实验1 常温单轴拉伸实验
马 杭 编写
单轴拉伸实验是研究材料机械性能的最基本、应用最广泛的实验。由于试验方法简单而且易于得到较为可靠的试验数据，在工程上和实验室中都广泛利用单轴拉伸实验来测取材料的机械性能。多数工程材料拉伸曲线的特性介于低碳钢和铸铁之间，但其强度和塑性指标的定义与测试方法基本相同，因此通过单轴拉伸实验分析比较两种材料的拉伸过程，测定其机械性能，在机械性能的试验研究中具有典型的意义，掌握其拉伸和破坏过程的特点有助于正确合理地认识和选用材料，了解静载条件下结构材料的许用应力的内涵。
一、实验目的
1.通过单轴拉伸实验，观察分析典型的塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的拉伸过程，观察断口，比较其机械性能。
2.测定材料的强度指标（屈服极限
、强度极限
）和塑性指标（延伸率
和面缩率
）。
二、实验设备
1.电子万能材料试验机WDW-100A(见附录一)。
2.计算机、打印机。
3.游标卡尺。
图1-1 圆棒拉伸试样简图
三、试样
材料性能的测试是通过试样进行的，试样制备是试验的重要环节，国家标准GB6397-86对此有详细的规定。本试验采用圆棒试样，如图1-1所示。试样的工作部分（即均匀部分，其长度为
）应保持均匀光滑以确保材料的单向应力状态。均匀部分的有效工作长度
称为标距，
和
分别为工作部分的直径和面积。试样的过渡部分应有适当的圆角以降低应力集中，两端的夹持部分用以传递载荷，其形状与尺寸应与试验机的钳口相匹配。
材料性能的测试结果与试样的形状、尺寸有关，为了比较不同材料的性能，特别是为了使得采用不同的实验设备、在不同的实验场所测试的试验数据具有可比性，试样的形状与尺寸应符合国家标准（GB6397-86）。例如，由于颈缩局部及其影响区的塑性变形在断后延伸率中占很大比重，同种材料的延伸率不仅取决于材质，而且还取决于试样标距。按国家标准规定，材料延伸率的测试应优先采用两类比例试样：
（1）长试样：
（圆形截面试样），或
（矩形截面试样）
（2）短试样：
（圆形截面试样），或
（矩形截面试样）
用长试样和短试样测得的断后延伸率分别记做
和
，国家标准推荐使用短比例试样。
四、实验原理
单轴拉伸实验在电子万能材料试验机上进行。在试验过程中，试验机上的载荷传感器和位移传感器分别将感受到的载荷与位移信号转变成电信号送入EDC控制器，信号经过放大和模数转换后送入计算机，并将处理过的数据同步地显示在屏幕上，形成载荷—位移曲线（即
曲线），试验数据可以存储和打印。在实验前，应进行载荷传感器和位移传感器的标定（校准）。
根据
曲线和试样参数，计算材料的各项机械性能指标。根据性能指标、
曲线特征并结合断口形貌，分析、评价材料的机械性能。试验机操作软件的使用可参见附录一。
五、试验步骤
1.原始尺寸测量：（1）确定标距
。（2）测量直径
：在标距中央及两条标距线附近各取一截面进行测量，每截面沿互相垂直方向各测一次取平均值，
采用三个截面中的平均值的最小值。
2.初始条件设定：如图1-2，（1）首先进行载荷与位移清零，用鼠标点击载荷与位移（绿色）显示区右上方的0.0按纽，使两者的显示值均为零。（2）点击左上方“曲线参数”，根据材料的强度与塑性，选择合适的显示量程。图二右下方为载荷—位移曲线的显示区，其X轴为横梁位移（mm），Y轴为载荷（kN）。（3）点击左上方“试样信息”，输入试样参数。
3.试样装夹：（1）选择“手动操作”，设定较快的横梁移动速度（20mm/min或50mm/min），点击“上升”或“下降”使横梁移动并观察。当横梁到达合适的位置时，点击“停止”使横梁停止移动。（2）将试样的夹持端插入上楔形夹头并旋紧，点击“下降”使试样的另一端插入下楔形夹头，下降时注意对中以免产生碰撞，停机后旋紧下夹头。
注意，试样装夹之后不再进行载荷清零。
图1-2 拉伸试验的计算机界面
4.加载试验：（1）选择“手动操作”，设定试验速度，建议低碳钢试样设为5mm/min，铸铁试样设为1-2mm/min。（2）点击“上升”开始拉伸试验，注意观察试样、曲线显示区的曲线以及载荷与位移显示值的变化。（3）低碳钢试样将依次出现变形的四个阶段。当载荷从最大值开始下降时可以看到试样的颈缩区，如果试样表面光滑、材料杂质含量少，可以清楚地看到表面45°方向的滑移线。试样断裂后试验机自动停止加载。
5.试验结束前的重要工作：（1）打印记录曲线，开启打印机电源后，依次点击右上角“分析”（弹出新界面）、“打印”。 点击右上角“保存”，可以将本次试验的信息以文本文件的形式保存起来，文件名的后缀为“.dat”。（2）取下试样，对拢已破坏的试样，测量有关数据，观察断口形貌。
六、试验结果整理
1.强度指标计算：
（1）屈服极限
（MPa）
（2）强度极限
（MPa）
屈服载荷
取屈服平台的下限值。
取
曲线上的最大载荷（参见图三）。脆性材料不存在屈服阶段，所以只需计算
。
2.塑性指标计算：
（1）延伸率
（2）面缩率
3.绘制
曲线：将载荷—位移记录曲线绘制在坐标纸上，标注坐标的刻度，标明变形的各个阶段，标出曲线上的特殊点（例如下屈服点，等等）。
4.画出断口形貌草图，根据试验结果，对两种材料的性能进行分析比较，完成试验报告。
七、预习与思考
1.认真预习实验指导书，明确实验目的和方法，明了试验中应当注意观察的现象。
2.本试验的
曲线上的变形量与试样上的变形量是否相同？如果要利用
曲线来近似确定试样的断后延伸率，应怎样做？
3.为什麽要采用比例试样？同一材料的
和
有何关系？
八、两种典型材料的
曲线
低碳钢具有良好的塑性，从图1-3可以看出，低碳钢的
曲线明显地分为四个阶段：（1）弹性阶段（OA）：试样的变形是弹性的，若在弹性阶段卸载，试样恢复原来的尺寸，几乎不存在残余变形。材料在弹性范围内服从Hooke定律，其载荷—伸长、应力—应变成正比。
（2）屈服阶段（AB）：标志着宏观塑性变形的开始，材料暂时丧失抵抗继续变形的能力。在屈服阶段，载荷（应力）往往出现锯齿状波动，载荷开始下降所对应的应力称为上屈服点，其数值受材料状态和试验条件多种因素的影响，而屈服阶段应力的最低值—下屈服点的数值则比较稳定，所以通常用下屈服点作为材料的屈服极限
。结构、零件的应力一旦超过屈服极限，就会因为变形过量而失效。从屈服阶段开始，材料的变形包含弹性与塑性两部分。
（3）强化阶段（BC）：亦称均匀变形阶段，材料恢复了对继续变形的抵抗能力，载荷随着变形而持续上升。如果在该阶段卸载，试验机和试样组成的系统的弹性变形随之消失，试样的塑性变形将永远保留下来，卸载路径与弹性阶段平行。如果卸载后再次加载，加载路径近似与卸载路径重合，载荷到达原卸载点时将重新进入屈服并产生塑性变形，材料表现出强度上升、塑性下降的现象，称作
形变强化（或冷作硬化、加工硬化）。形变强化是金属材料的宝贵品质，是材料强化的重要手段。
（4）颈缩阶段（CD）：亦称局部变形阶段。这时，材料形变强化对载荷增加的贡献已经不能抵偿试样截面积减小对载荷的削弱作用，载荷下降，塑性变形在局部进行，承载面积迅速减小，直到断裂。断裂后试样的弹性变形消失，塑性变形则保留在断裂的试样上。
图1-3 低碳钢与铸铁的
曲线
铸铁是典型的脆性材料，拉伸过程比较简单，不存在低碳钢那样的四个阶段，可以近似认为经弹性阶段直接过渡到断裂，断裂后的延伸率极小，因此这类材料若使用不当，容易发生事故。
