低碳钢拉伸破坏实验

1.1 实验目的

[1]测定低碳钢材料屈服极限σ_s、强度极限σ_b、伸长率δ、面积收缩率ψ 。

[2]观察分析低碳钢拉伸过程中的各阶段变化规律及出现的屈服、强化、颈缩现象，并绘制

拉伸图。

[3]了解材料试验机的结构原理，并能正确独立的操作使用。

[4]比较低碳钢材料在拉伸过程中机械性能的特点和断口形貌。

1.2 实验内容和原理

低碳钢是典型的塑性材料。从拉伸到断裂，试验机的自动绘图装置可以直接绘制出

拉伸曲线图，即P-ΔL图，如图1-1所示。为消除尺寸影响，P-ΔL图的纵、横坐标分别被试

样原始面积A₀和计算长度L₀除，得到材料的应力-应变曲线图，即б-ε图，如图1-2所示。

由应力－应变曲线可见，低碳钢拉伸实验的整个过程，大致可分为四个阶段，其特点

略述如下：

[1]线弹性阶段：拉伸曲线中OA段表示材料的线弹性阶段。在此阶段中，试样的变形随着

载荷的增大而增大，两者成线性关系。当载荷从某一数值开始下降时，变形量也随着

这一比例下降，载荷降到零时，变形也随之降为零。即变形量消失，这说明在这

一阶段中，变形是弹性变形，无任何残余变形（塑性变形）。此阶段中材料的应

与应变关系呈线性关系，即：

式中：E为材料的拉压弹性模量。公式（1－1）称为拉压虎克定律。与斜直线OA的终

点相对应的应力值 ，称为材料的比例极限。

[2]屈服阶段：当载荷增加到一定数值时，在低碳钢的拉伸曲线上出现水平平台或锯齿现

象。这种载荷保持不变或在一定范围内波动，而变形继续增加的现象称为屈服现象。材

料屈服时的应力称为屈服极限,用σs表示。一些低碳钢材料存在上屈服极限和下屈服极

限。不加以说明，一般屈服极限都是指下屈服极限。下屈服极限是屈服阶段中应力的*

小值。在试验过程中一般可以通过指针读数法或图示法来确定屈服极限。材料屈服时，

变形包括弹性变形与塑性变形。如果试样表面非常光滑，可以看到与试样轴线约成45^o

斜线 ，这是由于该方向上存在*大剪应力τ造成的。

材料屈服时将产生不能消失的塑性变形，因此工程中将此定义为材料的破坏。所以，

屈服极限σs是表征材料抵抗破坏能力的重要强度指标之一。材料的屈服极限与载荷、

试样横截面积之间有如下关系

式中：P_S为屈服时的载荷值；A₀为试样的原始横截面积。

[3]强化阶段：拉伸曲线中的BC段表示材料的强化阶段。材料屈服后，抵抗变形的能力有

所增强。因此若使材料继续变形，就要不断增加载荷。在强化阶段如果卸载，弹性变

形会随之消失，但塑性变形将长久保留下来。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。

若卸载后重新加载，加载线与弹性阶段平行。重新加载后，材料的比例极限、屈服极

限明显提高，而塑性性能会相应下降。这种现象称之为形变硬化或冷作硬化。冷作硬

化是金属材料的重要宝贵性质之一。工程中利用冷作硬化工艺的例子很多，把钢筋预

拉超过屈服极限、构件表面进行喷丸处理等，均能提高材料屈服极限，亦即提高材料

抵抗破坏的能力。拉伸曲线*高点C点对应的载荷为材料的强度载荷，用P_b表示，此

时对应的应力称为强度极限或抗拉极限。材料的强度极限与强度载荷、试样横截面积

之间有如下关系

[4]颈缩阶段：拉伸曲线中的CD段表示材料的颈缩阶段。载荷达到*大值后，变形多集中

在局部，此处伸长和横向收缩的速度比其他地方要快，成为颈缩。由于颈缩使横截面

积减小，试样承载能力下降，*后导致断裂。断裂后试样的弹性变形消失，塑性变形将永远

保留在断裂的試样上。材料的塑性性能通常用伸长率δ和面积收缩率ψ来表示。并且

式中：L₀ 为试样原始计算长度；L₁ 为试样拉断后的计算长度；A₀为试样的原始横截面

积; A₁拉断后颈缩处*小横截面积。

断裂后拉伸试样示意图如图1－3所示。研究表明，低碳钢试样颈缩部分变形占总塑性变

形的80%左右，测定伸长率时，颈缩部分及其影响区的塑性变形都包含在L₁之内。试样的断

口如果在试样的附近，伸长率δ即按公式(1-4)计算。若断口在标距线以外则试验无效。

若断口在靠近端线的Lo/3范围内。那么颈缩影响区的变形将部分地落到标距之外，使L₁的长

度相对减少，从而影响δ的测定。为此要采用断口补偿法对L₁进行修正。修正的原则是：假

想断口置于标距的，而且断口两侧的变形基本对称。具体的测量方法是将破断试样的断

口紧紧地对拢，由于试样的标距试验前被 n 等分，显然长半部分大n/2格，而另半部分不足

n/2格，长半部分超出n/2格数正是另半部分缺少的格数。测量时，以长半部分的n/2格作为

端线，而另半部分不足n/2格的部分，用与长半部分对称的分进行补偿。具体测量方法如图

1-4所示。修正后L₁= a + b。L₁测出后即可按定义计算δ。

1.3 试验设备、工具

[1]液压材料试验机。

[2]游标卡尺。

1.4 試样的制备

按照横截面形状的不同，拉伸试样分为圆比例试样和板材比例试样两种。试样由工作部

分(或称平行长度部份)、圆弧过渡部分和夹持部分组成，如图1-5所示。图中，L 为平行长

度段的平行长度；Lo为有效工作长度，称为标距。对于圆形截面试样，要求L≥Lo +do,对

于矩截面试样，L≥Lo+bo/2。圆弧过渡要有适当的圆角和台阶，以减小应力集中，确保试

验过程中試样不会在该处断裂。试样两端的夹持部分用以传递拉伸载荷，其形状和尺寸要与

试验机的钳口夹块相匹配。一般对于直接用钳口夹紧的試样，其夹持部分的长度应不小于钳

口深度的3/4。工作部分的表面粗糙度应符合国家规定，以确保材料表面的单向应力状态。

大量试验结果表明，试样的形状和尺寸对试验结果有一定的影响。为了减少这种影响需

要按照统一规定制备试样。国标GB/T6397－1986给出了金属拉伸实验试样的加工标准。对

于比例试样的长度，标准中给出了长试样和短试样两种规定。对于圆比例试样规定:长试样

Lo=10do；短试样Lo=5do。对于板材比例试样规定:长试样 ；短试样

式中Lo为试样标距，Ao为试样初始横截面积。

低碳钢試样，在被拉断前一定要产生颈缩，而颈缩部分及其影响区的塑性变形在伸长率

中占很大比例。一种材料的伸长率不仅取决于材质，而且还取决于试样的标距。试样愈短，

局部变形所占的比例愈大，伸长率δ也就愈大。用标距为10倍直径试样测定的伸长率记做

δ10，用标距为5倍直径试样测定的伸长率记做δ5。国家标准推荐使用短比例试样。

1.5 实验方法、步骤

[1]用游标卡尺测量试样中间部位及两端等三处截面的直径，每一截面沿相互垂直的两个方

向测量，取试样直径*小的一处的平均值计算横截面积，用Ao表示。（试验机构造原理

见下图）

[2]试样的刻划：确定计算长度，并将标距分成10个等距离的格子，（长试样间距10mm，短

试样为5mm）以便观察试样变形分布情况和为断口移中作准备。

[3]装夹试样：先将试样夹在上夹头上，然后开动机器，使工作台上升10mm左右停机，按下

夹头升降开关，使下夹头达到装夹试样的合适位置，夹紧试样。

[4]选择试验机加载量程：根据试样材料强度极限，选择相应的测试量程。

[5]安装记录纸和绘图笔,调节试验机读数指示度盘，使主动针与从动针指零，落下记录笔。

准备完毕，可以加载试验。

[6]按下试验机启动按钮，并缓慢打开送油伐，观察示力度盘指针一旦转动，说明载荷加在

试样上。加载速度要求均匀缓慢而稳定，观察弹性现象、屈服现象、强化现象和颈缩现

象。当试样达到屈服极，度盘主动针停止不动或反复波动，立即记录载荷波动下限

*小值。并抓住时机观察试样表面。如试样表面加工时光洁度较高,在试样表面可以看

到45^o滑移线。屈服现象结束后，随着载荷不断增加，变形量增大，载荷达到*大时,主

动针回摆，试样表面局部出现颈缩，此时试样很快断裂，主动针返到零位，从动针保留

在此位置上，指示值为P_b。

[7]试样断裂后，切断电源，取下试样，按要求记录试验数据。

1.6 实验数据处理

试样断裂后，观察断口形貌，将断裂两端对在一起测量伸长量L₁和断口处*小直径以计

算*小横截面积Ao。之后按公式(1-2)-(1-5)

分别计算屈服极限、强度极限、伸长率、面积收缩率。