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拉伸实验

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   拉伸试验
  一、目的
  1、    测定低碳钢的屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ和断面收缩率ψ;
  2、    测定铸铁的强度极限σb;
  3、    观察拉伸过程中的各种现象(屈服、强化、颈缩、断裂特征等),并绘制拉伸图(P-ΔL曲线);
  4、    比较塑性材料和脆性材料力学性质特点。
  二、原理
  将划好刻度线的标准试件,安装于万能试验机的上下夹头内。开启试验机,由于油压作用,便带动活动平台上升。因下夹头和蜗杆相连,一般固定不动。上夹头在活动平台里,当活动平台上升时,试件便受到拉力作用,产生拉伸变形。变形的大小可由引伸仪测得,力的大小通过指针直接从测力度盘读出,P—ΔL曲线可以从自动绘图器上得到。
  低碳钢是典型的塑性材料,试样依次经过弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段,其中前三个阶段是均匀变形的。
  用试验机的自动绘图器绘出低碳钢和铸铁的拉伸图(如图3—1)。对于低碳钢试件,在比例极限内,力与变形成线性关系,拉伸图上是一段斜直线(试件开始受力时,头部在夹头内有一点点滑动,故拉伸图最初一段是曲线)。
  低碳钢的屈服阶段在试验机上表现为测力指针来回摆动,而拉伸图上则绘出一段锯齿形线,出现上下两个屈服荷载。对应于B′点的为上屈服荷载。上屈服荷载受试件变形速度和表面加工的影响,而下屈服荷载则比较稳定,所以工程上均以下屈服荷载作为计算材料的屈服极限。屈服极限是材料力学性能的一个重要指标,确定Ps时,须缓慢而均匀地使试件变形,仔细观察。
             
 
  试件拉伸达到最大荷载Pb以前,在标距范围内的变形是均匀分布的。从最大载荷开始便产生局部伸长的颈缩现象;这时截面急剧减小,继续拉伸所需的载荷也减小了。试验时应把测力指针的副针(从动针)与主动针重合,一旦达到最大荷载时,主动针后退,而副针则停留在载荷最大的刻度上,副针指示的读数为最大载荷Pb 。
  铸铁试件在变形极小时,就达到最大载荷Pb,而突然发生断裂。没有屈服和颈缩现象,是典型的脆性材料(拉伸曲线见图3—1)。
  三、仪器设备
  1.液压式万能试验机、2.划线器、3.游标卡尺。
  四、试件
  试件一般制成圆形或矩形截面,圆形截面形状如图3—2所示,试件中段用于测量拉伸变形,此段的长度L0称为“标距”。两端较粗部分是头部,为装入试验机夹头内部分,试件头部形状视试验机夹头要求而定,可制成圆柱形(图3—2a)、阶梯形(图3—2b)、螺纹形(图3—2c)。
    
  试验表明,试件的尺寸和形状对试验结果会有影响。为了避免这种影响,便于各种材料力学性能的数值互相比较,所以对试件的尺寸和形状国家都有统一规定,即所谓“标准试件”,其形状尺寸的详细规定参阅国家标准《金属拉伸试验试样》GB/T6397—1986。标准试件的直径为d0,则标距L0=10d0或L0=5d0,d0一般取10mm或20mm。矩形截面试件标距L与横截面面积A的比例为         
  五、低碳钢的拉伸试验步骤
  1、测量试件尺寸
  用游标卡尺在试件标距长度L0范围内,测量两端及中间等三处截面的直径d0 ,在每一处截面垂直交叉各测量一次,三处共需测量六次。取三处中最小一处之平均直径d0作为计算截面面积A0之用(要求测量精度精确到0.02mm)。
  在试件的标距长度内,用划线器划出100mm的两根端线作为试件的原长L0
  2、选择度盘:根据试件截面尺寸估算最大荷载(Pmax=A0×σb),并选择合适的测力度盘。配置好相应的砣(摆锤),调节好相应回油缓冲器的刻度。
  3、指针调零:打开电源,按下(绿色) 油泵启动按钮,关闭回油阀(手感关好即可,不用拧得太紧),打开进油阀(开始时工作油缸里可能没有液压油,需要开大一些油量,以便压力油快速进入工作油缸,使活动平台加速上升)。当活动平台上升5~10mm左右,便关闭进油阀(如果活动平台已在升起的合适位置时,则不必先打开进油阀,仅将进油阀关好即可;如果活动平台升得过高,试件无法装夹,则需打开回油阀,将活动平台降到合适的位置并关好即可)。移动平衡锤使摆杆保持铅垂(铅垂的标准是摆杆右侧面和标示牌的刻画线对齐重合)。然后轻轻地旋转螺杆使主动针对准度盘上的零点,并轻轻按下测力度盘中间的从动针拨钩拨动从动针与主动针靠拢,并使从动针靠在主动针的右边。同时调整好自动绘图器,装好纸和笔并打下绘图笔。
  4、安装试件:
  先将试件安装在试验机上夹头内,再开动下夹头升降电机(或转动下夹头升降手轮)使其达到适当的位置,然后把试件下端夹紧,夹头应夹住试件全部头部。
  5、检查:
  先请指导教师检查以上步骤完成情况,并经准许后方可进行下步实验。
  6、进行试验:
  用慢速加载(一般进油阀顺手转2~3下,即1圈左右),缓慢均匀地使试件产生变形。当指针转动较快时,关小一些进油量,指针转动较慢时,增大一些进油量。
  7、在试件受拉的过程中注意观察测力指针的转动和自动绘图器上的P—△L曲线的轨迹。当测力指针倒退时(有时表现为指针来回摆动,说明材料已进入屈服阶段,注意观察屈服现象,此时不要增加油量也不要减少油量,让材料慢慢屈服,并抓住时机,记录屈服时的最小载荷Ps(下屈服点),也就是指针来回摆动时的最小值。
  8、当主动针开始带动从动针往前走,说明材料已过屈服阶段,并进入强化阶段。这时可以适当的再增大一些进油量,即用快一点的速度加载。在载荷未达到强度极限之前把载荷全部卸掉,重新加载以观察冷作硬化现象,继续加载直至试件断裂。在试件断裂前,注意指针移动,当主动针往回走,此时材料已进入颈缩阶段,注意观察试件颈缩现象,这时可以适当地减少一些进油量。当听到断裂声时,立即关闭进油阀,并记录从动针指示的最大载荷Pb 。
  9、结束工作
  取下试件,并关闭电源。将试件重新对接好。用游标卡尺测量断后标距长L1(即断后的两个标记刻画线之间的距离)。和断口处的直径d1。(在断口处两个互相垂直方向各测量一次),最后观察断口形状和自动绘图器上的拉伸曲线图是否与理论相符。
  注意事项:
  (1)试件夹紧后,不得再开动下夹头的升降电机。否则要烧坏电机。
  (2)开始加载要缓慢,防止油门开得过大,引起载荷冲击突然增加,造成事故。
  (3)进行试验时,必须专人负责,坚守岗位,如发生机器声音异常,立即停机。
  (4)试验结束后,切记关闭进油阀,取下试件,打开回油阀, 并关闭电源。
  六、铸铁的拉伸试验
  试验步骤与低碳钢基本相同,但拉伸图没有明显的四个阶段,只有破坏荷载Pb,而且数值较小,变形也不大。因此加载时速度一定要慢,进油阀不要开得过大,断裂前没有任何预兆,突然断裂,是典型的脆性材料。最后观察断口形状和自动绘图器上的拉伸曲线图是否与理论相符。其断口形状与低碳钢有何不同。
  请教师检查试验记录。
  七、数据处理
  根据材料的屈服载荷Ps和最大载荷Pb,计算屈服极限σs和强度极限σb;
  
  根据试件试验前后标距长度及断面面积计算:
  
  八、思考题
  1、从试件的破坏断口及其拉伸图上,反应了两种材料的哪些异同?为什么将低碳钢的极限应力σjx定为σs,而将铸铁的定为σb?
 
 
 

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