材料力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)思考題

材料力學(xué)拉伸實(shí)驗(yàn)思考題概述：材料力學(xué)試驗(yàn)中的拉伸試驗(yàn)，是材料力學(xué)性能測(cè)試中的最重要的試驗(yàn)。試驗(yàn)雖然簡(jiǎn)單，但涉及到的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和過程細(xì)節(jié)的規(guī)定卻很多，讓我們來看一下吧。材料在單向靜拉伸載荷下的力學(xué)性能1.1

拉伸試驗(yàn)1.1.1

概述拉伸試驗(yàn)是標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣在靜態(tài)軸向拉伸力不斷作用下以規(guī)定的拉伸速度拉至斷裂，并在拉伸過程中連續(xù)記錄力與伸長(zhǎng)量，從而求出其強(qiáng)度判據(jù)和塑性判據(jù)的力學(xué)性能試驗(yàn)。強(qiáng)度指標(biāo)：彈性極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度；塑性指標(biāo)：斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率。1.1.2

概念應(yīng)力：應(yīng)力是在它所作用面積上的力，用N/mm2表示，在米制單位中，用千帕（kPa）或兆帕（MPa）表示。應(yīng)變：是被測(cè)試材料尺寸的變化率，它是加載后應(yīng)力引起的尺寸變化。由于應(yīng)變是一個(gè)變化率，所以它沒有單位。原始標(biāo)距(Lo)：施力前的試樣標(biāo)距。斷后標(biāo)距(Lu)：試樣斷裂后的標(biāo)距。平行長(zhǎng)度(Lc)：試樣兩頭部或兩夾持部分(不帶頭試樣)之間平行部分的長(zhǎng)度。斷后伸長(zhǎng)率(A)：是斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)(Lu-Lo)與原始標(biāo)距(Lo)之比的百分率。斷面收縮率(Z)：斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量(So-Su)與原始橫截面積(So)之比的百分率。最大力(Fm)：試樣在屈服階段之后所能抵抗的最大力。屈服強(qiáng)度：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)。上屈服強(qiáng)度：試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應(yīng)力。下屈服強(qiáng)度：在屈服期間，不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低應(yīng)力。1.1.3

拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線以低碳鋼的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線為例。OB—彈性階段，BC—屈服階段CD—強(qiáng)化階段，DE—頸縮階段試樣在各階段變化的示意圖彈性階段金屬材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系，符合胡克定律，即

σ=

E·ε，其比例系數(shù)E稱為彈性模量。彈性極限σp與比例極限σe非常接近，工程實(shí)際中近似地用比例極限代替彈性極限。屈服階段屈服強(qiáng)度：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)，應(yīng)區(qū)分上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。通常把下屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值稱為屈服強(qiáng)度。強(qiáng)化階段經(jīng)過屈服階段后，曲線從C點(diǎn)又開始逐漸上升，說明要使應(yīng)變?cè)黾樱仨氃黾討?yīng)力，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱作強(qiáng)化，CD段稱為強(qiáng)化階段（加工硬化）。曲線最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值記作，稱為材料的抗拉強(qiáng)度(或強(qiáng)度極限)，它是衡量材料強(qiáng)度的又一個(gè)重要指標(biāo)。強(qiáng)度極限是材料在整個(gè)拉伸過程中所能承受的最大拉力。頸縮階段曲線到達(dá)D點(diǎn)，在試件比較薄弱的某一局部(材質(zhì)不均勻或有缺陷處)，變形顯著增加，有效橫截面急劇減小，出現(xiàn)了縮頸現(xiàn)象。此后，試件的軸向變形主要集中在頸縮處，試件最后在頸縮處被拉斷。a是低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，它有鋸齒狀的屈服階段，分上下屈服，均勻塑性變形后產(chǎn)生縮頸，然后試樣斷裂；b是中碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，它有屈服階段，但波動(dòng)微小，幾乎成一條直線，均勻塑性變形后產(chǎn)生縮頸，然后試樣斷裂。c是淬火后低、中溫回火鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，它無可見的屈服階段，均勻塑性變形后產(chǎn)生縮頸，然后試樣斷裂；d是鑄鐵、淬火鋼等較脆材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，它不僅無屈服階段，而且在產(chǎn)生少量均勻塑性變形后就突然斷裂。1.1.4

拉伸試樣形狀及尺寸拉伸試樣的一般形狀需要加工制樣：壓制坯、鑄錠、無恒定截面的產(chǎn)品；不需加工制樣：有恒定橫截面的型材、棒材、線材、鑄造試樣；橫截面的形狀：圓形、矩形、多邊形、環(huán)形，其他形狀；試樣的原始標(biāo)距：比例試樣

Lo=kSo1/2

(短比例試樣：k=5.65;長(zhǎng)比例試樣：k=11.3)非比例試樣

Lo與So1/2

無關(guān)圓形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號(hào)比例試樣尺寸原始直徑d0：3、5、6、8、10、15、20、25，優(yōu)先采用5、10、20mm原始標(biāo)距L0≥15mm，短試樣（優(yōu)先）

L0=5d0

，長(zhǎng)試樣L0=10d0平行長(zhǎng)度LC

≥L0+d0/2

，仲裁試驗(yàn)：

LC=Lo+2d0試樣總長(zhǎng)度

Lt

取決于夾持方法，原則上Lt>Lc+4d0過渡圓半徑r≥0.75d0矩形橫截面拉伸試樣的形狀和尺寸符號(hào)矩形截面非比例試樣原始厚度b0>3mm原始標(biāo)距L0：短試樣(優(yōu)先)

L0=5.65s01/2

,長(zhǎng)試樣L0=11.3s01/2

；若L0<15mm，采用非比例試樣平行長(zhǎng)度LC≥Lo+1.5s01/2

，仲裁試驗(yàn)：LC=Lo+2s01/2過渡圓半徑r≥12mm.薄板非比例試樣原始寬度b0=12.5、20、25mm頭部寬度≥1.2b0過渡弧半徑r≥20mmb0=12.5mm，L0=50mm，帶頭LC=75mm，不帶頭LC=87.5mmb0=20.0mm，L0=80mm，帶頭LC=120mm，不帶頭LC=140mmb0=25.0mm，L0=50mm，帶頭LC=100mm，不帶頭LC=120mm經(jīng)過機(jī)加工試樣不經(jīng)機(jī)加工試樣1.1.5

拉伸試驗(yàn)前的準(zhǔn)備（1）取樣與制樣取樣部位、取樣方向、取樣數(shù)量是對(duì)材料性能試驗(yàn)結(jié)果影響較大的3個(gè)因素，被稱為取樣三要素。樣坯的切取部位、方向和數(shù)量應(yīng)按照相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB/T2975-2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能取樣位置及試樣制備》或協(xié)議的規(guī)定。取樣方法從原材料（型材、棒材、板材、管材、絲材、帶材等）上直接取樣試驗(yàn)；從產(chǎn)品上的重要部位（最薄弱、最危險(xiǎn)的部位）取樣試驗(yàn)；以實(shí)物零件直接試驗(yàn)，如、鋼筋、螺栓、螺釘或鏈條等；以澆注的鑄件試樣直接試驗(yàn)或經(jīng)加工成試樣進(jìn)行試驗(yàn)。（2）試樣加工防止冷變形或受熱而影響其力學(xué)性能。通常以切削加工為宜。平行段應(yīng)光滑，無加工硬化，無缺口、刀痕、毛刺等缺陷；脆性材料夾持部分與平行段應(yīng)有較大半徑的圓弧過渡；不經(jīng)機(jī)加工鑄件試樣表面上的夾砂、夾渣、毛刺、飛邊等必須加以清除。（3）試樣檢查、標(biāo)記試驗(yàn)前應(yīng)先檢查試樣外觀是否符合要求。試樣原始標(biāo)距一般采用細(xì)劃線或墨線進(jìn)行標(biāo)定，所采用的方法不能影響試樣過早斷裂。對(duì)于特薄或脆性材料，可在試樣平行段內(nèi)涂上快干著色涂料，再輕輕劃上標(biāo)線。（4）尺寸測(cè)量（試樣的原始橫截面積）圓形截面試樣：圓形在標(biāo)距兩端及中間三處橫截面上相互垂直兩個(gè)方向測(cè)量直徑，以各處兩個(gè)方向測(cè)量的直徑的算術(shù)平均值計(jì)算橫截面積;取三處測(cè)得橫截面積平均值作為試樣原始橫截面積。（S0=1/4πd02）矩形截面試樣：在標(biāo)距兩端及中間三處橫截面上測(cè)量寬度和厚度，取三處測(cè)得橫截面積平均值作為試樣原始橫截面積。（S0=a0×b0）1.1.6

拉伸試驗(yàn)設(shè)備拉力試驗(yàn)機(jī)又名萬能材料試驗(yàn)機(jī)。萬能試驗(yàn)機(jī)是用來針對(duì)各種材料進(jìn)行儀器設(shè)備靜載、拉伸、壓縮、彎曲、剪切、撕裂、剝離等力學(xué)性能試驗(yàn)用的機(jī)械加力的試驗(yàn)機(jī)。萬能試驗(yàn)機(jī)組成：加載機(jī)構(gòu)、夾樣機(jī)構(gòu)、記錄機(jī)構(gòu)、測(cè)力機(jī)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)：《GB/T16491-2008

電子萬能試驗(yàn)機(jī)》夾持裝置用于對(duì)不同形狀、尺寸和材質(zhì)的試樣能順利進(jìn)行試驗(yàn)。引伸計(jì)用于測(cè)定微小塑性變形的長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x。試驗(yàn)設(shè)備校驗(yàn)：電子萬能試驗(yàn)機(jī)：《GB/T16825.1-2008

靜力單軸試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn)

第1部分：拉力和壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)力系統(tǒng)的檢驗(yàn)與校準(zhǔn)》、《GB/T16825.2-2005靜力單軸試驗(yàn)機(jī)的檢驗(yàn)

第2部分：拉力蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)

施加力的檢驗(yàn)》引伸計(jì)：《GB/T12160-2002

單軸試驗(yàn)用引伸計(jì)的標(biāo)定》電子萬能試驗(yàn)機(jī)及其構(gòu)造氣動(dòng)夾具（左）、液壓夾具（右）CSS2210

電子萬能試驗(yàn)機(jī)引伸計(jì)（左）、WDW-100

電子萬能試驗(yàn)機(jī)引伸計(jì)（右）1.2

性能指標(biāo)1.2.1

彈性彈性模量E（E=σ/ε）表征材料抵抗正應(yīng)變的能力。工程上彈性模量被稱為材料的剛度，表征金屬材料對(duì)彈性變形的抗力，其值越大，則在相同的應(yīng)力狀態(tài)下產(chǎn)生的彈性變形量越小。比彈性模量為彈性模量與密度的比值。1.2.2

強(qiáng)度材料強(qiáng)度的大小通常用單位面積上所承受的力來表示。（單位：Pa、MPa、N/m2）抗拉強(qiáng)度（或強(qiáng)度極限）是指試件斷裂前所能承受的最大工程應(yīng)力，用來表征材料對(duì)最大均勻塑性變形的抗力。上屈服強(qiáng)度：ReH=FeH/S0下屈服強(qiáng)度：ReL=FeL/S0抗拉強(qiáng)度：Rm=Fm/S0oa——總變形；ba—彈性變形99.8%；塑性變形0.2%（條件屈服強(qiáng)度：

Rp0.2表示規(guī)定塑性延伸率為0.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力）硬鋼（高碳鋼）強(qiáng)度高，塑性差，拉伸過程無明顯屈服階段，無法直接測(cè)定屈服強(qiáng)度，用條件屈服強(qiáng)度來代替屈服強(qiáng)度。1.2.3

塑性金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的塑性變形由均勻塑性變形和集中塑性變形兩部分組成。試樣拉伸至頸縮前的塑性變形是均勻塑性變形，頸縮后頸縮區(qū)的塑性變形是集中塑性變形。試件拉斷后，彈性變形消失，但塑性變形仍保留下來。工程上用試件拉斷后遺留下來的變形表示材料的塑性指標(biāo)。常用的塑性指標(biāo)有兩個(gè)：斷后伸長(zhǎng)率A=[(Lu-L0)/L0]×100%，斷面收縮率Z=[(S0-Su)/S0]×100%。1.2.4

應(yīng)變硬化在真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線中，應(yīng)力與應(yīng)變之間符合Hollomon關(guān)系，即S=Ken（n為加工硬化指數(shù)或應(yīng)變硬化指數(shù)）。應(yīng)變硬化指數(shù)n反映了材料開始屈服后，繼續(xù)變形時(shí)材料的應(yīng)變