计算机，由计算机程序进行控制。本实验测量的数据来源即来自计算机程序获得的试验机传感器测量值。 本实验的辅助器械是50mm引伸计，用以测量应变。在铝合金及低碳钢的实验中采用了这种引伸计，而在铸铁的实验中，出于对引伸计的保护，并未加挂引伸计。

三、实验步骤

1.试件准备

先用游标卡尺测量试件中间等直杆两端及中间这三个横截面处的直径：在每一横截面内沿互相垂直方向各测量一次并取平均值。用所测得的三个平均值中最小的值作为试件的初始直径d0，并按d0计算试件的初始横截面面积A0。 再根据试件的初始直径d0 计算试件的标距l0，并用游标卡尺在试件中部等直

杆段内量取试件标距l0 。

2.试件安装

先将试件安装在试验机的夹头内，再移动下夹头到适当位臵，并把试件下端夹紧。

3.进行试验

开动试验机以慢速均匀加载，注意观察测力指针的转动、自动绘图情况及试件在拉伸过程中的各种现象。

关闭试验机，取下试件。将断裂的试件对齐并尽量靠紧，用游标卡尺测量断裂后标距段的长度l1及断口处直径d1。

四、实验数据

1.基本变形数据

实验的试样为铝合金、低碳钢和铸铁三种。下表是它们三种试样在实验中得到的基本数据：

表1：基本数据

通过上述基本数据可以得到试样的两个参数：延伸率及截面收缩率。延伸率的计算公式为：

，

其中Δl表示断裂后标距与原始标距的差值，l为原始标距长。而截面收缩率的计算公式为：

，

其中A表示断裂后横截面积，A0表示断裂前横截面积。

经过计算，我们可以得到，铝合金的延伸率及截面收缩率为：

δAL=19.44% ψAL=14.93%

低碳钢的延伸率及截面收缩率为：

δS=41.60% ψS=64.71%

铸铁的延伸率及截面收缩率几乎为零，可以忽略。

2.弹性模量与极限应力

（1）铝合金的力学参数测量

经过MATLAB作图我们可以得到铝合金的试验力位移和应力应变曲线。从中我们能够获得：

图1 铝合金拉伸载荷位移曲线

图2 铝合金拉伸应力应变曲线

铝合金的弹性模量： EAL=60.00GPa 强度极限： σBAL=490.82MPa

从图中我们可以看到，在加载的前半段，曲线呈线性，这一段是铝合金的线弹性区。在载荷达到350Mpa，曲线开始逐渐平缓，材料开始出现屈服。直至应力达到将近500Mpa材料被拉断。

( 2 ) 低碳钢的力学参数测量

低碳钢是工程上最广泛使用的材料，同时，低碳钢试样在拉伸试验中所表现出的变形与抗力间的关系也比较典型。低碳钢的整个试验过程中工作段的伸长量与荷载的关系由拉伸图表示。做实验时，可利用万能材料试验机的自动绘图装臵绘出低碳钢试样的拉伸图即下图中拉力F与伸长量△L的关系曲线。大致可分为四个阶段： （1）弹性阶段：这一阶段试样的变形完全是弹性的，全部写出荷载后，试样将恢复其原长。此阶段内可以测定材料的弹性模量E。 （2）屈服阶段：试样的伸长量急剧地增加，而万能试验机上的荷载读数却在很小范围内波动。如果略去这种荷载读数的微小波动不计，这一阶段在拉伸图上可用水平线段来表示。若试样经过抛光，则在试样表面将看到大约与轴线成45°方向的条纹，称为滑移线。 （3）强化阶段试样经过屈服阶段后，若要使其继续伸长，由于材料在塑性变形过程中不断强化，故试样中抗力不断增长。 （4）颈缩阶段和断裂 试样伸长到一定程度后，荷载读数反而逐渐降低。此时可以看到试样某一段内横截面面积显著地收缩，出现“颈缩”的现象，一直到试样被拉断

低碳钢的试验力位移和应力应变曲线如下：

图

3

低碳钢拉伸载荷位移曲线

图4 低碳钢拉伸应力应变曲线

经计算得到，低碳钢的弹性模量： ES=167.0GPa

屈服极限： σS

S=249.0MPa

因曲线无法明确区分线性区和非线性区，故未计算弹性极限和比例极限。 强度极限： σB

S=384.48MPa

（3）铸铁的力学参数测量

铸铁是一种典型的脆性材料，拉伸过程中无明显屈服阶段出现。应力应变曲线较为光滑，同也没有一段可视为线性增长。

因此，对铸铁进行的拉伸试验并未测量

并计算弹性模量，只记录下铸铁的强度极限。

同时由于铸铁在实验中截面收缩和延伸情况

均不明显，故也为测量出准确的延伸率和截

面收缩率。

铸铁的强度极限为： σB

IR=268.81Mpa

图5 铸铁拉伸载荷位移曲线

五、实验结果分析

1.铝合金拉伸断裂结果分析

铝合金材料的断裂面与轴向夹角在45度左

右，如图：

图6 铝合金拉伸断裂 图7 滑移原理示意

断口颜色灰暗，面部较粗糙，呈现纤维状形状。查阅资料可知，材料在这里发生了滑移断裂。滑移断裂是由于受剪应力的作用破坏了晶体原子间的结合力而引起断裂。在断裂之前，晶格已发生显著滑移。沿45度方向的滑移线表明滑移发生在最大剪切力作用的切线方向。由于金属为多晶体，相邻晶粒之间的相互作用力使得一个晶粒内的塑形滑移受到相邻晶粒的阻碍，因而屈服后的塑性变形不能无限增大，宏观表现为应变硬化现象。如果载荷继续增大，塑性变形的增加破坏了晶格之间的约束和原子之间的束缚，最后导致断裂。

2.低碳钢的拉伸断裂结果分析

低碳钢拉伸断裂后，截面呈杯状，断口处有45度剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状，因此，是一种典型的韧状断口。其断裂机制也可以用滑移断裂解释。

图8 低碳钢颈缩现象 图9 低碳钢拉伸断裂截面 在进行低碳钢的拉伸实验时，同时在试样上进行了冷作硬化实验。实验方法如下：先将低碳钢拉伸至强化阶段，开始释放载荷，至150Mpa左右，然后恢复载荷，

继续拉伸实验。

从图中可知，重新加载后应力应

变重新按正比关系增加，即重新加载

曲线为原卸载曲线，且过原卸载点后

仍按原曲线变化至最高点后下降最

被拉断。此时比例极限会比原来的值

大，而拉断时的总残余应变也减小。

工程上常用此来提高构件的比例极

限。

图10 低碳钢拉伸应力应变曲线

3.铸铁的拉伸断裂实验结果分析

铸铁是典型的脆性材料，它的破坏断口沿横截面方向， 说明铸铁的断裂是由拉应力引起。断面平齐为闪光的结晶状组织，是典型的脆状断口。查阅资料可知，铸铁的拉伸断裂解为理解断裂。理断裂的断面严格沿晶体中某一晶面分离，该晶面称为解理面。沿这个晶面断裂时，理论断裂强度最

低。理解断裂通常是由于垂直于理

解面的正应力的作用破坏了晶体

原子间的结合力而引起的。

图11 铸铁拉伸断裂截面 图12 理解断裂示意图

参考文献：

1. 韩斌、刘海燕、水小平 《材料力学》 ，兵器工业出版社 ，2009

2. 范天佑 《断裂理论基础》北京，科学出版社，2003

3. 张行、崔德渝、刘森《断裂力学》北京，宇航出版社，1990

第二篇：低碳钢和铸铁拉伸和压缩试验

低碳钢和铸铁拉伸压缩实验报告

摘要：材料的力学性能也称为机械性质，是指材料在外力作用下表现的变形、破坏等方面的特性。它是由试验来测定的。工程上常用的材料品种很多，下面我们以低碳钢和铸铁为主要代表，分析材料拉伸和压缩时的力学性能。

关键字：低碳钢  铸铁  拉伸压缩实验  破坏机理  

                                                                                      一．拉伸实验

1.低碳钢拉伸实验

拉伸实验试件                                  低碳钢拉伸图

在拉伸实验中，随着载荷的逐渐增大，材料呈现出不同的力学性能：

 

低碳钢拉伸应力-应变曲线

（1）弹性阶段（Ob段）

在拉伸的初始阶段，σ-ε曲线（Oa段）为一直线，说明应力与应变成正比，即满足胡克定理，此阶段称为线形阶段。线性段的最高点则称为材料的比例极限（σ_p），线性段的直线斜率即为材料的弹性摸量E。

线性阶段后，σ-ε曲线不为直线（ab段），应力应变不再成正比，但若在整个弹性阶段卸载，应力应变曲线会沿原曲线返回，载荷卸到零时，变形也完全消失。卸载后变形能完全消失的应力最大点称为材料的弹性极限（σ_e），一般对于钢等许多材料，其弹性极限与比例极限非常接近。

（2）屈服阶段（bc段）

超过弹性阶段后，应力几乎不变，只是在某一微小范围内上下波动，而应变却急剧增长，这种现象成为屈服。使材料发生屈服的应力称为屈服应力或屈服极限（σ_s）。

当材料屈服时，如果用砂纸将试件表面打磨，会发现试件表面呈现出与轴线成45°斜纹。这是由于试件的45°斜截面上作用有最大切应力，这些斜纹是由于材料沿最大切应力作用面产生滑移所造成的，故称为滑移线。

（3）强化阶段（ce段）

经过屈服阶段后，应力应变曲线呈现曲线上升趋势，这说明材料的抗变形能力又增强了，这种现象称为应变硬化。

若在此阶段卸载，则卸载过程的应力应变曲线为一条斜线（如d-d＇斜线），其斜率与比例阶段的直线段斜率大致相等。当载荷卸载到零时，变形并未完全消失，应力减小至零时残留的应变称为塑性应变或残余应变，相应地应力减小至零时消失的应变称为弹性应变。卸载完之后，立即再加载，则加载时的应力应变关系基本上沿卸载时的直线变化。因此，如果将卸载后已有塑性变形的试样重新进行拉伸实验，其比例极限或弹性极限将得到提高，这一现象称为冷作硬化。

在硬化阶段应力应变曲线存在一个最高点，该最高点对应的应力称为材料的强度极限（σ_b），强度极限所对应的载荷为试件所能承受的最大载荷F_b。

（4）局部变形阶段（ef段）

试样拉伸达到强度极限σ_b之前，在标距范围内的变形是均匀的。当应力增大至强度极限σ_b之后，试样出现局部显著收缩，这一现象称为颈缩。颈缩出现后，使试件继续变形所需载荷减小，故应力应变曲线呈现下降趋势，直至最后在f点断裂。试样的断裂位置处于颈缩处，断口形状呈杯状，这说明引起试样破坏的原因不仅有拉应力还有切应力。

（5）伸长率和断面收缩率

试样拉断后，由于保留了塑性变形，标距由原来的L变为L1。用百分比表示的比值

                  δ=（L1-L）/L*100%

称为伸长率。试样的塑性变形越大，δ也越大。因此，伸长率是衡量材料塑性的指标。

原始横截面面积为A的试样，拉断后缩颈处的最小横截面面积变为A1，用百分比表示的 比值

                   Ψ=（A-A1）/A*100%

称为断面收缩率。Ψ也是衡量材料塑性的指标。

所以，低碳钢拉伸破坏变形很大，断口缩颈后，端口有45度茬口，由于该方向上存在最大剪应力τ造成的，属于剪切破坏力。

2.铸铁拉伸实验

铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅,锰,硫,磷等元素的多元铁基合金。铸铁具有许多优良的性能及生产简便，成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一。铸铁在拉伸时的力学性能明显不同于低碳钢，铸铁从开始受力直至断裂，变形始终很小，既不存在屈服阶段，也无颈缩现象。断口垂直于试样轴线，这说明引起试样破坏的原因是最大拉应力。

                                断口移中图

铸铁拉伸应力-应变曲线

铸铁拉伸破坏断口与正应力方向垂直说明由拉应力拉断的，属于拉伸破坏，正应力大于了许用值。

铸铁拉伸

二．压缩实验

1低碳钢压缩实验

低碳钢试样压缩时同样存在弹性极限、比例极限、屈服极限而且数值和拉伸所得的相应数值差不多，但是在屈服时却不象拉伸那样明显，需细心观察，材料在发生屈服时对应的载荷为屈服负荷F_S。随着缓慢均匀加载,低碳钢受压变形增大而不破裂，愈压愈扁。横截面增大时，其实际应力不随外载荷增加而增加，故不可能得到抗压负荷Fb，因此也得不到强度极限σ_b，所以在实验中是以变形来控制加载的。

低碳钢的压缩图（即σ-ε曲线），超过屈服之后，低碳钢试样由原来的圆柱形逐渐被压成鼓形。继续不断加压，试样将愈压愈扁，横截面面积不断增大，试样抗压能力也不断增大，故总不被破坏。所以，低碳钢不具有抗压强度极限（也可将它的抗压强度极限理解为无限大），低碳钢的压缩曲线也可证实这一点。灰铸铁在拉伸时是属于塑性很差的一种脆性材料，但在受压时，试件在达到最大载荷P_b前将会产生较大的塑性变形，最后被压成鼓形而断裂。

低碳钢压缩曲线

图2-9低碳钢压缩破坏图                图2-10铸铁压缩破坏图

弹性模量、比例极限和屈服极限与拉伸时基本相同。屈服阶段后，试样越压越扁，所以没有压缩，呈腰鼓形塑性变形，由此可见，韧性材料的抗剪切强度小于抗拉伸强度。

2.铸铁压缩实验

灰铸铁试样的断裂有两特点：一是断口为斜断口，如图2—10所示。二是按P_b/A₀求得的σ_b远比拉伸时为高，大致是拉伸的3—4倍。为什么象铸铁这种脆性材料的抗拉与抗压能力相差这么大呢？这主要与材料本身情况（内因）和受力状态（外因）有关。铸铁试件压缩时，在达到抗压负荷Fb前出现较明显的变形然后破裂，铸铁试件最后会略呈鼓形，断口的方位角约为55°~60°，断裂面与试件轴线大约呈45^o。铸铁压缩后沿斜截面断裂，其主要原因是由剪应力引起的。假使测量铸铁受压试样斜断口倾角α，则可发现它略大于45^o而不是最大剪应力所在截面，这是因为试样两端存在摩擦力造成的。

铸铁压缩曲线

铸铁压缩实验，应力和应变之间无明显的直线阶段和屈服阶段，但是有塑性变形，断口约为螺旋45度方向，抗压时的强度极限约为强度极限的4到5倍。弹性模量通常以某一应力的割线来度量。所以铸铁压缩时主要是剪切破坏，受到最大剪切力，由此可见脆性材料的抗剪切强度大于抗拉伸强度。

参考文献：

[1]刘鸿文 材料力学Ⅰ(第五版） 高等教育出版社

[2]汤安民，刘泽明 灰铸铁拉伸与扭转破坏试验的强度条件分析[A] 西安理工大学学报

[3]侯德门 材料力学实验 西安交通大学出版社

[4]曹睿 铸铁断裂机理原位拉伸研究 [A]甘肃工业大学学报