专业实验（1）
八：金属材料拉伸实验讲义
一、 金属拉伸实验目的
金属力学性能是承受外载荷而不发生失效的能力，力学性能的判据是表征和判定金属力学性能所用的指标和依据，而其高低表征材料抵抗外力作用的能力水平，是评定金属测量质量的重要依据。金属拉伸实验是金属材料力学性能测试中最重要的方法之一。通过拉伸实验，可以测定材料的强度和弹性、塑性参数，为材料评价和选材提供了依据。同时熟练掌握电子万能材料实验机的使用和操作，帮助进一步理解金属材料的强度及弹性塑性性能参数的含义及测试方法。
二、 预习要求
要求学生实验前，认真阅读实验讲义以及相关参考资料，认真撰写预习报告。预习报告不合格的学生不允许参与实验。
三、 实验所需仪器设备
万能材料试验机
四、 金属拉伸试验原理
单向拉伸试验是研究材料机械性能最基本、应用最广泛的试验。由于试验方法简单且易于得到较可靠的试验数据，一般工厂中都广泛利用其试验结果来检验材料的机械性能。试验提供的弹性模量、屈服强度、断裂强度、断裂总伸长率和断面收缩率等指标是评定材质和进行强度和刚度计算的重要依据。金属材料出厂时一般都要提供上述指标以供使用和参考。
进行单向拉伸试验时，外力必须通过试样轴线以确保材料处于单向应力状态。一般试验机都能自动绘制F－ΔL曲线。F－ΔL形象地体现了材料的变形特点以及各阶段受力和变形的关系。但是F－ΔL曲线的定量关系不仅取决于材质而且受试样几何尺寸的影响。因此，拉伸图往往用名义应力－应变曲线即σ－ε曲线来表示：
F??S00 试样的名义应力
L???L 试样的名义应变
S0和L0分别代表试样初始条件下的面积和标距。σ－ε曲线与F－ΔL曲线相似，
但消除了几何尺寸的影响，因此能代表材料的属性。单向拉伸条件下的一些机械性能指标就是在σ－ε曲线上定义的。如果试验能提供一条精确的拉伸图，那么单向拉伸条件下的主要力性指标就可精确地测定。
图 1：两种典型材料的σ－ε曲线（左边是低碳钢，右边是铸铁）
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不同性质的材料拉伸过程不同，其σ－ε曲线也存在很大差异。低碳钢和铸铁是性
质截然不同的两种典型材料，它们的拉伸曲线在工程材料中具有典型意义，掌握它们的拉伸过程和破坏特点有助于正确合理地认识和选用材料。
低碳钢具有良好的塑性，由其σ－ε曲线（图1）可以看出，低碳钢断裂前明显分
为四个阶段：
弹性阶段（OA）：试验的变形是弹性的。在这个范围内卸载，试验仍恢复原来的尺寸，没有任何残余变形。习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律，其应力、应变为正比关系，即：
??E? （1）
比例系数E代表直线OA的斜率，称作材料的弹性模量。
屈服（流动）阶段（AB）：σ－ε曲线上出现明显的屈服点。这表明材料暂时丧失抵抗继续变形的能力。这时，应力基本上不变化，而变形迅速增长。从屈服阶段开始，材料的变形包括弹性和塑性两部分。在这个范围内卸载，试验的弹性变形部分可以恢复，但塑性形变却已永久发生，无法恢复。
强化阶段（BC）：屈服阶段结束后，σ－ε曲线又开始上升，材料恢复了对继续变形的抵抗能力，这表明材料要继续变形，载荷就必须不断增长。如果在这一阶段卸载，弹性变形将随之消失，而塑性变形将永久保留下来，强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。但重新加载后，材料的弹性阶段加长、屈服强度明显提高，而塑性却相应下降。这种现象叫做形变强化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料极为宝贵的性质之一。塑性变形和形变强化二者联合，是强化金属的重要手段。强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布的。随塑性变形的增长，试样表面的滑移线亦愈趋明显。C点是σ－ε曲线的最高点，定义为材料的强度极限，又称作抗拉强度（Rm），是材料均匀塑性变形的最大抗力，是材料进入颈缩阶段的标志。
颈缩阶段（CD）：应力达到强度极限后，塑性变形开始在局部进行。局部截面急剧收缩，承载面积急剧减少，试样承受的载荷很快下降，直至断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在破断的试样上。
材料的塑性通常用试样断裂后的残余变形来衡量。单拉时的塑性指标用断后伸长率A和断面收缩率Z来表示。工程上通常认为，材料的断后伸长率A>5% 时属于韧断，而A<5% 则属于脆断。韧断的特征是断裂前有较大的宏观塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状组织。低碳钢断裂时有很大的塑性变形，断口为杯状，周边为45度的剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状，因此是一种典型的韧性断口。如图2（b）、（c）、（f）所示。
图 2：典型材料的拉伸破坏断口
（a）平面结晶状断口；（b）（c）杯状断口；（d）“星”状断口；
（e）不规则韧状断口；（f）板试样杯状断口
铸铁是典型的脆性材料，σ－ε曲线如图1所示。其拉伸过程较低碳钢简单，可近似认为是经弹性阶段直接过渡到断裂。其破坏断口沿横截面方向，说明铸铁的断裂是由拉应力引起的，其强度指标只有抗拉强度（对有些没有屈服段的材料，也可由规定非比例伸长应力作为强度指标，如以0.2％的塑性变形Rp0.2来代表屈服强度）。由σ－ε曲线可见，
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铸铁的断后伸长率很小，所以铸铁常在没有任何预兆的情况下突然发生脆断。因此这类材料若使用不当，极易发生事故。铸铁断口与正应力方向垂直，断口平齐为闪光的结晶状组织（图2a），是一种典型的脆性断口。
多数工程材料的拉伸曲线介于低碳钢和铸铁之间，常常只有两个或三个阶段（图3）。但强度、弹性塑性指标的定义和测量方法基本相同。所以，通过拉伸破坏试验，分析比较低碳钢和铸铁的拉伸过程、确定其机械性能，在机械性能试验研究中具有典型意义。
图 3：不同类型材料的拉伸图
根据GB/T 228—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力F拉至断裂，便可测出表征金属材料的弹性模量（E）、物理屈服性能指标（上屈服点ReH、下屈服点ReL）、规定微量塑性伸长应力指标（规定非比例伸长应力RP、规定总伸长应力Rt、规定残余伸长应力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） 弹性模量
材料在弹性范围内服从虎克定律，弹性模量就是材料在比例极限内（弹性范围内）应力与应变的比值，即应力应变曲线的斜率。表达式如下：
E????FL0S?L （2）
计算机能自动算出样品的弹性模量。同时，我们也可以根据拉伸图或应力应变曲线计算。方法是：将曲线弹性段在屈服载荷10％－80%之间的部分平分为n段（n≥5），在相邻两点之间用（式3）计算Ei。
Ei?最后
?????(?P)il0S0(?l)i （i=1……n-1） （3）
n?1Ei?i?1?Ein?1 （4）
（二） 物理屈服性能指标
具有物理屈服性能的金属材料，其拉伸曲线的类型如图4所示。据此，可对各项物理屈服性能指标作如下定义：
上（下）屈服强度：试样在拉伸过程中，伸长显著，而实验力基本不变。此时，样品进入屈服阶段。其拉伸曲线如图4-d所示。大部分情况下，在屈服过程中实验力发生下降（图1—a、b、c），分别用上、下屈服点来区分。图4是不同类型屈服曲线的上、下屈服强度的定义。
（三） 规定微量塑性伸长应力指标
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按照测试方法的不同，规定微量塑性伸长应力可分为“规定非比例伸长应力”、“规定残余伸长应力”和“规定总伸长应力”。图5表示了样品在最大力以及断裂时的各项伸长的定义。
图 4：不同类型曲线的上、下屈服强度的定义
图 5：试样伸长的定义
规定非比例延伸强度RP：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。所谓非比例伸长是指超出实验力与伸长成正比范围以外的伸长，其定义如图6所示。如RP0.2表示规定非比例伸长率为0.2%时的应力，对于没有屈服点的材料，可以用RP0.2来表示屈服应力，称为名义屈服应力。
规定残余强度Rr：试样卸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力，其定义如图7所示。与上述相同，Rr 0.2表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。
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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）达到规定的原始标距百分比时的应力，其定义如图8所示。
下面只简述规定非比例延伸强度RP的测定。在拉伸过程中自动记录绘制具有足够放大倍数的力—伸长曲线图（见图9）。曲线高度应使规定非比例伸长的力值FP处于力轴量程的1/2以上。放大倍数n的选择应使图中OC段长度不小于5mm。在曲线图上，自原点O起在伸长轴上截取一相应于规定非比例伸长的OC段。过C点做弹性直线段的平行线CA，交曲线于A点，A点所对应的力值FP即所测定的非比例伸长力值。按（式5）计算出RP：
RP?FPS0 （5）
图 6：规定非比例延伸强度（Rp） 图7：规定残余强度（Rr） 图 8：规定总伸长强度（Rt）
图 9：测定Rp的方法
a) 力—伸长曲线 b) 力—夹头位移曲线
在生产检验中允许绘制力—夹头位移曲线图（见图9b）测定非比例延伸超过0.2%的规定非比例延伸强度。位移放大倍数的选择应使图中OC段的长度不小于5mm。
（四） 抗拉强度Rm
抗拉强度为试样拉段过程中最大实验力所对应的应力。从拉伸曲线上的最高点可确定实验过程中的最大力Fm（见图10）。抗拉强度Rm按（式6）计算：
Rm?FmS0 （6）
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