實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span> [1]測定低碳鋼材料屈服極限σs、強(qiáng)度極限σb、伸長率δ、面積收縮率ψ 。 |
[2]觀察分析低碳鋼拉伸過程中的各階段變化規(guī)律及出現(xiàn)的屈服、強(qiáng)化、頸縮現(xiàn)象，并繪制 |
拉伸圖。 |
[3]了解材料試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，并能正確獨(dú)立的操作使用。 |
[4]比較低碳鋼材料在拉伸過程中機(jī)械性能的特點(diǎn)和斷口形貌。 |
1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理 |
低碳鋼是典型的塑性材料。從拉伸到斷裂，試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)繪圖裝置可以直接繪制出 |
拉伸曲線圖，即P-ΔL圖，如圖1-1所示。為消除尺寸影響，P-ΔL圖的縱、橫坐標(biāo)分別被試 |
樣原始面積A0和計(jì)算長度L0除，得到材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，即б-ε圖，如圖1-2所示。 |
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由應(yīng)力－應(yīng)變曲線可見，低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程，大致可分為四個(gè)階段，其特點(diǎn) |
略述如下： |
[1]線彈性階段：拉伸曲線中OA段表示材料的線彈性階段。在此階段中，試樣的變形隨著 |
載荷的增大而增大，兩者成線性關(guān)系。當(dāng)載荷從某一數(shù)值開始下降時(shí)，變形量也隨著 |
這一比例下降，載荷降到零時(shí)，變形也隨之降為零。即變形量*消失，這說明在這 |
一階段中，變形是*彈性變形，無任何殘余變形（塑性變形）。此階段中材料的應(yīng) |
與應(yīng)變關(guān)系呈線性關(guān)系，即： |
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式中：E為材料的拉壓彈性模量。公式（1－1）稱為拉壓虎克定律。與斜直線OA的終 |
點(diǎn)相對應(yīng)的應(yīng)力值 ，稱為材料的比例極限。 |
[2]屈服階段：當(dāng)載荷增加到一定數(shù)值時(shí)，在低碳鋼的拉伸曲線上出現(xiàn)水平平臺(tái)或鋸齒現(xiàn) |
象。這種載荷保持不變或在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，而變形繼續(xù)增加的現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象。材 |
料屈服時(shí)的應(yīng)力稱為屈服極限,用σs表示。一些低碳鋼材料存在上屈服極限和下屈服極 |
限。不加以說明，一般屈服極限都是指下屈服極限。下屈服極限是屈服階段中應(yīng)力的* |
小值。在試驗(yàn)過程中一般可以通過指針讀數(shù)法或圖示法來確定屈服極限。材料屈服時(shí)， |
變形包括彈性變形與塑性變形。如果試樣表面非常光滑，可以看到與試樣軸線約成45o |
斜線 ，這是由于該方向上存在*大剪應(yīng)力τ造成的。 |
材料屈服時(shí)將產(chǎn)生不能消失的塑性變形，因此工程中將此定義為材料的破壞。所以， |
屈服極限σs是表征材料抵抗破壞能力的重要強(qiáng)度指標(biāo)之一。材料的屈服極限與載荷、 |
試樣橫截面積之間有如下關(guān)系 |
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式中：PS為屈服時(shí)的載荷值；A0為試樣的原始橫截面積。 |
[3]強(qiáng)化階段：拉伸曲線中的BC段表示材料的強(qiáng)化階段。材料屈服后，抵抗變形的能力有 |
所增強(qiáng)。因此若使材料繼續(xù)變形，就要不斷增加載荷。在強(qiáng)化階段如果卸載，彈性變 |
形會(huì)隨之消失，但塑性變形將長久保留下來。強(qiáng)化階段的卸載路徑與彈性階段平行。 |
若卸載后重新加載，加載線與彈性階段平行。重新加載后，材料的比例極限、屈服極 |
限明顯提高，而塑性性能會(huì)相應(yīng)下降。這種現(xiàn)象稱之為形變硬化或冷作硬化。冷作硬 |
化是金屬材料的重要寶貴性質(zhì)之一。工程中利用冷作硬化工藝的例子很多，把鋼筋預(yù) |
拉超過屈服極限、構(gòu)件表面進(jìn)行噴丸處理等，均能提高材料屈服極限，亦即提高材料 |
抵抗破壞的能力。拉伸曲線*高點(diǎn)C點(diǎn)對應(yīng)的載荷為材料的強(qiáng)度載荷，用Pb表示，此 |
時(shí)對應(yīng)的應(yīng)力稱為強(qiáng)度極限或抗拉極限。材料的強(qiáng)度極限與強(qiáng)度載荷、試樣橫截面積 |
之間有如下關(guān)系 |
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[4]頸縮階段：拉伸曲線中的CD段表示材料的頸縮階段。載荷達(dá)到*大值后，變形多集中 |
在局部，此處伸長和橫向收縮的速度比其他地方要快，成為頸縮。由于頸縮使橫截面 |
積減小，試樣承載能力下降，*后導(dǎo)致斷裂。斷裂后試樣的彈性變形消失，塑性變形將永遠(yuǎn) |
保留在斷裂的試樣上。材料的塑性性能通常用伸長率δ和面積收縮率ψ來表示。并且 |
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式中：L0 為試樣原始計(jì)算長度；L1 為試樣拉斷后的計(jì)算長度；A0為試樣的原始橫截面 |
積; A1拉斷后頸縮處*小橫截面積。 |
斷裂后拉伸試樣示意圖如圖1－3所示。研究表明，低碳鋼試樣頸縮部分變形占總塑性變 |
形的80%左右，測定伸長率時(shí)，頸縮部分及其影響區(qū)的塑性變形都包含在L1之內(nèi)。試樣的斷 |
口如果在試樣的附近，伸長率δ即按公式(1-4)計(jì)算。若斷口在標(biāo)距線以外則試驗(yàn)無效。 |
若斷口在靠近端線的Lo/3范圍內(nèi)。那么頸縮影響區(qū)的變形將部分地落到標(biāo)距之外，使L1的長 |
度相對減少，從而影響δ的測定。為此要采用斷口補(bǔ)償法對L1進(jìn)行修正。修正的原則是：假 |
想斷口置于標(biāo)距的，而且斷口兩側(cè)的變形基本對稱。具體的測量方法是將破斷試樣的斷 |
口緊緊地對攏，由于試樣的標(biāo)距試驗(yàn)前被 n 等分，顯然長半部分大n/2格，而另半部分不足 |
n/2格，長半部分超出n/2格數(shù)正是另半部分缺少的格數(shù)。測量時(shí)，以長半部分的n/2格作為 |
端線，而另半部分不足n/2格的部分，用與長半部分對稱的分進(jìn)行補(bǔ)償。具體測量方法如圖 |
1-4所示。修正后L1= a + b。L1測出后即可按定義計(jì)算δ。 |
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1.3 試驗(yàn)設(shè)備、工具 |
[1]液壓材料試驗(yàn)機(jī)。 |
[2]游標(biāo)卡尺。 |
1.4 試樣的制備 |
按照橫截面形狀的不同，拉伸試樣分為圓比例試樣和板材比例試樣兩種。試樣由工作部 |
分(或稱平行長度部份)、圓弧過渡部分和夾持部分組成，如圖1-5所示。圖中，L 為平行長 |
度段的平行長度；Lo為有效工作長度，稱為標(biāo)距。對于圓形截面試樣，要求L≥Lo +do,對 |
于矩截面試樣，L≥Lo+bo/2。圓弧過渡要有適當(dāng)?shù)膱A角和臺(tái)階，以減小應(yīng)力集中，確保試 |
驗(yàn)過程中試樣不會(huì)在該處斷裂。試樣兩端的夾持部分用以傳遞拉伸載荷，其形狀和尺寸要與 |
試驗(yàn)機(jī)的鉗口夾塊相匹配。一般對于直接用鉗口夾緊的試樣，其夾持部分的長度應(yīng)不小于鉗 |
口深度的3/4。工作部分的表面粗糙度應(yīng)符合國家規(guī)定，以確保材料表面的單向應(yīng)力狀態(tài)。 |
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大量試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣的形狀和尺寸對試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。為了減少這種影響需 |
要按照統(tǒng)一規(guī)定制備試樣。國標(biāo)GB/T6397－1986給出了金屬拉伸實(shí)驗(yàn)試樣的加工標(biāo)準(zhǔn)。對 |
于比例試樣的長度，標(biāo)準(zhǔn)中給出了長試樣和短試樣兩種規(guī)定。對于圓比例試樣規(guī)定:長試樣 |
Lo=10do；短試樣Lo=5do。對于板材比例試樣規(guī)定:長試樣 ；短試樣 |
式中Lo為試樣標(biāo)距，Ao為試樣初始橫截面積。 |
低碳鋼試樣，在被拉斷前一定要產(chǎn)生頸縮，而頸縮部分及其影響區(qū)的塑性變形在伸長率 |
中占很大比例。一種材料的伸長率不僅取決于材質(zhì)，而且還取決于試樣的標(biāo)距。試樣愈短， |
局部變形所占的比例愈大，伸長率δ也就愈大。用標(biāo)距為10倍直徑試樣測定的伸長率記做 |
δ10，用標(biāo)距為5倍直徑試樣測定的伸長率記做δ5。國家標(biāo)準(zhǔn)推薦使用短比例試樣。 |
1.5 實(shí)驗(yàn)方法、步驟 |
[1]用游標(biāo)卡尺測量試樣中間部位及兩端等三處截面的直徑，每一截面沿相互垂直的兩個(gè)方 |
向測量，取試樣直徑*小的一處的平均值計(jì)算橫截面積，用Ao表示。（試驗(yàn)機(jī)構(gòu)造原理 |
見下圖） |
[2]試樣的刻劃：確定計(jì)算長度，并將標(biāo)距分成10個(gè)等距離的格子，（長試樣間距10mm，短 |
試樣為5mm）以便觀察試樣變形分布情況和為斷口移中作準(zhǔn)備。 |
[3]裝夾試樣：先將試樣夾在上夾頭上，然后開動(dòng)機(jī)器，使工作臺(tái)上升10mm左右停機(jī)，按下 |
夾頭升降開關(guān)，使下夾頭達(dá)到裝夾試樣的合適位置，夾緊試樣。 |
[4]選擇試驗(yàn)機(jī)加載量程：根據(jù)試樣材料強(qiáng)度極限，選擇相應(yīng)的測試量程。 |
[5]安裝記錄紙和繪圖筆,調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)讀數(shù)指示度盤，使主動(dòng)針與從動(dòng)針指零，落下記錄筆。 |
準(zhǔn)備完畢，可以加載試驗(yàn)。 |
[6]按下試驗(yàn)機(jī)啟動(dòng)按鈕，并緩慢打開送油伐，觀察示力度盤指針一旦轉(zhuǎn)動(dòng)，說明載荷加在 |
試樣上。加載速度要求均勻緩慢而穩(wěn)定，觀察彈性現(xiàn)象、屈服現(xiàn)象、強(qiáng)化現(xiàn)象和頸縮現(xiàn) |
象。當(dāng)試樣達(dá)到屈服極*，度盤主動(dòng)針停止不動(dòng)或反復(fù)波動(dòng)，立即記錄載荷波動(dòng)下限 |
*小值。并抓住時(shí)機(jī)觀察試樣表面。如試樣表面加工時(shí)光潔度較高,在試樣表面可以看 |
到45o滑移線。屈服現(xiàn)象結(jié)束后，隨著載荷不斷增加，變形量增大，載荷達(dá)到*大時(shí),主 |
動(dòng)針回?cái)[，試樣表面局部出現(xiàn)頸縮，此時(shí)試樣很快斷裂，主動(dòng)針返到零位，從動(dòng)針保留 |
在此位置上，指示值為Pb。 |
[7]試樣斷裂后，切斷電源，取下試樣，按要求記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 |
1.6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 |
試樣斷裂后，觀察斷口形貌，將斷裂兩端對在一起測量伸長量L1和斷口處*小直徑以計(jì) |
算*小橫截面積Ao。之后按公式(1-2)-(1-5) |
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分別計(jì)算屈服極限、強(qiáng)度極限、伸長率、面積收縮率。 |
會(huì)員1.png)