东南大学：分析测试中心学习指导（实验原理）材料力学性能（共六个实验）

实验一 金属拉伸试验 一、实验目的 【、掌握金属拉伸各性能指标的测定方法。 2、学会正确使用金属拉伸试验设备和仪器。 二、实验材料及设备 1、实验材料为20钢或45钢，正火处理。 2、实验设备为CMT5105、CMT5305型电子万能试验机 三、实验内容 1、测定单向拉伸时金属材料的强度及塑性指标 四、实验原理 金属拉伸试验是金属材料力学性能测试中最重要的试验方法之一 根据GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》的规定，对一定形状的试样施加轴 向试验力F拉至断裂，便可测出表征金属材料的物理屈服性能指标（上屈服强度R、下屈 服强度R)、规定微量塑性伸长强度指标（规定非比例延伸强度Rp、规定总延伸强度R、 规定残余延伸强度R,)、强度性能指标（抗拉强度R)及塑性性能指标（断后伸长率A、屈 服点伸长率A 最大力下的总伸长率A、最大力下的非比例伸长率A和断面收缩率Z) 这些性能指标的工程定义及测试方法如下。 (一）物理屈服性能指标 具有物理屈服现象的金属材料、其拉伸曲线的类型如图1山所示。据此，可对各项物理 属服性能指标作如下定义 伸长 长 (a) (b) (c) (d) 图1-1其有物理居服现象金属材料的拉伸曲线 (具有屈服平台的曲线b、(⊙、(d具有上、下届服点的曲线 屈服平台：试样在拉伸试验过程中试验力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力。 其拉伸曲线如图1-a所示。若试样原始横截面积为S。,则 如果在屈服过程中试验力发生下降（图1-1b、c、d),则应区分上屈服强度(R)和下屈 服强度(R) 上屈服强度R:试样发生屈服而试验力首次下降前的最高应力 1…

²1² 实验一 金属拉伸试验 一、实验目的 1、掌握金属拉伸各性能指标的测定方法。 2、学会正确使用金属拉伸试验设备和仪器。 二、实验材料及设备 1、实验材料为 20 钢或 45 钢，正火处理。 2、实验设备为 CMT5105、CMT5305 型电子万能试验机。 三、实验内容 1、测定单向拉伸时金属材料的强度及塑性指标。 ReL，Rm，A，Z 2、绘制拉伸真实应力应变曲线 s-ψ e及 lgs—lge 曲线，并测定 Sb、SK、n、D。 四、实验原理 金属拉伸试验是金属材料力学性能测试中最重要的试验方法之一。 根据 GB/T228-2002《金属材料 室温拉伸试验方法》的规定，对一定形状的试样施加轴 向试验力 F 拉至断裂，便可测出表征金属材料的物理屈服性能指标（上屈服强度 ReH、下屈 服强度 ReL）、规定微量塑性伸长强度指标（规定非比例延伸强度 RP、规定总延伸强度 Rt、 规定残余延伸强度 Rr）、强度性能指标（抗拉强度 Rm）及塑性性能指标（断后伸长率 A、屈 服点伸长率 Ae、最大力下的总伸长率 Agt、最大力下的非比例伸长率 Ag和断面收缩率 Z）。 这些性能指标的工程定义及测试方法如下。 (一) 物理屈服性能指标 具有物理屈服现象的金属材料、其拉伸曲线的类型如图 1-1 所示。据此，可对各项物理 屈服性能指标作如下定义。 (a) (b) (c) (d) 图 1-1 具有物理屈服现象金属材料的拉伸曲线 (a)具有屈服平台的曲线 (b)、(c)、(d)具有上、下屈服点的曲线 屈服平台：试样在拉伸试验过程中试验力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力。 其拉伸曲线如图 1-1a 所示。若试样原始横截面积为 So，则 eL eL o F R S  如果在屈服过程中试验力发生下降（图 1-1b、c、d），则应区分上屈服强度(ReH)和下屈 服强度(ReL)。 上屈服强度 ReH：试样发生屈服而试验力首次下降前的最高应力

R受 下屈服强度R:当不计初始解时效应（指在屈服过程中试验力第一次发生下降）时屈 服阶段中的最低应力 一般在无特殊要求的情况下，只测定下屈服强度R Fd. F等试验力值可用两种方法来测定： ()图解 试验 自动记录装置绘制力一伸长曲线图（见图11）或力一夹头位移 曲线图，然后从曲线上读取力首次下降前的最大力，代表F:不计初始瞬时效应 时屈服阶段中的最小力或屈服平台的恒定力，代表F。 (2)指针法试验时观察拉伸试验机测力度盘的指针，指针首次回转前的最大试验力， 代表F,不计初始瞬时效应时屈服阶段中指示的最小试验力和指针停止转动时的 恒定力代表FL。 (二)规定徽量塑性仲长强度指标 (1)规定非比例延伸强度R)的测定 试样标臣部分的非比例伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。所谓非比例是指超出 试验力与伸长成正比范围以外的伸长。在图12中， 当试验力为F时ab段为比例伸长， ()段为非比列伸长 这种应力是在试样受力的条件下溪 用下抵抗微量塑性变形的抗力。表示这种强度的符号应附以角注，以表明规定非比例伸长率 E,之值。例如，Ra.、R02、R05等分别表示规定非比例伸长率E,为0.1%、0.2%和0.5% 时的应力 根据力一伸长曲线图测定却定非出例证伸品度。在曲线图上，制一条与曲线的弹性省线 段部分平行，且在伸长轴上与此直线段距离等效于规定非比例伸长率，例如02%的直线 此平行线与曲线的交截点便为所求的规定非比例延伸强度的力(F2),此力除以试样的原 始横截面积(S。)便得到规定非比例延伸强度(R,)。 (2)规定残余延伸强度R)的测定 试样卸力后，其标距部分的残余伸长（如图12中O正段） 达到规定的原始标距百分比时的应力，与上述相同，R2表示 规定残余伸长率E,为02%时的应力。 R-专 (③)规定总延伸强度R) 试样标距部分的总伸长（包括比例伸长和非比例伸长，见 图1-2中ac或OG段)达到规定的原始标距百分比时的应力。 表示此应力的符号也应附以脚注，以表明规定总伸长率ε，之值。 例如R05表示规定总伸长率E,为0.5%时的应力。 ab一比例伸长：bc(OD)一非比例伸长： R专 c(OG)一总仲长：O正一残余伸长： 2

²2² Re eH H o F S  下屈服强度 ReL：当不计初始瞬时效应（指在屈服过程中试验力第一次发生下降）时屈 服阶段中的最低应力。 Re eL L o F S  一般在无特殊要求的情况下，只测定下屈服强度 ReL。 FeL、FeH等试验力值可用两种方法来测定： (1) 图解法 试验时用自动记录装置绘制力—伸长曲线图（见图 1-1）或力—夹头位移 曲线图，然后从曲线上读取力首次下降前的最大力，代表 FeH；不计初始瞬时效应 时屈服阶段中的最小力或屈服平台的恒定力，代表 FeL。 (2) 指针法 试验时观察拉伸试验机测力度盘的指针，指针首次回转前的最大试验力， 代表 FeH，不计初始瞬时效应时屈服阶段中指示的最小试验力和指针停止转动时的 恒定力代表 FeL。 (二) 规定微量塑性伸长强度指标 (1) 规定非比例延伸强度(Rp)的测定 试样标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。所谓非比例是指超出 试验力与伸长成正比范围以外的伸长。在图 1-2 中，当试验力为 F 时 ab 段为比例伸长， bc （ OD ）段为非比列伸长。这种应力是在试样受力的条件下测定的，反映材料在试验力的作 用下抵抗微量塑性变形的抗力。表示这种强度的符号应附以角注，以表明规定非比例伸长率 ε p 之值。例如，Rp0.1、Rp0.2、Rp0.5 等分别表示规定非比例伸长率ε p为 0.1%、0.2%和 0.5% 时的应力。 根据力一伸长曲线图测定规定非比例延伸强度。在曲线图上，划一条与曲线的弹性直线 段部分平行，且在伸长轴上与此直线段距离等效于规定非比例伸长率，例如 0.2%的直线。 此平行线与曲线的交截点便为所求的规定非比例延伸强度的力（Fp0.2），此力除以试样的原 始横截面积（So）便得到规定非比例延伸强度（Rp）。 R p p o F S  (2) 规定残余延伸强度(Rr)的测定 试样卸力后，其标距部分的残余伸长（如图 1-2 中 OE 段） 达到规定的原始标距百分比时的应力，与上述相同，Rr0.2 表示 规定残余伸长率ε r为 0.2%时的应力。 R r r o F S  (3) 规定总延伸强度(Rt) 试样标距部分的总伸长（包括比例伸长和非比例伸长，见 图 1-2 中 ac 或 OG 段）达到规定的原始标距百分比时的应力。 表示此应力的符号也应附以脚注，以表明规定总伸长率ε t之值。 例如 Rt0.5表示规定总伸长率ε t为 0.5%时的应力。 R t t o F S  图 1-2 试样伸长的定义 ab —比例伸长； bc ( OD ) —非比例伸长； ac ( OG ) —总伸长； OE —残余伸长；

(三)抗拉强度R) 抗拉强度为试样拉伸过程中最大试验力所对应的应力。从拉伸曲线图上的最高点可确定 试验过程中的最大力F。(见图13，或从试验机的测力度盘上读取最大力F。,抗拉强度 R。按下式计算： R (四)海性性能增标 塑性性能指标主要是“断后伸长率A”和“断面收缩率Z”。对某些金属材料（如冲 用钢板)，往往还要求测定“屈服点伸长率A:”、“最大试验力下的总伸长率A:”及“最大 试验力下的非比例伸长率A”。这些指标的定义如下： 断后伸长率A:试样拉断后，标距部分的残余伸长与原始标距的百分比。 钟长 b) 图13测定Rm的图解法 图14伸长率的定义及图解测定法 a)届服点伸长率：b》最大试验力下的总伸长率和非比列伸长帝 服点伸长率A:试样从开始屈服至屈服阶段结束（加工硬化开始）之间标距的伸长O下 (见图14a)与原始标距的百分比 最大试验力下的非比例伸长率A:试样拉到最大力时，标距的非比例伸长可（见图 146)与原始标距的百分比。 最大试验力下的总伸长率A:试样拉到最大试验力时，标距的总伸长率可（图14b) 与原始标距的百分出 断面收缩率乙么试样拉断后，颈缩处横截面的最大缩减量与原始横截面积的百分比。 其测定方法分述如下： ()断后伸长率A的测定：A是在试样拉断后测定的。将拉断后的试样的断裂部分在断 裂处紧密对接在一起，尽量使其轴线位于同一直线上，测出试样断裂后标距间的长度L, 叫渐后伸长率的计算式为 4=4-x10% Lo 由于试样断裂位置对A的大小有影响，其中以断在正中的试样，其伸长率最大。因此， 断后标距L的测量方法根据断裂位置不同而异，有如下两种： 1)直测法如断裂处到最邻近标距端点的距离大于L/3时，可直接测量标距两端点间 的距离。 2)移位法如断裂处到最邻近标距端点的距离小于或等于L乃时，则用移位法将断裂 处移至试样中部来测量。其方法如图15所示。 ·3

²3² (三) 抗拉强度(Rm) 抗拉强度为试样拉伸过程中最大试验力所对应的应力。从拉伸曲线图上的最高点可确定 试验过程中的最大力 Fm（见图 1-3），或从试验机的测力度盘上读取最大力 Fm。抗拉强度 Rm按下式计算： R m m o F S  (四) 塑性性能指标 塑性性能指标主要是“断后伸长率 A”和“断面收缩率 Z”。对某些金属材料（如冲压 用钢板），往往还要求测定“屈服点伸长率 Ae”、“最大试验力下的总伸长率 Agt”及“最大 试验力下的非比例伸长率 Ag”。这些指标的定义如下： 断后伸长率 A：试样拉断后，标距部分的残余伸长与原始标距的百分比。 a） b） 图 1-3 测定 Rm的图解法 图 1-4 伸长率的定义及图解测定法 a）屈服点伸长率；b）最大试验力下的总伸长率和非比列伸长率 屈服点伸长率 Ae：试样从开始屈服至屈服阶段结束（加工硬化开始）之间标距的伸长 OF （见图 1-4a）与原始标距的百分比。 最大试验力下的非比例伸长率 Ag：试样拉到最大力时，标距的非比例伸长 OJ （见图 1-4b）与原始标距的百分比。 最大试验力下的总伸长率 Agt：试样拉到最大试验力时，标距的总伸长率 OI （图 1-4b） 与原始标距的百分比。 断面收缩率 Z：试样拉断后，颈缩处横截面的最大缩减量与原始横截面积的百分比。 其测定方法分述如下： (1) 断后伸长率 A 的测定：A 是在试样拉断后测定的。将拉断后的试样的断裂部分在断 裂处紧密对接在一起，尽量使其轴线位于同一直线上，测出试样断裂后标距间的长度 Lμ， 则断后伸长率的计算式为： 0 0 100 L L μ A % L    由于试样断裂位置对 A 的大小有影响，其中以断在正中的试样，其伸长率最大。因此， 断后标距 Lμ 的测量方法根据断裂位置不同而异，有如下两种： 1）直测法 如断裂处到最邻近标距端点的距离大于 L0/3 时，可直接测量标距两端点间 的距离。 2）移位法 如断裂处到最邻近标距端点的距离小于或等于 L0/3 时，则用移位法将断裂 处移至试样中部来测量。其方法如图 1-5 所示

B CC.D 移位 a) b) 图15用移位法测量L a)余格为偶数：b)余格为奇数 在断裂试样的长段上从断裂处O取基本等于短段格数，得B点(OB近似等于OA)。 接者取等于长段所余格数（偶数，图15a)的一半得C点，或取所余格数（奇数，图15b) 分别减1与加1的一半得C和C,点，移位后的L,分别为AO4OB+2BC和AO+OB+BC+BC, 2)屈服点伸长率A、最大试力下的总伸长率A和最大试验力下的非比例伸长率A 的测定 这三个指标只能用图解法测定。用自动记录装置绘制力-伸长曲线图时，选择适当的力轴 和伸长轴放大比例，所使用的变形传感器标距L应尽可能等于试样原始标距。在图14所示 的曲线上，自屈服阶段结束点G作弹性直线段平行线G正，交伸长轴于F点。测量OF之长， 即可按下式计算出屈服点伸长率： n.*100% (n:伸长轴放大率) 在图14b中，自曲线最大力点K分别作力轴和弹性直线段的平行线和K/,交伸长 轴于1和J点，测量O和O之长， 即可按下式分别算出最大试验力下的总伸长率A和非 比例伸长率A。 n证x100% 4=0 x100% (n:伸长轴放大率) (仔)断面收缩率的测定：Z也是在试样断裂后测定的。只要测出颈缩处最小横截面积 S,则可按下式算出Z值： Z=0-Sx100% So S的确定方法：将试样断裂部分仔细地配接在一起，使其轴线处于同一直线上。对于圆 形横截面试样，在缩颈最小处两个互相垂直的方向上测量其直径，用两者的算术平均值计算 出S (五)蛤制真实应力应变曲线S平：和求形变强化模数D,应变硬化指数的方法 真实伸长率和真实断面收缩率山，通常称为真实变形。 真实伸长率 真实断面收缩率 g坠加会 。4

²4² a) b) 图 1-5 用移位法测量 Lμ a) 余格为偶数；b) 余格为奇数 在断裂试样的长段上从断裂处 O 取基本等于短段格数，得 B 点（OB 近似等于 OA）。 接着取等于长段所余格数（偶数，图 1-5a）的一半得 C 点，或取所余格数（奇数，图 1-5b） 分别减 1 与加 1 的一半得 C 和 C1点。移位后的 Lμ分别为 AO+OB+2BC 和 AO+OB+BC+BC1。 (2) 屈服点伸长率 Ae、最大试验力下的总伸长率 Agt 和最大试验力下的非比例伸长率 Ag 的测定： 这三个指标只能用图解法测定。用自动记录装置绘制力-伸长曲线图时，选择适当的力轴 和伸长轴放大比例，所使用的变形传感器标距 Le 应尽可能等于试样原始标距。在图 1-4a 所示 的曲线上，自屈服阶段结束点 G 作弹性直线段平行线 GF ，交伸长轴于 F 点。测量 OF 之长， 即可按下式计算出屈服点伸长率： e 100 e OF A % nL   （n：伸长轴放大率） 在图 1-4b 中，自曲线最大力点 K 分别作力轴和弹性直线段的平行线 KI 和 KJ ，交伸长 轴于 I 和 J 点，测量 OI 和 OJ 之长，即可按下式分别算出最大试验力下的总伸长率 Agt 和非 比例伸长率 Ag。 gt 100 e OI A % nL   g 100 e OJ A % nL   （n：伸长轴放大率） (3) 断面收缩率 Z 的测定：Z 也是在试样断裂后测定的。只要测出颈缩处最小横截面积 Sμ，则可按下式算出 Z 值： 0 0 100 S Sμ % S     Sμ 的确定方法：将试样断裂部分仔细地配接在一起，使其轴线处于同一直线上。对于圆 形横截面试样，在缩颈最小处两个互相垂直的方向上测量其直径，用两者的算术平均值计算 出 Sμ。 (五) 绘制真实应力应变曲线 S-ψe和求形变强化模数 D，应变硬化指数 n 的方法 真实伸长率 e 和真实断面收缩率ψ e通常称为真实变形。 真实伸长率 0 0    l l de l e ln l l 真实断面收缩率 0 0 A A e dA A ψ ln A A   

在均匀塑性变形阶段，可以每隔一定载荷，测量试样直径及伸长，从而可计算出S、© ,绘出S或S-w:曲线。由于在均匀塑性变形阶段，和ψ绝对值相当，为简化操 六点 试样出现颈缩后，记录Fm,放慢试验速度，使拉伸缓慢进行，每隔一定载荷，测量颈缩 处直径，测量也不少于六点，同样计算出S和ψ，从而绘制出S-炒曲线。 形变强化模数D的求法只是近似的，可将S-w。曲线的直线部分向两端延长，它的斜率 看作常数，计算出ga即为D。 D==tga dy. 应变硬化指数n的求法也是近似的。 实验证明，均匀变形阶段，在双对数坐标下应力应变曲线是一条直线，可用S-k”表示 lgs=lgk+nlge,n为直线的斜率。 因为在均匀塑性变形阶段，心=，所以测出一定荷载下试样的直径，即可求出S,并 可求出e,从而可绘制出lgS-lge曲线，以此来求得n. 五、实验报告要求 1、记录试验过程中的原始数据。 2、按原始数据绘制曲线并计算出各性能指标

²5² 在均匀塑性变形阶段，可以每隔一定载荷，测量试样直径及伸长，从而可计算出 S、e、 ψ e，绘出 S-e 或 S-ψ e 曲线。由于在均匀塑性变形阶段，e 和ψ e 绝对值相当，为简化操作， 我们只需测量试样瞬时直径 d，从而计算出 S 和ψ e，在达到最大值 Fm之前，测量不少于六点。 试样出现颈缩后，记录 Fm，放慢试验速度，使拉伸缓慢进行，每隔一定载荷，测量颈缩 处直径，测量也不少于六点，同样计算出 S 和ψ e，从而绘制出 S-|ψ e |曲线。 形变强化模数 D 的求法只是近似的，可将 S-ψ e 曲线的直线部分向两端延长，它的斜率 看作常数，计算出 tgα即为 D。 e ds D tgα dψ   应变硬化指数 n 的求法也是近似的。 实验证明，均匀变形阶段，在双对数坐标下应力应变曲线是一条直线，可用 S=ken 表示 lgs=lgk+nlge，n 为直线的斜率。 因为在均匀塑性变形阶段， e  ψe ，所以测出一定荷载下试样的直径，即可求出 S，并 可求出 e，从而可绘制出 lgS-lge 曲线，以此来求得 n。 五、实验报告要求 1、记录试验过程中的原始数据。 2、按原始数据绘制曲线并计算出各性能指标