发布时间 : 星期三 文章低碳钢、铸铁、铝合金拉伸试验更新完毕开始阅读
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：
试样 铝合金 低碳钢 铸铁 初始直径（mm） 8.24 10.10 10.10 原始标距（mm） 50.00 50.00 50.00 初始拉力（N） 100 200 200 拉伸速度断后直径（mm/min） （mm） 2 2 1 7.60 6.00 10.00 断后标距（mm） 59.72 70.80 50.10 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： σSS=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： σBS=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： σBIR=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