拉伸試驗報告 北京科技大學(xué)

拉伸試驗預(yù)習(xí)報告一、試驗?zāi)康?1、測定低碳鋼在退火、正火和淬火三種不同熱處理狀態(tài)下的強度與塑性性能2、測定低碳鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)和應(yīng)變硬化系數(shù)二、試驗要求:按照相關(guān)國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T228-2002：金屬材料室溫拉伸試驗方法）要求完成試驗測量工作。三、引言拉伸試驗是評定金屬材料性能的常用測量方法，可以檢測強度與塑性性能。拉伸試驗測定的拉伸曲線還是觀察金屬材料塑性變形過程的良好手段。在均勻塑性變形階段，Hollommon公式可以較好地描述金屬塑性變形規(guī)律。該經(jīng)驗公式中，反映材料性能的兩個參數(shù)是應(yīng)變硬化系數(shù)k和應(yīng)變硬化指數(shù)n。低碳鋼是具有良好塑性的金屬，經(jīng)過不同的熱處理獲得不同微觀組織結(jié)構(gòu)，因而具有不同的強度與塑性。通過拉伸試驗觀察淬火、正火和退火三種不同的熱處理后，低碳鋼的性能與塑性參數(shù)n，k的變化。按我國目前執(zhí)行的國家GB/T228—2002標(biāo)準(zhǔn)——《金屬材料室溫拉伸試驗方法》的規(guī)定，在室溫10℃～35℃的范圍內(nèi)進行試驗。將試樣安裝在試驗機的夾頭中，然后開動試驗機，使試樣受到緩慢增加的拉力（應(yīng)根據(jù)材料性能和試驗?zāi)康拇_定拉伸速度），直到拉斷為止，并利用試驗機的自動繪圖裝置繪出材料的拉伸圖（圖2－2所示）。應(yīng)當(dāng)指出，試驗機自動繪圖裝置繪出的拉伸變形ΔL主要是整個試樣（不只是標(biāo)距部分）的伸長，還包括機器的彈性變形和試樣在夾頭中的滑動等因素。由于試樣開始受力時，頭部在夾頭內(nèi)的滑動較大，故繪出的拉伸圖最初一段是曲線。（a）低碳鋼拉伸曲線圖（b）鑄鐵拉伸曲線圖（a）低碳鋼拉伸曲線圖（b）鑄鐵拉伸曲線圖圖1由試驗機繪圖裝置繪出的拉伸曲線圖低碳鋼（典型的塑性材料）當(dāng)拉力較小時，試樣伸長量與力成正比增加，保持直線關(guān)系，拉力超過FP后拉伸曲線將由直變曲。保持直線關(guān)系的最大拉力就是材料比例極限的力值FP。在FP的上方附近有一點是Fc，若拉力小于Fc而卸載時，卸載后試樣立刻恢復(fù)原狀，若拉力大于Fc后再卸載，則試件只能部分恢復(fù)，保留的殘余變形即為塑性變形，因而Fc是代表材料彈性極限的力值。圖2低碳鋼的冷作硬化當(dāng)拉力增加到一定程度時，試驗機的示力指針（主動針）開始擺動或停止不動，拉伸圖上出現(xiàn)鋸齒狀或平臺，這說明此時試樣所受的拉力幾乎不變但變形卻在繼續(xù)，這種現(xiàn)象稱為材料的屈服。低碳鋼的屈服階段常呈鋸齒狀，其上屈服點B′受變形速度及試樣形式等因素的影響較大，而下屈服點B則比較穩(wěn)定（因此工程上常以其下屈服點B所對應(yīng)的力值FeL作為材料屈服時的力值）。確定屈服力值時，必須注意觀察讀數(shù)表盤上測力指針的轉(zhuǎn)動情況，讀取測力度盤指針首次回轉(zhuǎn)前指示的最大力FeH（上屈服荷載）和不計初瞬時效應(yīng)時屈服階段中的最小力FeL（下屈服荷載）或首次停止轉(zhuǎn)動指示的恒定力FeL（下屈服荷載），將其分別除以試樣的原始橫截面積（S0）便可得到上屈服強度ReH和下屈服強度ReL。即圖2低碳鋼的冷作硬化ReH=FeH/S0ReL=FeL/S0屈服階段過后，雖然變形仍繼續(xù)增大，但力值也隨之增加，拉伸曲線又繼續(xù)上升，這說明材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱為材料的強化。在強化階段內(nèi)，試樣的變形主要是塑性變形，比彈性階段內(nèi)試樣的變形大得多，在達到最大力Fm之前，試樣標(biāo)距范圍內(nèi)的變形是均勻的，拉伸曲線是一段平緩上升的曲線，這時可明顯地看到整個試樣的橫向尺寸在縮小。此最大力Fm為材料的抗拉強度力值，由公式Rm=Fm/S0即可得到材料的抗拉強度Rm。如果在材料的強化階段內(nèi)卸載后再加載，直到試樣拉斷，則所得到的曲線如圖2－3所示。卸載時曲線并不沿原拉伸曲線卸回，而是沿近乎平行于彈性階段的直線卸回，這說明卸載前試樣中除了有塑性變形外，還有一部分彈性變形；卸載后再繼續(xù)加載，曲線幾乎沿卸載路徑變化，然后繼續(xù)強化變形，就像沒有卸載一樣，這種現(xiàn)象稱為材料的冷作硬化。顯然，冷作硬化提高了材料的比例極限和屈服極限，但材料的塑性卻相應(yīng)降低。當(dāng)荷載達到最大力Fm后，示力指針由最大力Fm緩慢回轉(zhuǎn)時，試樣上某一部位開始產(chǎn)生局部伸長和頸縮，在頸縮發(fā)生部位，橫截面面積急劇縮小，繼續(xù)拉伸所需的力也迅速減小，拉伸曲線開始下降，直至試樣斷裂。此時通過測量試樣斷裂后的標(biāo)距長度Lu和斷口處最小直徑du，計算斷后最小截面積（Su），由計算公式、注：lu、lo分別為試樣標(biāo)距范圍斷裂后的長度和初始長度注：Su、So分別為試樣標(biāo)距范圍內(nèi)的頸縮斷裂部位斷后的最小橫截面積和初始橫截面積即可得到試樣的斷后伸長率A和斷面收縮率Z。本次實驗需要測得的四項性能分別為：規(guī)定非比例延伸強度(RP0.2):試樣的非比例伸長率為0.2%時的工程應(yīng)力?？估瓘姸龋≧m）:為材料斷裂前承受的最大工程應(yīng)力。斷后伸長率（A）：斷后標(biāo)距的殘余伸長（Lu-Lo）與原始標(biāo)距（Lo）之比的百分?jǐn)?shù)。斷面收縮率（Z）：斷裂后試樣橫截面的最大縮減量（So-Su）與原始橫截面積（So）之比的百分?jǐn)?shù)。四、試驗準(zhǔn)備內(nèi)容1、試驗材料與試樣試驗材料：退火低碳鋼，正火低碳鋼，淬火低碳鋼的R4標(biāo)準(zhǔn)試樣各一個。熱處理狀態(tài)及組織性能特點簡述：退火低碳鋼：將鋼加熱到Ac3或Ac1以上30-50℃，保溫一段時間后，緩慢而均勻的冷卻稱為退火。特點：退火可以降低硬度，使材料便于切削加工，并使鋼的晶粒細化，消除應(yīng)力。正火低碳鋼：將鋼加熱到Ac3或Accm以上30-50℃，保溫后在空氣中冷卻稱為正火。特點：許多碳素鋼和合金鋼正火后，各項機械性能均較好，可以細化晶粒。淬火低碳鋼：對于亞共析鋼，即低碳鋼和中碳鋼加熱到Ac3以上30-50℃，在此溫度下保持一段時間，使鋼的組織全部變成奧氏體，然后快速冷卻（水冷或油冷），使奧氏體來不及分解而形成馬氏體組織，稱為淬火。特點：硬度大，適合對硬度有特殊要求的部件。試樣規(guī)格尺寸：采用R4試樣。圖3機加工的圓截面拉伸試樣圖3機加工的圓截面拉伸試樣參數(shù)如下：標(biāo)距平行長度截面原始直徑過渡弧直徑頭部直徑50mm60mm10mm8mm20mm公差要求尺寸公差形狀公差士0.07mm士0.04mm2、試驗測試內(nèi)容與相關(guān)的測量工具、儀器、設(shè)備2.1檢測工具：萬能材料試驗機WDW-200D。載荷傳感器，0.5級。引伸計，0.5級。游標(biāo)卡尺，最高精度為0.02mm。注1：應(yīng)力值并非試驗機直接給出，由載荷傳感器直接測量施加的載荷值，進而轉(zhuǎn)化成工程應(yīng)力，0.5級，即精確至載荷傳感器滿量程的1/500。注2：連續(xù)測試試樣上某段的伸長量由引伸計完成，0.5級，即至引伸計滿量程 的1/50。2.2設(shè)備介紹：1.萬能材料試驗機WDW-200D。主要性能指標(biāo):最大試驗力：200kN試驗力準(zhǔn)確度：優(yōu)于示值的±1%（精密級為±0.5％）力值測量范圍：最大試驗力的0.4％～100％變形測量準(zhǔn)確度：在引伸計滿量程的2％～100％范圍內(nèi)優(yōu)于示值的±1%（精密級為±0.5％）檢定方法:根據(jù)試驗機被檢區(qū)間的力值，將相應(yīng)力值的標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣裝夾在試驗機上，按GB/T228-2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的速度讓試驗機對標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣進行拉伸，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣處于拉伸狀態(tài)時在其上裝上引伸計或貼上應(yīng)變片，讓拉力試驗機繼續(xù)對標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣進行拉伸，引伸計或應(yīng)變片將標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣的伸長量顯示出來，將伸長量換算為拉力值，再與拉力試驗機度盤上與標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣相同的力值點進行對比，根據(jù)比對值的差來確定試驗機技術(shù)狀態(tài)及精度。該方法利用胡克定律，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣的伸長量換算為力值與試驗機度盤力值進行對比，來確定試驗機的精度。該方法極大的簡化了檢定的操作過程，對試驗機原始拉伸狀態(tài)的日常檢定帶來極大方便和標(biāo)準(zhǔn)化?！局鳈?quán)項】1.萬能材料試驗機的檢定方法，其特征在于，首先根據(jù)被檢區(qū)間拉力試驗機的力值，選擇標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣，標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣的力值為該區(qū)間滿量程力值的60%～90%之間選擇，將標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣裝夾在拉力試驗機上，按GB/T228-2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的速度讓拉力試驗機對標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣進行拉伸，當(dāng)拉力試驗機的指針稍有擺動時立刻停止拉伸，即標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣處于拉伸狀態(tài)，此時在標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣上裝上引伸計或貼上應(yīng)變片，按GB/T228-2002標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的速度讓拉力試驗機繼續(xù)對標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣進行拉伸，引伸計或應(yīng)變片將標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣的伸長量顯示出來，根據(jù)胡克定律，將伸長量換算為拉力值，再與拉力試驗機度盤上與標(biāo)準(zhǔn)拉力試樣相同的力值點進行對比，根據(jù)比對值的差來確定試驗機技術(shù)狀態(tài)及精度五、試驗步驟（1）用游標(biāo)卡尺測量試樣的初始直徑d（在相互垂直的兩個方向上測量后取平均值）。（2）測量試樣的標(biāo)距的初始值Lo，并標(biāo)識試樣標(biāo)距（劃線）。（3）裝卡引伸計至試樣的標(biāo)距內(nèi)。（4）將試樣安裝在試驗機的上下頭之間。（5）由計算機控制。輸入必要參數(shù)，完成程序調(diào)試。（6）啟動測試過程，由計算機記錄載荷-伸長數(shù)據(jù)。（7）在載荷達到最大值時（出現(xiàn)頸縮）取下引伸計。（8）加載直至試樣斷裂，取下試樣，繼續(xù)測量。（9）用游標(biāo)卡尺測量試樣斷后最小直徑du和標(biāo)距長度Lu。注意：1. 用細墨線分別標(biāo)記原始標(biāo)距，標(biāo)記應(yīng)準(zhǔn)確到士0.5mm。2. 引伸計夾頭分離速率盡量保持恒定，且速率保持在4/min，保持直至拉斷。3. 斷后測量時應(yīng)盡可能對準(zhǔn)斷口，使試樣保持完整。4. 應(yīng)測量頸縮最小處相互垂直的兩個方向的直徑取其平均值。5. Lu的測量需要至少3組數(shù)據(jù)，用來計算誤差是否在國標(biāo)范圍內(nèi)。六、試驗數(shù)據(jù)處理方案：1.非比例延伸強度（RP0.2）：在曲線圖上，劃一條與曲線彈性模量直線部分平行，且在延伸軸上與此直線段的距離等于規(guī)定非比例延伸率，如0.2%的直線。此直線的交截點給出相應(yīng)于所求規(guī)定非比例延伸強度的力。此力除以原始橫截面積So得到規(guī)定非比例延伸強度。2.抗拉強度（Rm）對于呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象的金屬，應(yīng)讀取過了屈服階段之后最大的力。最大力除以原始橫截面積So得到抗拉強度。3．?dāng)嗝媸湛s率(A)原始橫截面積So與斷后最小橫截面積Su之差除以原始橫截面積的百分率得到斷面收縮率。4.斷后伸長率（A）原始標(biāo)距長度Lo與斷后標(biāo)距長度Lu之差除以原始長度的百分率得到斷后伸長率。5．應(yīng)變硬化指數(shù)和應(yīng)變硬化系數(shù)Hoolomon公式的擬合：用于在達到最大載荷即頸縮處發(fā)生前的均勻塑性變形階段，工程應(yīng)力，工程應(yīng)變,真應(yīng)力S，真應(yīng)變之間滿足：由此導(dǎo)出了Hoolomon公式：K為應(yīng)變硬化系數(shù)，為應(yīng)變硬化指數(shù)。現(xiàn)在根據(jù)表4的數(shù)據(jù)進行擬合，先根據(jù)公式，求出工程應(yīng)力應(yīng)變，然后根據(jù)上述公式，將工程應(yīng)力應(yīng)變根據(jù)公式轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎽?yīng)力應(yīng)變后，式子兩邊同取Ln，進行擬合。5.修約驗證：同理可得六、誤差分析：1、不確定度來源：1.1規(guī)定非比例延伸力RP0.2：測量的不確定度規(guī)定非比例延伸力測量的不確定度主要來源于以下幾方面：①試驗機力值的測量精度；②引伸計的測量精度；③引伸計標(biāo)距的誤差；④試驗機校準(zhǔn)的影響；⑤測量規(guī)定非比例延伸力值時所采用的基準(zhǔn)線的影響。1.2原始截面積S0測量的不確定度原始截面積測量的不確定度主要來源于：①分離卡的測量精度；②人員讀數(shù)的誤差。1.3最大載荷Fmax測量的不確定度最大載荷測量的不確定度與規(guī)定非比例延伸力測量的不確定度類似，只是不必考慮變形量和引伸計標(biāo)距的影響。1.4斷后標(biāo)距Lu和原始標(biāo)距測量的不確定度斷后標(biāo)距和原始標(biāo)距測量的不確定度主要來源于：①標(biāo)點機標(biāo)距的誤差；②游標(biāo)卡尺的測量精度；③人員讀數(shù)的誤差；④移位法測量斷后伸長率的引入。1.5其它不確定度的來源除上述的不確定外，還有數(shù)值修約引入的不確定度、溫度效應(yīng)引入的不確定度和拉伸應(yīng)變速率引入的不確定度4．1規(guī)定非比例延伸力測量的不確定度(1)試驗機力值測量引入的不確定度]由于拉伸試驗所用的試驗機要求為1級，其示值誤差<±1.0%，半寬為1．0%，且為矩形分布，因此，試驗機力值的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為地uf,rel,1=0．01／1．732=0.0058.(2)引伸計測量引入的不確定度由于規(guī)定非比例延伸力測量所用的引伸計示值誤差必須<±1．0，半寬為1．0%，且為矩形分布，因此規(guī)定非比例變形量測量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為uf,rel,2=0．01／1．732=0．0058。(3)引伸計標(biāo)距引入的不確定度按規(guī)定，測量規(guī)定非比例延伸力所用的引伸計標(biāo)距誤差應(yīng)<±1．0，半寬為1．0，由此產(chǎn)生的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為uf,rel,3=0．01／1．732=0．0058。(4)試驗機校準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。校