低碳钢拉伸试验报告

一、试验目的

1．测定低碳钢在退火、正火和淬火三种不同热处理状态下的强度与塑性性能；

2．测定低碳钢的应变硬化指数和应变硬化系数。

二、试验原理

拉伸试验是评定金属材料性能的常用检测方法，可以测定试样的强度与塑性性能。

试验过程中用万能材料试验机拉伸试样，直至断裂；用游标卡尺量测试样的原始标距（L0）、断后标距（Lu）、试样直径（d0）以及试样断裂后缩颈处最小直径（du），并从计算机中读出最大拉伸力（Pm）和试样应变为0.2时对应的拉力（P0.2）；之后根据计算公式对试验数据进行处理得出断后伸长率（A）、断面收缩率（Z）、抗拉强度（Rm）、非比例延伸强度（RP0.2）等，最后进行误差分析。运用得出的数据，根据Hollomon公式以及线性拟合计算低碳钢的应变硬化指数n和应变硬化系数k。

低碳钢试样在拉伸试验中表现出较为典型的变形-抗力之间的关系，在“力-延伸曲线”中可以看到明显的四个阶段：

1.弹性阶段：这一段试样发生完全弹性变形，当载荷完全卸除，试样恢复原样；

2.屈服阶段：这一阶段试样明显增长，但载荷增量较小并出现上下波动，若略去这种载荷读数的微小波动，屈服阶段在“力-延伸曲线”上可以用水平线段表示；

3.强化阶段：由于材料在塑性变形过程中发生加工硬化，这一阶段试样在继续伸长的过程中，抗力也不断增加，表现为曲线非比例上升；

4.颈缩阶段和断裂：试样伸长到一定程度之后，载荷读数开始下降，此时可以看到在试样的某一部位的横截面面积显著收缩，出现颈缩现象，直到试样被拉断。

试验一般在室温10℃~30℃的温度范围内进行，若对温度有严格要求，则温度应控制在23℃±5℃范围内。

三、试验设备及材料

3.1 试验材料与试样

3.1.1 试验材料

表1  试验材料

本试验使用退火低碳钢、正火低碳钢、淬火低碳钢的R4圆形截面比例试样（GB/T228-2002）各一个。

根据GB/T228-2002规定，R4试样的规格如下

表2  R4比例试样参数

图1  低碳钢拉伸试验R4试样

3.2测量工具、仪器、设备

1.设备仪器

    (1)游标卡尺

a.国标GB/T228-2002中要求其分辨率应优于0.1mm，准确到±0.25；

b.实验室中游标卡尺的量程为150mm，精确度为0.02毫米。

(2)引伸计

a.国标GB/T228-2002中规定测定非比例延伸强度时应使用不劣于1级准确度的引伸计，测定抗拉强度时应使用不劣于2级准确度的引伸计；

b.实验室中使用电子引伸计，型号为YYU，其规格为25/50，即标距为50.0mm，最大位移为25.0mm；变形量精度为1%。

(3)材料试验机

a.国标GB/T228-2002中规定应使用1级或优于1级准确度的材料试验机。

b.实验室中的万能材料试验机的型号是“WDW-200D微机型控制电子式万能材料试验机”，其各项参数为：

试验力准确度：优于示值的0.5%；

变形测量准确度：在引伸计满量程的2%~100%范围内优于示值的1%；

横梁位移测量：分辨率的0.001mm；

衡量速度：6mm/min；

测力传感器的精度：0.005。

(4)试样标线器

实验室中的试样标线器的规格为：每格10mm，一共10格；标距误差±1%。

四、实验步骤

1.将试样编号为1、2、3（每根试样的热处理信息未知，需由测量分析得出）；

2.测量试样的原始直径。在试样粗细均匀范围内的两端和中间取三个横截面，在每个横截面相互垂直的方向上个测量一次，算出三处的直径平均值，取其中最小的数据最为试样的原始直径值；

3.用试样标线器标识标距，每根试样划4条标距，最两端两条相距60mm，中间两条相距40mm；

4.在万能材料试验机上装卡试样；

5.安装引伸计，确保引伸计与计算机正确相连并可用；

6.进行试验。通过计算机对试验机参数进行设置，之后启动加载程序，电脑自动记录“力-延伸曲线”、上下屈服点对应的力、试验过程中的最大力等各项参数；在达到最大力之后，取下引伸计，试验机继续加载直至试样断裂；停止试验机；

7.取下试样，将两段试样沿断口对齐，用游标卡尺测量断后标距，测量6次取算数平均值；断口处最小直径，相互垂直的方向上各测量一次后取算数平均值；

8. 1、2、3号试样分别进行上述2至7步骤；

9. 数据处理。

五、试验结果及讨论

1.原始试验数据

对试验数据的有效性进行初步分析，原则上只有断裂处与最接近的标距标记的距离不小于原始标距的三分之一情况方为有效（GB/T228-2002）。该试验中，3号试样断裂处在试样的一端，因此3号试样的断后标距为无效数据。

表1  试样断前标距和原始直径

表2  试样断后标距和断后颈缩处直径

图1  试样1的应力-应变曲线

表4  试样2的试验数据

图2  试样2的应力-应变曲线

表5  试样3的试验数据

图3  试样3的应力-应变曲线

表6  均匀塑性变形阶段力-延伸数据

2.试验数据处理

（1）断后伸长率

断后标距测量准确度

=0.067﹤0.25

因此，试验测量的断后标距数据可用。

①1号试样：

断后标距测量的不确定度

， 因此， ，由此可得：

由此可以得到，1号试样断后伸长率的不确定度为 

因此，1号试样的断后伸长率为 

②2号试样：

由①中计算公式可得：

由此可以得到，2号试样断后伸长率的不确定度为 

因此，2号试样的断后伸长率为 

③3号试样：

3号试样的断后标距数据失效，因此无法得到3号试样的断后伸长率。

（2）断面收缩率

断后颈缩处最小直径测量的准确度

=0.033＜0.06

上式中准确度0.06mm来源于GB/T228-2002中规定，断后最小横截面积的测定应准确到±2%，因此可以得到相应的最小直径的测定应准确到±0.06mm。

因此，试样断后颈缩处最小直径数据可用。

①1号试样：

原始面积S0==79.17mm2

断后颈缩处最小面积 Su==25.88mm2

断面收缩率 =67.31%

断面收缩率的不确定度

②2号试样

原始面积 S0==78.85mm2

断后颈缩处最小面积 Su==28.65mm2

断面收缩率 =63.67%

断面收缩率的不确定度

③3号试样

原始面积 S0==78.54mm2

断后颈缩处最小面积 Su==34.63mm2

断面收缩率 =55.91%

断面收缩率的不确定度

（3）屈服强度及抗拉强度

a. 断后伸长率，

L0、Lu的测量应准确到±0.25mm；

b. 断面收缩率  

横截面原始面积：S0=，

横截面断后缩颈处最小面积：Su=

断面收缩率： 

表3 量具或测量装置的分辨力

断裂后最小横截面积的测定应准确到±2%

c. 规定非比例延伸强度

在“力-延伸曲线”上划一条与曲线的弹性直线段部分平行，且在延伸轴上与此直线段的距离等效于规定非比例延伸率0.2%的直线，此平行线与曲线的交截点给出相应于所求规定非比例延伸强度的力

规定非比例延伸强度：

d. 抗拉强度

对于呈现明显屈服现象的金属材料，读取过了屈服阶段之后的最大力；对于呈现无明显屈服现象的金属材料，读取试验过程中的最大力

抗拉强度：

e. 应变硬化指数n和应变硬化系数K

(1) 在前面所绘制的“应力-应变曲线”上均匀变形阶段取有代表性的6个点；

(2) 根据工程应力、工程应变和真应力、真应变之间的关系

   ， 

得出真应力和真应变；

(3) 根据Hollomon公式，两边取对数得，将其抽象为Y=nX+b，进行线性拟合，其中Y=lnS，X=lne，b=lnK，经过计算得出应变硬化指数n和应变硬化系数K。

4.4.4 误差分析

(1) 性能测定结果数值的修约

表5 性能结果数值的修约间隔

标准差：

原始标距  UL0=

断后标距  ULu=

原始直径  Ud0=

断后直径  Udu=

误差传递公式：

断后伸长率的不确定度

断面收缩率的不确定度

A,Z——误差传递公式

载荷精度和变形量的精度是什么？

修约规定