金属力学性能实验 63
63 金属力学性能实验
实验一拉伸试验 一、 实验目的 1、正确掌握试验方法，要求精确地测出拉伸试验的材料力学性能指标(E、R、 RL、Ro2、Rn、A、Z)。 2、掌握所用试验设备和仪器的操作规程及其选用原则，并一般了解其构造、特 点及其工作原理。 3、通过试验对所得到的材料力学性能指标分析和讨论，加深对课堂内容的理解。 二、实验内容 1、根据国家标准GB/T228一2002《金属材料室温拉伸试验方法》测定碳钢或低 合金钢（不同热处理状态）、灰铸铁、有色金属的E;RH:R;Ro2:Rm； A;Z分析和讨论试验结果 三、 基本概念和测试原理 图1-1为典型的拉伸曲线，通过拉伸实验可以测定以下性能指标。 0 Ob Op 图1-1低碳钢退火态的应力一应变曲线 64
64 实验一 拉伸试验 一、 实验目的 1、正确掌握试验方法，要求精确地测出拉伸试验的材料力学性能指标( E 、ReH 、 ReL 、 Rp0.2、 Rm 、 A、 Z )。 2、掌握所用试验设备和仪器的操作规程及其选用原则，并一般了解其构造、特 点及其工作原理。 3、通过试验对所得到的材料力学性能指标分析和讨论，加深对课堂内容的理解。 二、 实验内容 1、根据国家标准GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》测定碳钢或低 合金钢(不同热处理状态)、灰铸铁、有色金属的 E ；ReH ；ReL ；Rp0.2； Rm ； A； Z 分析和讨论试验结果 三、 基本概念和测试原理 图1-1为典型的拉伸曲线，通过拉伸实验可以测定以下性能指标。 图1-1低碳钢退火态的应力一应变曲线
1、正弹性模量E 金属材料在弹性范围内其应力。和应变6之间符合虎克定律，即E=。,比 值E即o-ε曲线直线段的斜率g称为材料的正弹性模量，它可以定义为产生 单位弹性应变所需要的应力，由于 E=·_Ao=△F1=AF-l(N/mm2) (1-1) E△E△111。△1·S 式中：S。-试样平行长度部分的原始截面积(mm) 1。--试样原始标距，图解法求E时，1。就相当于引伸计的标距L。(mm) △F--选定的负荷级(N) △1---施加△F时相应的弹性伸长量(mm) 注：1N/mm2=1MPa 图1一2为图解法求E的方法 力 △F △L O 伸长 图1一2图解法求E 图中： △1=自动记录装置(x-函数记录仪)绘出的伸长 伸长或位移放大倍数 △F一自动记录装置(x一y函数记录仪)绘出的长度乘以单位长度所代表的 65
65 1、正弹性模量 E 金属材料在弹性范围内其应力 和应变 之间符合虎克定律，即 E ， 比 值 E 即σ-ε曲线直线段的斜率tg 称为材料的正弹性模量，它可以定义为产生 单位弹性应变所需要的应力，由于 ( ) / / 2 0 0 0 0 N mm l s F l l l F s E (1-1) 式中：S0 ---试样平行长度部分的原始截面积(mm 2) 0 l ---试样原始标距，图解法求 E 时， 0 l 就相当于引伸计的标距Le(mm) F ---选定的负荷级(N) l ---施加F 时相应的弹性伸长量(mm) 注：1N mm 1MPa 2 图1－2为图解法求 E 的方法 图1－2 图解法求E 图中： 伸长或位移放大倍数 自动记录装置(x y函数记录仪)绘出的伸长 l F 一自动记录装置(x－y函数记录仪)绘出的长度乘以单位长度所代表的 O ΔF 伸长 力 ΔL
力值。因此在自动记录装置(x一y函数记录仪)绘出的力伸长曲线的直线段中可任 意截取不同的△1和△F就可根据公式(1-1)求得被测材料的正弹性模量E。 材料正弹性模量E也可以通过增加等级负荷△F,相应测定伸长量△1的方法 来测定，具体测定方法见附录A。 2、规定非比例延伸强度R。 规定非比例延伸强度R。一试样标距部份的非比例延伸达到规定的原始标距 百分比时的应力。 表示规定非比例延伸强度的符号应附加角注说明，例如Rpo01、Roos、Ro2 等，分别表示规定非比例延伸率为0.01%、0.05%和0.2%时的应力。材料的R。 可用图解法和逐级施力法测定。 3、规定非比例延伸强度R,的测定 (1)图解法 用自动记录(x一y函数记录仪)方法绘制力一伸长曲线图时，根据 GB/T228一2002中规定，力轴每毫米所代表的应力，一般应不大于10N/mm,曲线 的高度应使F处于力轴量程的二分之一以上。伸长最大倍数的选择应使图1一3中 的OC段的长度不小于5mm。 力 n.le.E p 伸长 图1-3图解法求R。 66
66 力值。因此在自动记录装置(x—y函数记录仪)绘出的力伸长曲线的直线段中可任 意截取不同的l 和F 就可根据公式(1-1)求得被测材料的正弹性模量 E 。 材料正弹性模量 E 也可以通过增加等级负荷F ，相应测定伸长量l 的方法 来测定，具体测定方法见附录A。 2、规定非比例延伸强度 Rp 规定非比例延伸强度 Rp 一 试样标距部份的非比例延伸达到规定的原始标距 百分比时的应力。 表示规定非比例延伸强度的符号应附加角注说明，例如 Rp0.01、Rp0.05 、Rp0.2 等，分别表示规定非比例延伸率为0.01％、O.05％和O.2％时的应力。材料的 Rp 可用图解法和逐级施力法测定。 3、规定非比例延伸强度 Rp的测定 （1）图解法 用自 动记 录(x —y 函数 记录 仪)方法 绘制 力一 伸长 曲线 图时， 根据 GB/T228—2002中规定，力轴每毫米所代表的应力，一般应不大于10N／mm 2,曲线 的高度应使Fp处于力轴量程的二分之一以上。伸长最大倍数的选择应使图1—3中 的OC 段的长度不小于5mm。 图1-3 图解法求 Rp O 伸长 力 Fp C A n.le.εp
图中：n一伸长或位移放大倍数。 1。一引伸计标距。 ￡。一规定非比例延伸率。 F。一规定非比例延伸力（试验记录或报告中应附以所测力的角注，例如， Fpo01、Fpo05、Fp02。 在（图1一3）曲线图上，自弹性直线段与伸长轴交点0起，截取一相应于规 定非比例延伸的OC段(OC=n·1。·6p),过C点作弹性直线段的平行线CA交 曲线于A点，A点对应的力F,为所测定非比例伸长力，规定规定非比例延伸强度 R,按公式(1-2)计算： F Rp= P(N/mm2) (1-2) S 如曲线无明显弹性直线段，以致难以准确确定相应的规定非比延伸强度R。, 可采用滞后环法和逐步逼近法来确定，详细测定方法参见GB/T228一2002标准。 (2)逐级施力法 逐级施力法：一般对试样施力至约为预期规定非比例伸长应力的10%，然后 装上引伸计。在相当于预期规定非比例延伸（伸长）应力的70%~80%以内施加 大等级力，以后施加小等级力（一般约为20N/mm)。施力时应保证准确读取各级 力值和伸长值。从各级力下的总伸长中减去计算所得的弹性伸长，即为非比例延 伸（伸长）。施力直至得到的非比例延伸（伸长）等于或稍大于规定的数值为止。 用内插法求出精确的力值。规定非比例伸长应力R。,按公式(1-2)计算。举例见 附录B。 对无明显弹性直线段的金属材料，不采用逐级施力法，应采用滞后环法和逐 步逼近法测定R。 4、屈服强度（物理屈服点简称屈服点）R。 屈服强度（屈服点）R：呈现屈服现象的金属材料，试样在拉伸试验过程 67
67 图中：n 一伸长或位移放大倍数。 el 一引伸计标距 。 p 一规定非比例延伸率。 Fp 一规定非比例延伸力(试验记录或报告中应附以所测力的角注,例如， Fp0.01、 Fp0.05、 Fp0.2 。 在(图1—3)曲线图上，自弹性直线段与伸长轴交点O起，截取一相应于规 定非比例延伸的OC 段(OC ＝n· el · p )，过C点作弹性直线段的平行线CA交 曲线于A点，A点对应的力 Fp 为所测定非比例伸长力，规定规定非比例延伸强度 Rp按公式(1-2)计算： ( ) 2 0 N mm S F R p p （1-2） 如曲线无明显弹性直线段，以致难以准确确定相应的规定非比延伸强度 Rp， 可采用滞后环法和逐步逼近法来确定,详细测定方法参见GB/T 228一2002标准。 (2)逐级施力法 逐级施力法：一般对试样施力至约为预期规定非比例伸长应力的10％，然后 装上引伸计。在相当于预期规定非比例延伸（伸长）应力的70％～80％以内施加 大等级力，以后施加小等级力(一般约为20N／mm 2)。施力时应保证准确读取各级 力值和伸长值。从各级力下的总伸长中减去计算所得的弹性伸长，即为非比例延 伸（伸长）。施力直至得到的非比例延伸（伸长）等于或稍大于规定的数值为止。 用内插法求出精确的力值。规定非比例伸长应力 Rp ，按公式(1-2)计算。举例见 附录B。 对无明显弹性直线段的金属材料，不采用逐级施力法，应采用滞后环法和逐 步逼近法测定 Rp 。 4、屈服强度（物理屈服点简称屈服点） Re 屈服强度（屈服点）Re ：呈现屈服现象的金属材料，试样在拉伸试验过程
中不增加力（保持恒定）或力下降仍能继续伸长时的应力。如力发生下降，应区分 上、下屈服点。 上屈服点R:试样发生屈服应力首次下降前的最大应力。 下屈服点R。,：当不计初始瞬时效应屈服阶段中的最小应力。 金属材料的屈服现象如图1一4(a)、(b)、(c)、(d)所示 为1 Fer FeL 初始瞬时效应 初始瞬时效应 (a) 伸长（位移） (b) 伸长（位移） 力 Fet Fe ★ (c) 伸长（位移） (d) 伸长（位移） 图1-4 有明显屈服现象的金属材料，应测定其屈服点、上屈服点或下屈服点，但有 关标准或无规定时，一般只测定屈服点或下屈服点。无明显屈服现象的金属材料， 68
68 中不增加力(保持恒定)或力下降仍能继续伸长时的应力。如力发生下降，应区分 上、下屈服点。 上屈服点 ReH ：试样发生屈服应力首次下降前的最大应力。 下屈服点 ReL ：当不计初始瞬时效应屈服阶段中的最小应力。 金属材料的屈服现象如图1—4(a)、(b)、(c)、(d)所示 FeH FeL 初始瞬时效应 伸长（位移） 力 (a) FeH FeL 初始瞬时效应 伸长（位移） 力 (b) FeH FeL 伸长（位移） 力 (c) Fe 伸长（位移） 力 (d) 图 1－4 有明显屈服现象的金属材料，应测定其屈服点、上屈服点或下屈服点，但有 关标准或无规定时，一般只测定屈服点或下屈服点。无明显屈服现象的金属材料
应测定其规定非比例延伸强度Ro2或规定残余延伸强度P,2。 材料的屈服点、上屈服点、下屈服点有二种测定方法即图示法和指针法。 (1)图示法 试验时，用自动记录装置绘制力一伸长曲线图或力一夹头位移益曲线图，力 轴每毫米所代表的应力一般应不大于1ON/mm,伸长或夹头位移放大倍数应根据 材质进行适当选择，曲线应至少绘制到屈服阶段结束点，在曲线上确定屈服平台 恒定力Fs或屈服阶段中首次下降前的最大力FH或不计初始瞬时效应时的最小力 FL(见图1-4)。屈服点、上屈服点或下屈服点分别按公式(1-3)、(1-4)、(1-5) 计算： Re=F(N/mm2) (1-3) So Re H= (N/mm) (1-4) So ReL= (NImm) (1-5) So (2)指针法 试验时，当测力度盘的指针首次停止转动的恒定力，或指针首次回转前的最 大力或不计初始瞬时效应的最小力分别对应力为屈服点和上、下屈服点，但仲裁 试验采用图示法测定屈服点和上、下屈服点。 关于屈服点伸长率的测定，参见GB/T228一2002标准。 5、规定残余延伸（伸长）强度（应力）R 试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标至百分比时的 应力称为规定残余延伸强度R,。表示此应力的符号应附以角注说明。例如，R,2 表示规定残余延伸（伸长）率为0.2%时的强度（应力）。 对于拉伸曲线无明显屈服现象的材料，必须测定其规定残余延伸（伸长）强 度Ro2,测定Ro2的方法有二种，即图解法和卸力法。图解法详见附录C。 卸力法：对试样施加约相当于预期规定残余延伸（伸长）应力10%的力F。, 装上引伸计，继续施力到2F再卸至F,记下引伸计读数作为条件零点。从F起第 69
69 应测定其规定非比例延伸强度 Rp0.2或规定残余延伸强度 Rr0.2。 材料的屈服点、上屈服点、下屈服点有二种测定方法即图示法和指针法。 (1)图示法 试验时，用自动记录装置绘制力一伸长曲线图或力一夹头位移益曲线图，力 轴每毫米所代表的应力一般应不大于1ON／mm 2,伸长或夹头位移放大倍数应根据 材质进行适当选择，曲线应至少绘制到屈服阶段结束点，在曲线上确定屈服平台 恒定力Fs或屈服阶段中首次下降前的最大力FeH或不计初始瞬时效应时的最小力 FeL(见图1-4)。屈服点、上屈服点或下屈服点分别按公式(1-3)、(1-4)、(1-5) 计算： Re ( ) 2 0 N mm S Fe （1-3） Re ( ) 2 0 N mm S F H eH （1-4） Re ( ) 2 0 N mm S F L eL （1-5） (2)指针法 试验时，当测力度盘的指针首次停止转动的恒定力，或指针首次回转前的最 大力或不计初始瞬时效应的最小力分别对应力为屈服点和上、下屈服点，但仲裁 试验采用图示法测定屈服点和上、下屈服点。 关于屈服点伸长率的测定，参见GB/T 228—2002标准。 5、 规定残余延伸（伸长）强度（应力） Rr 试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标至百分比时的 应力称为规定残余延伸强度 Rr 。表示此应力的符号应附以角注说明。例如，Rr0.2 表示规定残余延伸（伸长）率为0.2％时的强度（应力）。 对于拉伸曲线无明显屈服现象的材料，必须测定其规定残余延伸（伸长）强 度 Rr0.2 ,测定 Rr0.2的方法有二种,即图解法和卸力法。图解法详见附录C。 卸力法：对试样施加约相当于预期规定残余延伸（伸长）应力10％的力F0， 装上引伸计，继续施力到2F0再卸至F0,记下引伸计读数作为条件零点。从F0起第
一次施力至使试样在引伸计标距内产生的总伸长为n·le·8(1~2)分格。式中第 一项为规定残余伸长(n一伸长放大倍数；1e一引伸计标距；，一规定残余伸长率)， 第二项为弹性伸长，在引伸计上读出首次卸至F的残余伸长：以后每次施力应使 试样产兰的总伸长为：前一次总伸长加规定残余伸长与该次残余伸长（卸至F。) 之差，再加上1~2分格的弹性伸长增量。试验直至实测的残余伸长等于或稍大于 规定残余伸长值为止。测定举例详见附录D。 用内插法算出相应于规定残余伸长力Po2的精确值，则σ0.2按公式(6)计算： Roa-2(N/mm） (1-6) So 应该指出：用图解法求材料的E、R2、R,o2时，绘出的力一伸长曲线，力 轴和伸长轴的放大倍数满足GB/T228一2002标准中规定；那么由自动记录装置(x 一y函数记录仪)绘制出的伸长量达到或超过n·l0.2%长度时，就可用此曲线分别 求得材料的E、Rpo2、Ro2° 6、抗拉强度R 试样拉断前的最大应力称为抗拉强度R,当试样连续拉伸至断裂，由试验 机的测力刻度盘或拉伸曲线上读出最大力值Fm,并接公式(7)计算抗拉强度R: Rm二 (NImm) (1-7) So 7、断后伸长率A 试样拉断后标距长度的增量△k与原标距长度Lo的百分比，称伸长率（延伸 率)，测量原始标距长度L和断后标距长度Lk后可按公式(8)计算A。 A=△1='-L×100% (1-8) 断后标长Lk,测量详见附录E。 根据GB/228一2002标准，短试样(1/√S,=5.65,称5倍试样)的伸长率用A表 示，长试样(/S。=113,称10倍试样)的伸长率用A1o表示。 8、断面收缩率Z 70
70 一次施力至使试样在引伸计标距内产生的总伸长为n·lε·εr(1～2)分格。式中第 一项为规定残余伸长(n一伸长放大倍数；lε一引伸计标距；εr一规定残余伸长率)， 第二项为弹性伸长，在引伸计上读出首次卸至F0的残余伸长：以后每次施力应使 试样产兰的总伸长为：前一次总伸长加规定残余伸长与该次残余伸长（卸至F0） 之差，再加上1～2分格的弹性伸长增量。试验直至实测的残余伸长等于或稍大于 规定残余伸长值为止。测定举例详见附录D。 用内插法算出相应于规定残余伸长力Fr0.2的精确值，则σr0.2按公式(6)计算： ( ) 2 0 0.2 0.2 N mm S F R r r （1-6） 应该指出：用图解法求材料的E、 Rp0.2、 Rr0.2 时,绘出的力一伸长曲线，力 轴和伸长轴的放大倍数满足GB/T 228—2002标准中规定；那么由自动记录装置(x 一y函数记录仪)绘制出的伸长量达到或超过n·lε0.2%长度时，就可用此曲线分别 求得材料的E、 Rp0.2、 Rr0.2 。 6、 抗拉强度 Rm 试样拉断前的最大应力称为抗拉强度 Rm ，当试样连续拉伸至断裂，由试验 机的测力刻度盘或拉伸曲线上读出最大力值Fm，并接公式(7)计算抗拉强度 Rm : ( ) 2 0 N mm S F R m m （1-7） 7、 断后伸长率A 试样拉断后标距长度的增量△lk与原标距长度L0的百分比，称伸长率（延伸 率），测量原始标距长度L0和断后标距长度Lk后可按公式（8）计算A。 100% 0 0 0 l l l l l A k k （1-8） 断后标长Lk，测量详见附录E。 根据GB/ 228—2002标准，短试样( l0 S0 5.65，称5倍试样)的伸长率用A5表 示，长试样(l0 S0 11.3，称10倍试样)的伸长率用A10表示。 8、 断面收缩率Z
试样拉断后，颈缩处横截面积的最大缩减量与原横截面积的百分比，称断面 收缩率Z。 测量原横截面积S和拉断后缩颈处截面积S1后，可按公式(9)计算Z。 Z=S0-S×100% (1-9) S 四、 实验所用试样及试验设备 1、试样及尺寸 采用圆柱形比例试样见图1一5,10倍试件（分=10）或5倍试件（分=5）。 d, R 图1-5圆形比例试样 拉伸试样二端与试验机连接部分（图1-5中M处）及夹持部分，可加工成光滑 或螺纹形状，其长度由试验机的夹头来确定。 2、试验设备及仪器 用引伸计法测定上述力学性能时，必须配备万能材料试验机、表式引伸计（每 分格之值不大于0.02m)、划线器、游标卡尺。若用图解法测定，则必须增加负 荷传感器（拉压力传感器）、应变规式引伸计、放大器（或动态电阻应变仪）以及x 一y函数记录仪，有条件的可直接使用电子式材料试验机。 五、 测验程序 71
71 试样拉断后，颈缩处横截面积的最大缩减量与原横截面积的百分比，称断面 收缩率Z。 测量原横截面积S0和拉断后缩颈处截面积S1后，可按公式(9)计算Z。 100% 0 0 1 S S S Z （1-9） 四、 实验所用试样及试验设备 1、 试样及尺寸 采用圆柱形比例试样见图1—5，10倍试件( 10 0 0 d l )或5倍试件( 5 0 0 d l )。 图1-5 圆形比例试样 拉伸试样二端与试验机连接部分（图1-5中M处）及夹持部分，可加工成光滑 或螺纹形状，其长度由试验机的夹头来确定。 2、 试验设备及仪器 。 用引伸计法测定上述力学性能时，必须配备万能材料试验机、表式引伸计(每 分格之值不大于0.02mm)、划线器、游标卡尺。若用图解法测定，则必须增加负 荷传感器(拉压力传感器)、应变规式引伸计、放大器(或动态电阻应变仪)以及x —y函数记录仪，有条件的可直接使用电子式材料试验机。 五、 测验程序 lC l l0 d0 R M M
1、用游标卡尺度量试样工作长度（均匀长度）内二端及中央三处的直径，各处 应在二个相互垂直的方向各测量一次。取其算术平均值，选用三处中的最小平均 直径，记作试样的do。 2、用划线器将试样工作长度Lo划成N格（每格等同距）。 3、检查机器各部分是处于正常工作状态，选择适当负荷级（试验机力值传感器 或测力度盘的量程)。 4、将试样装入试验机的上下夹头中，利用图解法测定被测材料的E、R;R; R2;Rm。(测定方法详见附录B和C)。 当x-y函数记录仪绘出的拉伸曲线上达到或超过0.2%L时，立即取下应变 规式引伸计。 5、对试样继续施力，直至试样拉断，记下最大力Fm,关闭试验机电源，使试 验机停止工作。 6、取下试样，将两段试样紧紧凑在一起，测出断裂处的最小直径d,并详见附 录E,测量断后试样的标长Lk。 7、整理各项实验数据，计算E;RH;RL;Rpo2;Rm；A和Z。 六、 注意事项 1、 施力时必须稳定、连续、缓慢。 2、力值和伸长标定须认真仔细、标定时各电子仪器使用的测量参数必须与力 一伸长图的测量参数保持一致。 3、当拉伸图上所示的试样残余延伸（伸长）达到或超过0.2%Le时，应立即取 下引伸计，以免试样产生过量塑性变形或试样突然断裂时损坏应变规式引伸计。 七、实验报告要求 1、实验目的和要求。 2、测试原理及方法。 3、试样材料和试样尺寸。 4、 原始数据。 5、试验结果。 72
72 1、 用游标卡尺度量试样工作长度(均匀长度)内二端及中央三处的直径，各处 应在二个相互垂直的方向各测量一次。取其算术平均值，选用三处中的最小平均 直径,记作试样的d0。 2、 用划线器将试样工作长度L0划成N格(每格等同距)。 3、 检查机器各部分是处于正常工作状态，选择适当负荷级(试验机力值传感器 或测力度盘的量程)。 4、 将试样装入试验机的上下夹头中，利用图解法测定被测材料的E、ReH ；ReL ； Rp0.2； Rm 。(测定方法详见附录B和C)。 当x-y函数记录仪绘出的拉伸曲线上达到或超过0.2％Le时，立即取下应变 规式引伸计。 5、 对试样继续施力，直至试样拉断，记下最大力Fm，关闭试验机电源，使试 验机停止工作。 6、 取下试样，将两段试样紧紧凑在一起，测出断裂处的最小直径dk，并详见附 录E，测量断后试样的标长Lk。 7、 整理各项实验数据，计算E； ReH ； ReL ； Rp0.2； Rm ；A和Z。 六、 注意事项 1、 施力时必须稳定、连续、缓慢。 2、 力值和伸长标定须认真仔细、标定时各电子仪器使用的测量参数必须与力 一伸长图的测量参数保持一致。 3、 当拉伸图上所示的试样残余延伸（伸长）达到或超过O.2％Le时，应立即取 下引伸计，以免试样产生过量塑性变形或试样突然断裂时损坏应变规式引伸计。 七、 实验报告要求 1、 实验目的和要求。 2、 测试原理及方法。 3、 试样材料和试样尺寸。 4、 原始数据。 5、 试验结果