金属拉伸实验报告
【实验目得】
1、测定低碳钢得屈服强度 R Ｅ
h
、 R eL
及 R ｅ
、抗拉强度 R m
、断后伸长率 A 与断面收缩率 Ｚ 。
2、测定铸铁得抗拉强度
R m 与断后伸长率
A。
3、观察并分析两种材料在拉伸过程中得各种现象（包括屈服、强化、冷作硬化与颈缩等现象），并绘制拉伸图。
4、比较低碳钢（塑性材料）与铸铁
( 脆性材料）拉伸机械性能得特点。
【实验设备与器材】
1、电子万能试验机
WD-200Ｂ型
2、游标卡尺
3、电子引伸计
【实验原理概述】
为了便于比较实验结果
, 按国家标准
GＢ2２８— 7６中得有关规定 , 实验
材料要按上述标准做成比例试件
, 即：
圆形截面试件 :
Ｌ 0
=1０ｄ 0
( 长
试件）
式中 : L 0
-- 试件得初始计算长度
( 即试件得标距 ) ； ?
- —
试件得初始截面面积；
?
d ０
— - 试件在标距内得初始直径
?
实验
室里使用得金属拉伸试件通常制成标准圆形截面试件
, 如图 1 所示
图 1 拉伸试件
将试样安装在试验机得夹头中 , 然后开动试验机 , 使试样受到缓慢增加得拉力（应根据材料性能与试验目得确定拉伸速度 ) ，直到拉断为止 , 并利用试验机得自动绘图装置绘出材料得拉伸图 （图 2－2 所示）。应当指出，试验机自动绘图装置绘出得拉伸变形 L 主要就是整个试样（不只就是标距部分 ) 得伸长，还包括机器得弹性变形与试样在夹头中得滑动等因素。由于试样开始受力时 , 头部在夹
(a) 低碳钢拉伸曲线图
(b)
铸铁拉伸曲线图
图 2－ 2
由试验机绘图装置绘出得拉伸曲线图
头内得滑动较大，故绘出得拉伸图最初一段就是曲线。
１、低碳钢（典型得塑性材料
)
当拉力较小时，试样伸长量与力成正比增加 , 保持直线关系 , 拉力超过 F Ｐ 后拉伸曲线将由直变曲。
保持直线关系得最大拉力就就是材料比例极限得力值 F P
． 在Ｆ P
得上方附近有一点就是 Ｆ c
, 若拉力小于
F ｃ
而卸载时，卸载后试样立刻
恢复原状 , 若拉力大于
F c
后再卸载，则试件只能部分恢复
, 保留得残余变形即为
塑性变形 , 因而Ｆ ｃ
就是代表材料弹性极限得力值。
当拉力增加到一定程度时，试验机得示力指针
( 主动针 ) 开始摆动或停止不
动，拉伸图上出现锯齿状或平台 , 这说明此时试样所受得拉力几乎不变但变形却在继续 , 这种现象称为材料得屈服。低碳钢得屈服阶段常呈锯齿状 , 其上屈服点 B′受变形速度及试样形式等因素得影响较大，而下屈服点 B 则比较稳定（因此工程上常以其下屈服点 B 所对应得力值 F eL
作为材料屈服时得力值 ) 。确定屈服力值时 , 必须注意观察读数表盘上测力指针得转动情况 , 读取测力度盘指针首次回转前指示得最大力 F eH （上屈服荷载 ) 与不计初瞬时效应时屈服阶段中得最小力 F ｅ L （下屈服荷载
)
或首次停止转动指示得恒定力 F eL （下屈服荷载 ), 将其分别除以试样得原始横截
面积 (
Ｓ ０
）便可得到上屈服强度 R e Ｈ
与下屈服强 度Ｒ eＬ
。即
Ｒ eH = F
/ Ｓ 0 R = F / S 0
eH e L eL
屈服阶段过后 , 虽然变形仍继续增大 , 但力值也随之增加 , 拉伸曲线又继续上升，这说明材料又恢复了抵抗变形得能力， 这种现象称为材料得强化。在强化阶段内， 试样得变形主要就是塑性变形，比弹性阶段内试样得变形大得多 , 在达
图 2－ 3 低碳钢得冷作硬化
到最大力 F ｍ
之前 , 试样标距范围内得变形就是均
匀得，拉伸曲线就是一段平缓上升得曲线 , 这时可明显地瞧到整个试样得横向尺寸在缩小．此最大力 F ｍ
为材料得抗拉强度力值 , 由公式 R m =F m / S 0
即可得到材料得抗拉强度 R m 。
如果在材料得强化阶段内卸载后再加载， 直到试样拉断 , 则所得到得曲线如图 2－3 所示。卸载时曲线并不沿原拉伸曲线卸回 , 而就是沿近乎平行于弹性阶段得直线卸回 , 这说明卸载前试样中除了有塑性变形外，还有一部分弹性变形；卸载后再继续加载 , 曲线几乎沿卸载路径变化 , 然后继续强化变形 , 就像没有卸载一样 , 这种现象称为 材料得冷作硬化 。显然 , 冷作硬化提高了材料得比例极限与屈服极限，但材料得塑性却相应降低。
当荷载达到最大力 Ｆ ｍ 后，示力指针由最大力 F m
缓慢回转时 , 试样上某一部位开始产生局部伸长与颈缩 , 在颈缩发生部位 , 横截面面积急剧缩小 , 继续拉伸所需得力也迅速减小 , 拉伸曲线开始下降 , 直至试样断裂。此时通过测量试样断裂后得标距长度 Ｌ ｕ
与断口处最小直径 d u
, 计算断后最小截面积（ S u ), 由计算公式
、
即可得到试样得断后伸长率
Ａ与断面收缩率
Z.
2、铸铁 ( 典型得脆性材料）
脆性材料就是指断后伸长率 A＜ 5% 得材料 , 其从开始承受拉力直至试样被 拉断 ,
变形都很小。而且 ,
大多数脆性材料在拉伸时得应力 - 应变曲线上都没有明 显得直线段 , 几乎没有塑性变形，也不会出现屈服与颈缩等现象 ( 如图
2－2b 所 示 ) ，只有断裂时得应力值
- —强度极限。
F m 而突然发生断裂 , 其抗 铸铁试样在承受拉力、变形极小时，就达到最大力
拉强度也远小于低碳钢得抗拉强度 . 同样，由公式Ｒ ｍ =F / Ｓ 0 即可得到其抗拉 强度 R ｍ 而由公式
则可求得其断后伸长率
A
m
,
.
【实验步骤】
一、低碳钢拉伸试验
1、试样准备 ：
为了便于观察标距范围内沿轴向得变形情况 , 用试样分划器或标距仪在试样标距 L 0
范围内每隔５ mm 刻划一标记点 ( 注意标记刻划不应影响试样断裂 ) ，将试样得标距段分成十等份 . 用游标卡尺测量标距两端与中间三个横截面处得直径 , 在每一横截面处沿相互垂直得两个方向各测一次取其平均值 , 用三个平均值中最小者计算试样得原始横截面积 S 0 ( 计算时 S 0
应至少保留四位有效数字 ) 。
2、试验机准备 :
根据低碳钢得抗拉强度 R m 与试样得原始横截面积 S 0
估计试验所需得最大荷载 , 并据此选择合适得量程， 配上相应得砝码砣 , 做好试验机得调零 ( 注意 : 应消除试验机工作平台得自重 ) 、安装绘图纸笔等准备工作。
3、装夹试样 :
先将试样安装在试验机得上夹头内
, 再移动试验机得下夹头（或工作平台、
或试验机横梁 ) 使其达到适当位置 , 并把试样下端夹紧 ( 注意：应尽量将试样得夹持段全部夹在夹头内， 并且上下要对称。
完成此步操作时切忌在装夹试样时对试样加上了荷载）。
4、装载电子引伸计 :
将电子引伸计装载在低碳钢试样上
, 注意电子引伸计要在比例极限处卸载。
5、进行试验：
开动试验机使之缓慢匀速加载
( 依据规范要求，在屈服前以
6～60 MPａ /s 得
速率加载 ), 并注意观察示力指针得转动、自动绘图得情况与相应得试验现象 . 当 主动针不动或倒退时说明材料开始屈服
,
记录上屈服点 FeＨ
（主动针首次回转前得 最大力 ) 与下屈服点 F eL ( 屈服过程中不计初始瞬时效应时得最小力或主动针首次停止转动得恒定力 ) ，具体情况如图 2－4 所示 ( 说明 : 前所给出得加载速率就是国标中规定得测定上屈服点时应采用得速率，在测定下屈服点时 , 平行长度内得应变速率应在 0、00025～ 0、 0０25∕s 之间 , 并应尽可能保持恒定。如果不能直接控制这一速率，则应固定屈服开始前得应力速率直至屈服阶段完成）
.
图 2－ 4
屈服荷载得确定
根据国标规定 , 材料屈服过后 , 试验机得速率应使试样平行长度内得应变速率不超过 0、008／s。在此条件下继续加载 , 并注意观察主动针得转动、自动绘图得情况与相应得试验现象 ( 强化、冷作硬化与颈缩等现象——在强化阶段得任
一位置卸载后再加载进
行冷作硬化现象得观察；
此后 , 待主动针再次停止
转动而缓慢回转时
, 材料
进入颈缩阶段
, 注意观察
试样得颈缩现象 ), 直至
试样断裂停车。记录所加
得最大荷载 F m
从动针最
(
后停留得位置 ) 。
６、试样断后尺寸测
定 :
取出试样断体，观察
断口情况与位置。将试样
在断裂处紧密对接在一
起，并尽量使其轴线处于 图 2－5 移位法测量
L
同一直线上 , 测量断后标
u
距 L u
与颈处得最小直径
ｄ u （应沿相互垂直得两个方向各测一次取其平均值）
, 计算断后最小横截面积 S ｕ 。
注意 :
在测定Ｌ u
时 ,
若断口到最临近标距端点得距离不小于
1/3 L 0 ，则直接测 量标距两端点得距离； 若断口到最临近标距端点得距离小于 1/ ３L ０ , 则按图２－ 5 所示得移位法测定：
符合图
(a) 情况得
, Ｌ u AＣ BC 符合图 ( ｂ）情况得 , L u A =
+ ,
=
Ｃ １
+Ｂ C；若断口非常靠近试样两端，而其到最临近标距端点得距离还不足两等份，且测得得断后伸长率小于规定值 , 则试验结果无效，必须重做。此时应检查试样得质量与夹具得工作状况 , 以判断就是否属于偶然情况。
７、归整实验设备：
取下绘记录图纸， 请教师检查试验记录， 经认可后清理试验现场与所用仪器设备 , 并将所用得仪器设备全部恢复原状．
二、铸铁拉伸试验
1、测量试样原始尺寸：
测量方法要求同前 , 但只用快干墨水或带色涂料标出两标距端点 , 不用等分标距段。
２、试验机准备：（要求同前 ) 。
3、安装试样 : ( 方法同前 ) 。
4、检查试验机工作就是否正常
: ( 检查同前 , 但勿需试车 ) 。
5、进行试验 :
开动试验机，保持试验机两夹头在力作用下得分离速率使试样平行长度内得应变速率不超过 0、008/ ｓ得条件下对试样进行缓慢加载 , 直至试样断裂为止 . 停
机并记录最大力
F m 。
6、试样断后尺寸测定 :
取出试样断体 , 观察断口情况。然后将试样在断裂处紧密对接在一起 , 并尽量使其轴线处于同一直线上 , 测量试样断后标距 L u （直接用游标卡尺测量标距两端点得距离 ) 。
７、归整实验设备 :
取下绘记录图纸 , 请教师检查试验记录，经认可后清理试验现场与所用仪器设备 , 并将所使用得仪器设备全部复原。
８、结束试验 【实验记录】
表 2 － 1 、试样原始尺寸
直 径 ｄ 0
原始横截
标 距
/mm
材 料
截面 I
截面Ｉ I
截面 III
面面积
S 0 L 0
/mm
2
１
2 平均 1 ２ 平均
1
２ 平均 ／ mm
1０、 10、0 10、 0
１0、
低碳钢 100、 0 ００ ０ ０ 10 、 00 10 、 00 ０0 10 、 00 10 、 00 10 、 00 ７８、 54 铸 铁 100、 0 1 ０、
1 ０、
10 、
0 １ 0 、
10 、０
10 、
0 10 、 00
1 ０、
10 、
0 ７８、 54
００ ０0 ０ 00 0 ０
００ ０
表２－２、试验数据记录
单位 :K Ｎ
材
料 上屈服荷载 Ｆ eH 下屈服荷载 Ｆ eＬ 屈服荷载 Ｆ ｅ 最大荷载
F
m 低 碳 钢
２8、56
2 ５、
9 ９ 25、９ 9 35、87 铸
铁
╱
╱
╱
1 ３、
2 １
表２ -3
、试样断后尺寸
u 断后伸长
断后缩颈处最小直径 ｄ u /mｍ 断后最小横截 材 料 标 距 L /
ｍm L u －
L ０
/ ｍｍ
1
2
平均 面积 S u /m ｍ 2 低碳钢 1０ 0、 0 2４、１ 6
5、700 5、700
5、７０ 0 2 ５、
52 铸
铁
１ 0 ０、 0 10 、 0 ６
╱
╱
╱
╱
【数据处理】
由实验报告机提供得实验数据，有低碳钢与铸铁上屈服强度
, 下屈服强度 ,
抗拉强度，计算公式如下
:
低碳钢得上屈服强度
:
低碳钢得下屈服强度：
低碳钢得抗拉强度 :
低碳钢得断后伸长率：
低碳钢得断面收缩率
:
铸铁得抗拉强度 :
铸铁得断后伸长率 : 低碳钢得端口发生在第五格与第六格之间 , 符合实验要求故实验数据处理结果如下表：
上屈服强度 下屈服强度 抗拉强度 断后伸长率 断面收缩率 材 料
R e Ｈ
/ ＧＰ
a R ｅ
L ／Ｇ
Pa R m /GP ａ /% Ψ
/% 低碳钢 0、３ 636 0、３ 30９ 0、４ 56７ ２ 4 、１ 6 67 、
5 １ 铸
铁 ╱ ╱ ０、1６82 10、06 ╱ 绘制 σ -
ε 简图以及端口形状
断口形状 :
【实验讨论】
1、什么叫比例试样 ?它应满足什么条件 ?国家为什么要对试样得形状、 尺寸、公差与表面粗糙度等做出相应得规定？
答: 拉力试件分为比例试件与非比例试件。比例试件得标距长度与横截面积之间具有如下关
系:
，常数ｋ通常为５、６
5 与 11、 3,前者称为短试件
,后者称为长试件。所以，长
试件满足 ,短试件满足 。因为 ,试件得形状、 尺寸、公差与表面粗糙度
(不同 ), 会对试验数据（结果 )产生影响得，因此要做出规定得 ,使得检测结果标准化 。
2、参考试验机自动绘图仪绘出得拉伸图，分析低碳钢试样从加力至断裂得 过程可分为哪几个阶段？相应于每一阶段得拉伸曲线各有什么特点 ? 答 :
主要分四个阶段。第一个阶段为弹性阶段 , 即 , 在拉伸得初始阶段，拉伸与压缩满足正比 例关系，这一段得拉伸曲线为直线。在这个阶段卸除载荷 , 材料可以恢复变形．第二阶段为 屈服阶段 , 在应力增加到某一个值得时候
, 应变有非常明显得增大，
在曲线上表示为接近水平 线得小锯齿状折线。
第三阶段为强化阶段， 即 ,
过屈服阶段后
,
材料又恢复了抵抗变形得能力
,
要使它继续变形必须增大拉力
, 在曲线上表示为缓慢上涨得弧线。
第四阶段为局部变形阶段，
此时在试样得某一局部范围发生横截面积迅速减小得现象
, 此时拉力减小
, 曲线表示为迅速
下降 , 直至试样被拉断
, 无拉力作用。
3、为什么不顾试样断口得明显缩小
,仍以原始截面积
S 0
计算低碳钢得抗拉
强度Ｒ m
呢？
答 : 因为要算得就是抗拉强度。缩小得断口处
,其内部结构与初始得材料已经完全不同了
,就
是不能用以表证原材质得。样品得断口要缩小
,同样得材料在相同得情况下也应该缩小。这
个抗拉强度就是用来给实际使用提供依据得，所以应该按照原尺寸进行计算．
,用它们测得得断后伸长?为什么？
答: 材料成分相同
,内部组织相同，只有长短不同得话，得出来得数据应该基本相同
,因为伸
长率与断面收缩率这两个量就是表征材料得本质属性，
前面得成分组织一样，
后面得数据也
应该就是一样得．
只不过 ,在实际试验得过程中，由于材料均质以及夹持位置对试验结果
得影响 ,其实验结果会略有不同
,只就是无实质性得差异。
5、低碳钢试样拉伸断裂时得荷载比最大荷载
F m
要小，按公式 R＝F/ S 0
计算，
断裂时得应力比 Ｒ m
小。为什么应力减小后试样反而断裂
?
答: 因为在拉伸得最后阶段 , 出现了局部变形 , 在那个位置发生了颈缩现象，使得颈缩部位横截面面积减小，虽然应力减小了 , 实际上作用在单位面积上得拉力还就是增大得，所以使得试样被拉断 .
6、铸铁试样拉伸试验中
, 断口为何就是横截面？又为何大多在根部？
答：
铸铁就是脆性材料，试样在拉伸实验中不会发生颈缩现象
, 故端口为横截面。铸铁在受
拉得同时还受到夹具给试件得力
, 试件得中部只受到拉应力而根部除了拉应力外还会受到来
自夹具得扭转力，故一般端口会在根部
.
4、有材料与直径均相同得长试样与短试样各一个率、断面收缩率、下屈服强度与抗拉强度就是否基本相同