液压万能材料试验机拉伸试验

一、实验目的

①观察低碳钢、铸铁试样在拉伸全过程中的各种现象。

②了解低碳钢、铸铁在拉伸全过程中，抗力和变形的相互关系，并绘制P⁃Δl拉伸曲线图。

③测定低碳钢的几个主要拉伸机械性能的指标，屈服点σs，抗拉强度σb，断面伸长率δ和断面收缩率ψ，以及铸铁的抗拉强度极限。

二、实验设备

如图1．1所示的是材料力学中通常使用的液压万能试验机。

图1．1 液压万能材料试验机结构图

液压万能材料试验机由机架、加载系统、测力示值系统、载荷位移记录系统以及夹具、附具5个基本部分所组成。 其中以加载系统、测力示值系统和载荷位移记录系统反映了试验机的主要性能。

三、实验原理

1．拉伸试验图

一般材料试验机都具有载荷位移记录装置，可将试样的抗力和变形的关系P⁃Δl曲线记录下来。

图1．2 低碳钢拉伸曲线

如图1．2所示为低碳钢的P⁃Δl曲线图，以说明试样在拉伸全过程中，其抗力和变形的关系。 纵坐标表示载荷P，单位是千克力（kgf）；横坐标表示绝对伸长Δl，单位是毫米（mm），整个变化过程，可分为4个阶段：

Oa——弹性阶段。 其特征是载荷与伸长呈线性关系，即材料服从虎克定律。

bd——屈服阶段。 b为上屈服点，c为下屈服点，cd为屈服平台。

d B——强化阶段。 沿试样长度产生均匀塑性变形。

BK——局部塑性变形阶段。 在B点，载荷达到最大值PB，以后试样抗力下降而变形继续增加，出现颈缩。 这时变形局限于颈缩附近，直到断裂。

本实验遵照国家标准，需测定两个强度指标：屈服点σs、抗拉强度σb和两个塑性指标：伸长率δ和截面收缩率ψ。

2．屈服极限的测定（1）屈服点σs

按照国家标准规定，对有明显屈服现象的材料，其屈服点可借助于试验机测力度盘的指针或拉伸曲线图来确定。

①指针法：当测力度盘的指针停止转动时的恒定载荷，或第一次回转的最小载荷，即为所求屈服点的载荷Ps。

②图示法：在P⁃Δl曲线上找出屈服平台的恒定载荷，或第一次下降的最小载荷，即为所求屈服点载荷Ps。如图1．2的上、下屈服拉伸图，应取下屈服点c为屈服载荷Ps。因为下屈服点对试验条件的影响较小，其值较稳定。

③屈服点的计算：式中 A0——试样的原始面积。

（2）条件屈服点σ0．2

对低塑材料或脆性材料，由于屈服现象不明显，在拉伸图上由弹性到弹塑性的过渡是光滑连续的，如图1．3所示。 根据国家标准规定：试样在拉伸过程中，标距部分的残余伸长达到原标距长度的0．2％时的应力为条件屈服极限σ0．2。

图1．3 灰铸铁拉伸曲线

①图解法。 如图1．3所示的P⁃Δl曲线，在其横坐标上，截取使OD＝0．2％×l×n，从D点作弹性直线段的平行线，交曲线于B点，点B的纵坐标值，即所求的屈服载荷P0．2。式中，l为上、下夹头间试件的长度，n为夹头位移的放大倍数，应不小于50倍。

②引伸计法。 由引伸计法测出试样在残余变形为0．2％时所对应的载荷值为屈服载荷P0．2。

条件屈服点的计算式为：

（3）试验条件

加载速度对屈服极限有影响，一般加载速度增高时，σs也增高。为了保证所测性能的准确性，一般规定拉伸速度为：

①屈服前，应力增加的速度为1（N／mm2）·s－1。

②屈服后，试验机活动夹头移动速度不大于0．5L／min。

3．强度极限的测定

根据国家标准规定：向试样连续施加载荷直至拉断。 由测力度盘或拉伸曲线上读出最大载荷值Pmax。抗力强度的计算式为：

4．塑性指标的测定

塑性是指断裂前材料发生塑性变形的能力。 塑性的量值是以断裂后的塑性变形的大小来度量。 拉伸时的塑性指标，通常以拉断时残余相对伸长δ表示，称为伸长率，以及断裂时截面相对收缩ψ表示，称为截面收缩率。

（1）伸长率的测定

先在试样的标距长度l0内，用画线器刻画等间距的标点或圆周细线10格。每格间距：长试样为10mm，短试样为5mm。 作为拉断后测量应为之用。

断后标距部分长度l1的量测：将试样拉断后的两段，在断口处紧密对齐，尽量使它们的轴线位于同一直线上，按下述方法量测l1：

①直线法：如断口到邻近的标距端点（或端线）的距离大于l0／3时，不可直接量测两端点（线）间的距离l1。

②移位法：如断口到邻近的标距端点（线）的距离小于或等于l0／3时，需移位换算。移位换算方法如下：

在试样的长段上，如图1．4所示，从断口“O”处截面取基本等于短段的格数，得到B点（即令OB＝OA）。 接着如图1．4（a）所示，长段的其余格数为偶数时，则取其一半得C点，于是

l1＝OA＋OB＋2BC

如图1．4（b）所示，长段其余格数为奇数时，则分别取其减1加与加1的一半得C与C1两点，于是

l1＝AO＋OB＋BC＋BC1

伸长率的计算式为：

短、长比例试样的伸长率，分别用δ5和δ10表示。

图1．4 移位法

（2）截面收缩率的测定

圆形试样拉断后，在颈缩最小处的两个互相垂直方向上量测其直径，以二者的算术平均值，计算颈缩处最小横截面积A1；板状试样的断口如图1．5所示，用颈缩处最大宽度b1乘以最小厚度a1算得断面截面积A1。

截面收缩率的计算式为：

图1．5 板状试样的断口图

（3）测量精度和结果处理

按技术标准规定，所量测的量具都应达到3位有效数字的精度，计算结果应以3位有效数字表达。

如不符合国家规定，断裂在标距端线上或标距端线外，或两个及两个以上的颈缩等情况，实验无效。

5．拉伸试样

拉伸试样的形状，通常有圆形试样和板状试样两种。 在标准中曾规定的“标准圆形试样”（见图1．6）尺寸为：

d0＝20mm，l0＝200mm，即l0＝10d0，称长试样；

d0＝20mm，l0＝100mm，即l0＝5d0，称短试样。

图1．6

试样标距部分直径d0的允许偏差为±0．2。试样标距长度内最大与最小直径的允许差值为0．05。

l＝l0＋10mm，最小R＝3mm。

试样头部的形状及尺寸，可按材料和试验机的夹具等条件自行设计。

四、实验步骤

1．测量试样直径

在试样标距长度的两端和中间3处用千分尺量测直径，为了消除截面椭圆度的误差，应在每处以相互垂直的方向量测，取算术平均值。 在强度计算时，考虑试样从最薄弱处开始破坏，应取3处平均直径中的最小直径。 测量精度至少达到0．02mm。

2．试样画线

为了观察低碳钢试样拉断后的变形分布情况，在试样的标距长度内，用画线器等间距画10格。 如长试样间距为10mm，短试样则为5mm。 铸铁试样不必画线。

3．试验机的准备工作

①选择测力度盘，配置相应的砝码，将试验机的测力指针调到零位。

②安装试样。

③调整载荷位移记录机构。

4．检查和试车

在教师检查、允许下，以手动或缓慢加载试车，观察测力机构、绘图机构运行是否正常。 然后卸载，使测力指针接近回零，将试验机处于待令工作状态。

5．实验测试

加载人员集中精力，手动或慢速机动操作试验机，使试样受到均匀、缓慢的载荷而变形。

注意观察试样、观察测力指针和记录图在拉伸过程中的全部现象，尤其低碳钢试样在屈服时其表面的变化，测力指针的摆动和记录图的形状；记下指针停止转动时的恒定值或第一次回转的最小值，为屈服载荷Ps，临近颈缩时试样表面的变化，颈缩现象，直到试样断裂，记录指针的最大载荷Pmax，取下试样，观察和分析试样断口，以及考察物理现象。

取下记录曲线图，实验完毕，将试验机各机构恢复原位。

6．测量低碳钢断裂试样

五、注意事项

①临开机前，必须仔细检查，排除遗漏和失误。 在老师同意的情况下才开动试验机。

②开始加载要缓慢，特别是油压试验机，防止油门开得过大，引起载荷冲击突出，容易造成事故。

③试样安装必须正确，防止偏斜和夹入过短。

④运行时，如发现异常（如声音、气味或机构失灵等），应立即停车，排除故障。

六、思考题

①如何读取实验过程中的屈服载荷Ps？

②什么是条件屈服点？

③简述长试样与短试样的区别。

④实验过程中加载速度对实验结果有无影响？