实验一 金属材料（低碳钢和铸铁）的拉伸实验
一、目的：
1.测定低碳钢的屈服极限σs，强度极限σb，延伸率δ和截面收缩率ψ；
2.掌握万能材料试验机的工作原理和使用方法。
3.观察两种材料拉伸过程中的各种现象、拉断后的断口情况，分析二者的力学性能。
二、设备及试样：
1.万能材料试验机.
2.游标卡尺
3.PC机一台
三、拉伸试件
根据不同的材料和要求，对试样的形状、尺寸和加工在国家标准中有规定，必须遵照执行。在拉伸试验中，试样按试件长度不同可划分为长试样（L0=10d0）和短试样（L0=5d0）。本次材料拉伸试验采用L0=10d0 （L0为标距即工作段长度，d0 为直径，d0 =10mm）圆形截面试样，见图1-1。为确保材料处于单向拉伸状态以衡量它的各种性能，拉伸试样有工作部分、过渡部分和夹持部分。其中工作部分即标距处必须表面光滑，以保证材料表面的单向应力状态；过渡部分必须有适当的台肩和圆角，以降低应力集中，保证该处不会变形或断裂；试样两端的夹持部分是装入试验机夹头中的，起传递拉力的作用。
试验前，需对低碳钢试样打标距，用试样打点机或手工的方法在试样工作段确定L0=100mm的标记。由于塑性材料径缩局部及其影响区的塑性变形在断后延伸率中占很大比重，显然同种材料的断后延伸率不仅取决于材质、而且取决于试样的标距。试样越短，局部变形所占比例越大，δ也就越大。为便于相互比较，试样的长度应当标准化。
图1—1 拉伸试样
四、试验原理及方法
常温下的拉伸试验是测定材料力学性能的基本试验。可用以测定弹性常数E，比例极限σp，屈服极限σs（或非比例伸长应力σP0.2），强度极限σb，延伸率δ和截面收缩率ψ等。这些指标都是工程设计的主要依据。
1.弹性模量E的测定
弹性模量是材料在比例极限内，应力和应变的比值。即
可见，在比例极限内，对试样作用拉力P，并量出标矩
的相应伸长
，即可求得弹性模量E。
为保证载荷不超过比例极限，加载前可先估算试样的屈服载荷，以屈服载荷的70%～80%作为测定弹性模量的最高载荷Pn，此外，为使试验机夹紧试样，以及开始阶段引伸计刀刃在试样上的可能滑动，对试样应施加一个初载荷P0。
2.屈服极限σs及强度极限σb的测定 测定E后重新加载，到达屈服阶段时，低碳钢的P—
曲线呈锯齿形（图4）。与最高载荷对应的应力称为上屈服极限（点B）它受变形速度和试样形状的影响，一般不作为强度指标。一般初始瞬时效应之后的最低载荷PS对应的应力作为屈服极限σs。因为进入屈服阶段时，示力指针停止前进，并开始倒退，这时应注意指针的波动情况，捕捉指针所指的最低载荷PS。以试样的初始横截面面积A0除PS，即得屈服极限
屈服阶段过后，进入强化阶段，试样又恢复了承载能力（图4）。载荷到达最大值Pb时，试样某一局部的截面明显缩小，出现“颈缩”现象。这时示力度盘的从动针停留在Pb不动，主动针则迅速倒退，表明载荷迅速下降，试样即将拉断。以试样的初始横截面面积A0除Pb，得强度极限为
3.延伸率δ和断面收缩率ψ的测定 试样的标距原长为
，拉断后将两段试样紧密地对接在一起，量出拉断后的标距长为
，延伸率应为
断口附近塑性变形最大，所以
的量取与断口的部位有关。如断口发生于
的两端或在
之外，则试验无效，应重作。若断口距
一端的距离小于或等于
（图5b和c），则按下述断口移中法测定
。在拉断后的长段上，由断口处取约等于短段的格数得B点，若剩余格数为偶数（图5 b），取其一半得C点，AB长为a，BC长为b，则
。当长段剩余格数为奇数时（图5 c），取剩余格数减1后的一半得C点，加1后的一半得C1点，AB、BC和BC1的长度分别为a、b1和b2,则
。
试样拉断后，设颈缩处的最小横截面面积为A1，由于断口不是规则的圆形，应在两个相互垂直的方向上量取最小截面的直径，以其平均值计算A1，然后按下式计算断面收缩率：
五、试验步骤
1.测量试样尺寸 测定试样初始横截面面积A0时，在标距
的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算各横截面面积，再以三个横截面面积中的最小值作为公式中的A0。
2.调整试验机 按要求调整万能试验机。根据估计最大载荷，选用合适的测力。
3.装夹试样 按要求装夹试件。
4.将原始数据输入计算机。
5.加载 开始试验并单击“开始试验”按钮，加载应均匀、缓慢，速率控制在2mm/min的范围内。加载的过程中要注意屈服阶段和颈缩现象的出现。
6. 取下试件，将试验机恢复原状。观察试件并测量有关数据。
试验后的测量和断口的观察
低碳钢材料拉断后，须计算其延伸率和截面收缩率，因此要测量断后标距长度和断口(颈缩)处直径。
分析拉伸试样的断口，对于评价材料的质量是很重要的，而且还有助于判断材料的塑性、强度及其综合性能。观察低碳钢铸铁两种材料的断口，并分析原因。
低碳钢：断后有较大的宏观塑性变形，断口呈灰暗色纤维状，不完全杯锥状，周边为45°的剪切唇——塑性较好
铸铁：断口与正应力方向垂直，没有颈缩现象，长度没有变化，断口齐平为闪光的结晶状组织——脆性
六、实验结果的处理
（1）计算屈服极限
和强度极限
,
其中
，
为最小直径。
（2）计算低碳钢的弹性模量E。
其中，
为载荷增量，
，为变形增量的平均值；
，d为平均直径。
（3）计算延伸率
和断面收缩率
七、思考题
（1） 由实验现象和结果比较低碳钢和铸铁的机械性能有何不同？
（2） 实验时如何观察低碳钢的屈服极限？
（3） 材料相同而标距分别为5 d0和10 d0的两种试件，其
是否相同？为什么？
八、实验记录参考表格
表1－1 试件原始尺寸
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材料 |
标距L0 （ |
直径（ |
最小横截面面积A0（ |
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横截面1 |
横截面2 |
横截面3 |
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（1） |
（2） |
平均 |
（1） |
（2） |
平均 |
（1） |
（2） |
平均 |
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低碳钢 |
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铸铁 |
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）
）
）表1－2 实验数据
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材料 |
屈服载荷（kN） |
最大载荷（kN） |
拉断后标距（mm） |
断口处直径（mm） |
断口处横截面面积（ |
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（1） |
（2） |
（3） |
（4） |
平均 |
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低碳钢 |
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铸铁 |
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）1-3低碳钢和铸铁的实验力-应力曲线图
表1－4 计算结果
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材料 |
弹性模量E(Gpa) |
强度指标（MPa） |
塑性指标(%) |
断口形状 |
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低碳钢 |
铸铁 |
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低碳钢 |
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铸铁 |
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注：1Pa＝1N/㎡