低碳钢拉伸试验介绍

一、低碳钢拉伸试验目的

• 1、通过观察低碳钢在拉伸时的各种现象，并测定低碳钢在拉伸时的屈服极限σ_s ,强度极限σ_b ,延伸率δ和断面收缩率ψ 。
• 1、 学习、掌握电子万能试验机的使用方法及其工作原理。
• 3、试验中要注意观察试样受力和变形两者间的相互关系,并注意观察材料的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象。测定该试样所代表材料的F_S、F_b和Δl等值。

二、低碳钢拉伸试验仪器设备和量具

50KN万能材料试验机，单向引伸计，钢板尺，游标卡尺。

三、试件制备

实验证明，试件尺寸和形状对实验结果有影响。为了便于比较各种材料的机械性能，国家标准中对试件的尺寸和形状有统一规定。根据国家标准，（GB6397-86），将金属拉伸比例试件的尺寸列表如下： 

本实验的拉伸试件采用国家标准中规定的长比例试件(图2－1),实验段直径d₀=10mm ,标距l₀=100mm 

图2-1低碳钢拉伸试件

四、低碳钢拉伸试验原理和方法

在拉伸实验前，测定低碳钢试件的直径d₀和标距ld₀。实验时，首先将试件安装在实验机的上、下夹头内，并在实验段的标记处安装引伸仪，以测量实验段的变形。然后开动实验机，缓慢加载，与万能材料试验机相联的电脑会自动绘制出载荷-变形曲线（F—Δl曲线，见图2－2）或应力-应变曲线（σ—ε曲线，见图2－3），随着载荷的逐渐增大，材料呈现出不同的力学性能：

图2-2 F—Δl曲线

图2-3 σ—ε曲线

4.1 低碳钢拉伸曲线分析

4.1.1、弹性阶段（Ob段）

在拉伸的初始阶段， σ—ε曲线曲线（Oa段）为一直线，说明应力与应变成正比，即满足胡克定理，此阶段称为线形阶段。线性段的ZUI高点称为材料的比例极限（σ_p），线性段的直线斜率即为材料的弹性摸量E。

线性阶段后， σ—ε曲线不为直线（ab段），应力应变不再成正比，但若在整个弹性阶段卸载，应力应变曲线会沿原曲线返回，载荷卸到零时，变形也完全消失。卸载后变形能完全消失的应力ZUI大点称为材料的弹性极限（σ_e），一般对于钢等许多材料，其弹性极限与比例极限非常接近。

4.1.2、屈服阶段（bc段）

超过弹性阶段后，应力几乎不变，只是在某一微小范围内上下波动，而应变却急剧增长，这种现象成为屈服。使材料发生屈服的应力称为屈服应力或屈服极限（σ_s ）。

当材料屈服时，如果用砂纸将试件表面打磨，会发现试件表面呈现出与轴线成45°斜纹。这是由于试件的45°斜截面上作用有ZUI大切应力，这些斜纹是由于材料沿ZUI大切应力作用面产生滑移所造成的，故称为滑移线。

4.1.3、硬化阶段（ce段）

经过屈服阶段后，应力应变曲线呈现曲线上升趋势，这说明材料的抗变形能力又增强了，这种现象称为应变硬化。

若在此阶段卸载，则卸载过程的应力应变曲线为一条斜线（如d-d‘斜线），其斜率与比例阶段的直线段斜率大致相等。当载荷卸载到零时，变形并未完全消失，应力减小至零时残留的应变称为塑性应变或残余应变，相应地应力减小至零时消失的应变称为弹性应变。卸载完之后，立即再加载，则加载时的应力应变关系基本上沿卸载时的直线变化。因此，如果将卸载后已有塑性变形的试样重新进行拉伸实验，其比例极限或弹性极限将得到提高，这一现象称为冷作硬化。

在硬化阶段应力应变曲线存在一ZUI高点，该ZUI高点对应的应力称为材料的强度极限（σ_b），强度极限所对应的载荷为试件所能承受的ZUI大载荷F_b。

4.1.4、颈缩阶段（ef段）

试样拉伸达到强度极限σ_b之前，在标距范围内的变形是均匀的。当应力增大至强度极限f之后，试样出现局部显著收缩，这一现象称为颈缩。颈缩出现后，使试件继续变形所需载荷减小，故应力应变曲线呈现下降趋势，直至ZUI后在f点断裂。试样的断裂位置处于颈缩处，断口形状呈杯状，这说明引起试样破坏的原因不仅有拉应力还有切应力。

五、低碳钢拉伸试验步骤

5.1试验前准备步骤

• 1、依次打开计算机、变压器，并按下主机外罩上的“复位”按钮启动试验机。
• 2、双击桌面上的试验软件图标，进入软件操作系统。
• 3、点击“试验操作”，打开实验操作界面，做拉伸试验时，在软件操作系统的“控制面板”上选取“拉向”。
• 4、用游标卡尺测量试样的直径和标距，并记录。在试件的标距范围内测量试件三个横截面处的截面直径，在每个截面上分别取两个相互垂直的方向各测量一次直径。取六次测量的平均值做为原始直径d₀，并据此计算试件的横截面面积A₀ 。测量标距时，要用游标卡尺测量三次，并取三次测量结果的平均值作为试件的原始长度l₀。

5.2做试验

• ⑴ 装夹拉伸试样。通过试验机的“上升”、“下降”按钮把横梁调整到方便装试件的位置，再把上钳口松开，夹紧试样的上端；
• ⑵ 使横梁下降，当试样能够夹在下钳口时，停止；
• ⑶ 在实验操作界面上把负荷、峰值、变形、位移、时间清零，夹紧下钳口；
• ⑷ 在“控制面板”上选择“位移控制”，采用0.2mm/min的速度使横梁下降，消除预紧力，使负荷变为零；
• ⑸ 装夹引伸计，并检查引伸计是否已正确连接到计算机主机的端口上；加载速度选0.5mm/min；
• ⑹ 单击“新建试样”按钮，输入试件的有关信息，包括直径（或长、宽）、标距，然后点击“新建试样” 按钮，再点击“确认”。
• ⑺ 再次把负荷、峰值、变形、位移、时间等各项分别清零。
• ⑻ 单击“位移方式”，切换为“取引伸计”模式。在取引伸计模式下，点击“开始”按钮，开始实验。当试件即将进入屈服阶段时，屏幕会弹出对话框提示取下引伸计，此时要迅速取下引伸计。因为此后试件将进入屈服阶段，在载荷—变形图上将看到一个很长的波泿形曲线（表明试件处于流塑阶段），应力变化不大，但应变大大增加。如果不取下引伸计，引伸计将被拉坏。接着材料进入强化阶段，可将加载速度调至5mm/min，继续实验直至试样拉断。在实验过程中，注意观察屈服（流动）、强化，卸载规律、颈缩、断裂等现象。
• ⑼ 试样拉断后，立即按“停止”按钮。然后点取“保存数据” 按钮，保存试验数据。取下试样，先将两段试件沿断口整齐地对拢，量取并记录拉断后两标距点之间的长度l₁，及断口处ZUI小的直径d₁，并计算断后面积。
• ⑽ 数据处理。单击菜单栏中的“试验分析”，并在相应的对话中选择需要计算的项目。然后单击“自动计算”。需要打印时单击“试验报告”按钮，把需要输出的选项移到右侧的空白框内，在曲线类型栏中选择应力---应变曲线，单击“确定”铵钮后打印试验报告。

六、低碳钢拉伸试验结果处理

记录试件的屈服抗力F_s和ZUI大抗力F_b。试件断裂后，测量断口处的ZUI小直径d₁和标距间的距离l₁。依据测得的实验数据，计算低碳钢材料的强度指标和塑性指标。

6.1、低碳钢强度指标

屈服极限：σ_s=F_s/A₀ 其中，A₀=πd²₀/4

强度极限：σ_b=F_b/A₀·δ

6.2、低碳钢塑性指标

延伸率：δ₁₀=（l₁-l₀/l₀）100%

断面收缩率：ψ==（A₁-A₀/A₀）100%

七、低碳钢简要介绍

7.1、低碳钢概念

什么是低碳钢?低碳钢(low carbon steel)又称软钢，是碳含量小于0.30%的非合金钢。低碳钢因其强度低、硬度低而软，故又称软钢。它包括大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢，大多不经热处理用于工程结构件，有的经渗碳和其他热处理用于要求耐磨的机械零件。

7.2、低碳钢特点

低碳钢退火组织为铁素体和少量珠光体，其强度和硬度较低，塑性和韧性较好。因此，其冷成形性良好可采用卷边、折弯、冲压等方法进行冷成形。这种钢材具有良好的焊接性。碳含量很低的低碳钢硬度很低，切削加工性不佳，正火处理可以改善其切削加工性。

低碳钢有较大的时效倾向，既有淬火时效倾向，还有形变时效倾向。当钢从高温较快冷却时，铁素体刮碳、氮过饱和，它在常温也能缓慢地形成铁的碳氮物，因而钢的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低，这种现象称为淬火时效。低碳钢即使不淬火而空冷也会产生时效。低碳钢经形变产生大量位错，铁素体中自碳、氮原子与位错发生弹性交互作用，碳、氮原子聚集在位错线周围。这种碳、氮原子与位错线的结合体称岁柯氏气团(柯垂耳气团)。它会使钢的强度和硬度提高而塑性和韧性降低，这种现象称为形变时效。形变时要比淬火时效对低碳钢的塑性和韧性有更大的危害性，在低碳钢的拉伸曲线上有明显的上、下两个屈服点。自上屈服点出现直到屈服延伸结束，在试样表面出现由于不均匀变形而形成的表面皱褶带，称为吕德斯带。不少冲压件往往因此而报废。其防止方法有两种。一种高预形变法，预形变的钢放置一段时间后冲压时也会产生吕德斯带，因此预形变的钢在冲压之前放置时间不宜过长。另一种是钢中加入铝或钛，使其与氮形成稳定的化合物，防止形成柯氏气团引起的形变时效。

7.3、低碳钢的用途

低碳钢一般轧成角钢、槽钢、工字钢、钢管、钢带或钢板，用于制作各种建筑构件、容器、箱体、炉体和农机具等。优质低碳钢轧成薄板，制作汽车驾驶室、发动机罩等深冲制品；还轧成棒材，用于制作强度要求不高的机械零件。含碳量从0.10%至0.30%低碳钢易于接受各种加工如锻造，焊接和切削， 常用於制造链条， 铆钉， 螺栓， 轴等。 低碳钢在使用前一般不经热处理，碳含量在0.15%以上的经渗碳或氰化处理，用于要求表层温度高、耐磨性好的轴、轴套、链轮等零件。

7.4、低碳钢的力学特性

低碳钢为塑性材料.开始时遵守胡克定律沿直线上升，比例极限以后变形加快，但无明显屈服阶段。相反地，图形逐渐向上弯曲。这是因为在过了比例极限后，随着塑性变形的迅速增长，而试件的横截面积逐渐增大，因而承受的载荷也随之增大。