低碳钢、铸铁、铝合金拉伸试验..pdf

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1、三种金属材料的拉伸性能实验报告三种金属材料的拉伸性能实验报告一、实验目的一、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、二、实验设备及原理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

2、。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，

3、再移动下夹头到适当位置，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、实验数据四、实验数据1.1.基本变形数据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）8.2410.1010.10原始标距（mm）50.0050.0050.00初始拉力（N）100200200拉伸速度断后直径（mm/min）（mm）2217.606.0010.

4、00断后标距（mm）59.7270.8050.10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l 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：AL=19.44%AL=14.93%低碳钢的延伸率及截面收缩率为：S=41.60%S=64.71%铸铁的延伸率及截面收缩率几乎为零，可以忽略。2.2.弹性模量与极限应力弹性模量与极限应力（1 1）铝合金的力学参数测量）铝合金的力学参数测量经过 MATLAB

5、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：BAL=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)(2)低碳钢的力学参数测量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

6、验时，可利用万能材料试验机的自动绘图装置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

7、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：SS=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：BS=384.48MPa（3 3）铸铁的力学参数测量）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

8、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：BIR=268.81Mpa图 5铸铁拉伸载荷位移曲线五、实验结果分析五、实验结果分析1.1.铝合金拉伸断裂结果分析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

9、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。2.2.低碳钢的拉伸断裂结果分析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 150Mp

10、a 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3.3.铸铁的拉伸断裂实验结果分析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，20092.范天佑 断裂理论基础北京，科学出版社，20033.张行、崔德渝、刘森断裂力学北京，宇航出版社，1990