探求轧制实验与拉伸实验.docx
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探求轧制实验与拉伸实验
压下量对板材同步轧制变形力和金属机械性能的影响
1、实验目的
通过本次实验的训练，进一步掌握材料成型过程中力能参数检测、变形后金属性能测试的原理、方法和技术，熟练掌握相关仪器设备的使用与操作方法，巩固材料成型理论知识，进一步提高运用所学专业知识综合分析、解决问题的能力。
2、实验要求
以相对压下量为试验参数，研究钢板同步冷轧时轧制力变化规律，探索轧后金属机械性能变化情况。
3、实验方案设计
1．实验材料及设备
材料：
2.8×50×140mm铝板五块；
设备：
Φ130实验轧机、测力传感器、轧制综合参数测试仪、计算机、电桥盒、游标卡尺。
2．实验参数设置
（1）轧制实验参数设计
由于本实验变量为压下量以及考虑到加工硬化的影响，所以设置轧制道次为n=1，设置每组轧件压下量分别为0.24mm、0.4mm、0.54mm、0.76mm、0.9mm。
（2）拉伸实验参数设计
不考虑宽展，由体积不变可知轧制后轧件中最短轧件的长度为151mm，取150mm。
以最短试件为基准制作其余四块试样。
由
初步设置拉伸试样的宽度为30mm。
由
得
，取
。
根据以上数据画出拉伸件示意图如下：
图1拉伸试件示意图
3．实验原理
（1）同步轧制原理
同步轧制是指两工作辊辊径、辊速均相同的一种轧制方法，其两辊均为主动辊，轧制过程对两个轧辊完全对称，轧辊为刚性，轧件除受轧辊作用外，不受其他任何外力作用，轧件在入辊处和出辊处速度均匀、轧件的机械性质均匀。
在轧制过程中，同步轧制变形区金属在前滑区，后滑区上下表面摩擦力都是指向中性面，中性面附近单位下力增强，使平均单位轧制增大。
同步轧制时单位轧制压力沿变形区长度方向的类似抛物线形状分布。
（2）轧制力测定原理
将事先制作的测力传感器安装在工作机座两侧辊轴垂直载荷的传力线上，通过测量两侧的轧制力分力即可得到总轧制力。
外力作用在弹性元件上，使其产生弹性变形（应变），由贴在弹性元件上的应变片将应变转换成电阻变化。
再利用电桥将电阻变化转换成电压变化，然后送入放大器放大，由记录器记录。
经过计算机数据采集系统的编辑整理后得到轧制力数据。
利用Excel可以将轧制力和变形程度曲线描绘出。
最后利用标定曲线将测量的应变值推算出外力大小，从而可以得到轧制力。
电桥盒
测力传感器
P1
P2
Φ130二辊异步实验轧机
计算机输出
数据采集系统
图2轧制力测定原理图
（3）拉伸实验原理
沿着试样轴向匀速加载拉伸载荷，直到试样断裂，在整个过程中，测量施加在试样上的载荷和试样的伸长，以测定需要测定的力学性能。
材料在拉伸过程中分为三个阶段：
①弹性变形阶段。
随着拉力的增加，材料开始生长，此时因为应力与应变是一条直线，即两者成比例关系，称之为弹性阶段；②塑性变形阶段。
随着拉力的继续加大，材料开始急剧变形，继续拉伸时会出现颈缩，应力会继续增加，但变形会急剧增大，材料产生宏观变形时的应力称之为屈服强度，又称之为屈服极限；③破坏阶段。
当拉力继续增大，材料的应力达到极限，会突然断裂，此时的应力最大，称之为强度极限或抗拉强度。
4．实验方法
（1）轧制实验方法
目前有两种测量轧制压力的方法：
①通过测量机架立柱的拉伸应变测量轧制压力，即应力检测法；②用专门设计的测力传感器直接测量轧制压力。
由于应力检测法在实验中易产生较大的误差，所以本实验选择第二种方法。
将事先制作的测力传感器安装在工作机座两侧辊轴垂直载荷的传力线上，通过测量两侧的轧制力分力即可得到总轧制力。
（2）拉伸实验方法
图3应力-应变曲线图
实验时，自动绘图机会绘出拉伸图如图3。
在实验初期，绘出的是一段曲线，这是因为试件开始变形之前机器的机件之间和试件与夹具之间留有孔隙，所以当实验刚刚开始时，在拉伸图上首先产生一段曲线，继而逐步加紧，最后只留下试件的变形线。
为了消除在拉伸图起点处发生的曲线段，需将图形的直线段延长至横坐标所得交点0，即为拉伸图的原点。
随着载荷的增加，图形沿倾斜的直线上升，试样进入屈服阶段，a点为下屈服点，用
表示，屈服阶段中，当指针无规则上下波动时，要准确捕捉屈服载荷的读数，确实有一定困难，对试件连续加载直至断裂，有测力度盘或拉伸图上读出最大载荷
，通过断裂后的截面可计算其截面积，根据拉伸试验中相应的拉伸力计算出相应的强度。
（3）实验计算公式
①伸长率：
②断面收缩率：
③屈服极限：
④强度极限：
5．数据采集方法
将事先制作的测力传感器安装在工作机座两侧辊轴垂直载荷的传力线上，通过测量两侧的轧制力分力即可得到总轧制力。
外力作用在弹性元件上，使其产生弹性变形（应变），由贴在弹性元件上的应变片将应变转换成电阻变化。
再利用电桥将电阻变化转换成电压变化，然后送入放大器放大，由记录器记录。
经过计算机数据采集系统的编辑整理后得到轧制力数据。
利用Excel可以将轧制力和变形程度曲线描绘出。
最后利用标定曲线将测量的应变值推算出外力大小，从而可以得到轧制力。
6．数据分析处理方法
本实验采用回归分析法，它是在掌握大量观察数据的基础上，利用数理统计方法建立因变量与自变量之间的回归关系函数表达式的一种方法。
四、实验步骤
1．轧制实验步骤
（1）将压力传感器安装在轧机上，并连接好设备间的连线。
（2）将粘贴在试件上的电阻应变片通过连线接到相应的电桥盒接线柱上将电桥盒的另一端的插头通过连接线分别接到应变仪后面板下部的“输入”插孔内，并将插头旋紧。
开启计算机，用USB连接线连接计算机和测试仪器，开启电源，再检查一下各开关的工作位置。
（3）检查各通道，调整轧制综合参数测试仪至平衡状态。
调节方法如下：
打开仪器电源开关，从应变片的第一通道开始，先观察输出表是否为零，如果不为零，可通过“平衡”电器操作自动平衡按钮，2秒后放大器输出为零，消除自身的漂移。
然后调整“增益”档位选择适当的放大倍数输出，如额定增益档不能满足要求，可使用增益微调来进行调节。
（4）将五块轧件进行编号，用游标卡尺测量各轧件的厚度，并记入表1中。
（5）调节辊缝，设置辊缝宽度。
送入试样1，轧制结束后测量轧件厚度，并读出轧制压力，记入表1中。
（6）依次调节辊缝宽度，参照步骤5，对其余四块试样进行轧制，并记录实验数据。
（7）实验结束后各实验仪器放回原处。
（8）将实验数据记录到下表中。
表1轧制实验数据表
试件编号
厚度H/mm
理论压下量
h/mm
轧后厚度h/mm
轧制力P/kN
1
2.88
0.24
2
2.88
0.4
3
2.86
0.54
4
2.86
0.76
5
2.86
0.9
2．拉伸实验步骤
（1）用划线机划上试件的标距，以便观察标距范围内沿轴向的变形情况。
用游标卡尺测量试件标距部分的宽度。
在标距范围的中间及两侧处每处各测量一次，取其平均值为该处宽度。
用所测得的三个平均值中的最小值计算试件的横截面面积
。
（2）调整测力指针指零。
根据试件的强度极限
和横截面及
估算试件最大载荷。
根据最大载荷选择适当的测力度盘，配置好摆杆重锤，将缓冲器放在合适的位置。
开机进油，使活动平台上升一段距离。
摆锤对中，使摆锤上升一段距离。
调整测力指针对正零点，使测力指针与随动指针重合。
（3）装夹试件。
先把试件夹持在试验机的上夹头内，再将下夹头移动到试件所需的夹持位置，并把试件下端夹紧。
（4）开启试验机，缓慢匀速加载。
当指针开始走动时，记录标尺读数。
（5）记录各载荷下的标尺读数。
（6）当测力指针出现停滞不前、倒退现象时，会观察到试件产生局部变形的颈缩现象，随后测力指针迅速倒退，试件很快断裂。
（7）关闭机器电源，记录随动指针所指的刻度值，即为强度极限载荷
。
（8）取下试件，将拉断的试件在断口处尽量对准，测量拉断后的标距长度L和断口宽度及厚度。
（9）停机后送油阀一定要关闭。
（10）将实验数据记录到下表中。
表2拉伸实验数据表
试件编号
试件宽度B1/mm
标距L1/mm
测力盘读数F/kN
标尺读数/mm
位移变化/mm
断面厚度hD/mm
断后宽度B2/mm
断后标距L2/mm
1
30.68
85.08
2
30.28
85.98
3
30.18
85.74
4
30.1
85.36
5
30.04
85.54
五、实验操作
1．轧制实验操作
按照实验步骤对轧件进行编号，测量各轧件的原始厚度，调节辊缝，依次轧制5块轧件，轧制完成后记录轧制力，轧后厚度，并记入表1如下：
表3轧制实验数据表
试件编号
厚度H/mm
理论压下量
h/mm
轧后厚度h/mm
轧制力P/kN
1
2.88
0.24
2.66
28.88
2
2.88
0.4
2.5
47.54
3
2.86
0.54
2.34
64.36
4
2.86
0.76
2.16
80.76
5
2.86
0.9
1.98
103.28
2．拉伸试验操作
首先按照设计的拉伸试件图对轧后试件进行加工，完成后测量轧件有效长度、宽度并记录。
然后按照拉伸实验步骤进行拉伸，记录各测力盘读数以及其所对应的标尺读数、断面厚度、断面宽度以及断后的标距。
数据记录入下表。
表4拉伸试验数据表
试件编号
断前宽度B1/mm
标距L1/mm
测力盘读数F/kN
标尺读数/mm
位移变化/mm
断面厚度hD/mm
断后宽度B2/mm
断后标距L2/mm
1
30.68
85.08
0
3
0
1.14
30.5
88.66
2
3.5
0.5
4
4.5
1.5
6
5
2
8
5.5
2.5
9
6
3
9.2
6.5
3.5
9.3
9
6
2
30.28
85.98
0
3
0
1.06
30.1
89.34
2
3.5
0.5
4
3.8
0.8
6
4
1
6
5
2
8.5
5.5
2.5
8.7
8.5
5.5
3
30.18
85.74
0
3.2
0
0.94
30.06
88.74
2
3.9
0.7
4
4.5
1.3
6
5
1.8
7.8
6.5
3.3
7.85
8.5
5.3
4
30.1
85.36
0
3
0
0.86
29.8
87.82
2
3.5
0.5
4
4
1
6
4.5
1.5
7.3
5
2
7.5
5.5
2.5
7.6
7.3
4.3
5
30.04
85.54
0
3
0
0.78
29.76
87.44
2
3.5
0.5
4
4
1
6
5
2
6.8
5.8
2.8
6.9
8
5
六、实验数据分析
1．计算处理后实验数据
通过表1、表2记录的数据计算后可得到表3。
表3实验处理后数据
试件编号
绝对压下量
相对压下量
拉前横截面积A1/mm2
拉后横截面积A2/mm2
应变ε
应力σ/MPa
屈服强度σS/MPa
抗拉强度σb/MPa
1
0.22
0.076
81.6
34.2
0
0
95
107
0.006
25
0.018
50
0.024
74
0.029
98
0.035
105
0.041
106
0.071
107
2
0.38
0.132
75.7
31.9
0
0
96
110
0.006
26
0.009
53
0.012
79
0.023
98
0.029
104
0.064
110
3
0.52
0.182
70.6
28.8
0
0
98
114
0.008
28
0.015
57
0.021
85
0.039
110
0.062
114
4
0.72
0.25
65
25.6
0
0
102
117
0.006
31
0.012
62
0.017
92
0.023
112
0.029
115
0.05
117
5
0.88
0.308
59.5
23.2
0
0
108
124
0.006
34
0.012
67
0.023
108
0.033
114
0.059
124
2．应力应变图
将表3中数据导入Excel软件中，经过处理可得到每个试件的应力-应变图，其中细线表示的为弹性变形阶段，而粗线表示的是塑性变形阶段。
两条线的交点所对应的纵坐标即为材料的屈服强度。
通过各组应力-应变图即可得到各试件的屈服强度分别为95MPa，96MPa，98MPa，102MPa，108MPa。
图4试件1应力-应变图
图5试件2应力-应变图
图6试件3应力-应变图
图8试件5应力-应变图
图7试件4应力-应变图
3．回归分析
本实验研究的是相对压下量对板材同步轧制变形力和金属机械性能的影响，假设它们之间呈二次多项式关系，即y=ax2+bx+c。
可以通过Excel中的回归分析得到它们之间的关系式。
设X1=
，X2=
，得到表4.
表4回归方程数据表
试件编号
X1
X2
轧制力/kN
屈服强度σS/MPa
抗拉强度σb/MPa
延伸率/%
断面收缩率/%
1
0.076
0.005776
29
95
107
4.2
61
2
0.132
0.017424
48
96
110
3.9
61
3
0.182
0.033124
64
98
114
3.4
60
4
0.25
0.0625
81
102
117
2.9
59
5
0.308
0.094864
103
108
124
2.2
59
在x区选择X1、X2表内数据，y区内选择总轧制力P表列数据，最后会自动生成回归数据，得出方程系数。
即可得到方程。
（1）通过Excel表格的回归处理功能，得到相对压下量与轧制力间的关系如下：
P=11
+308
+6
其对应曲线图如下：
图9相对压下量-轧制力曲线图
（2）相对压下量与屈服强度间的关系如下：
σS=231
-31
+96
对应曲线图如下：
图10相对压下量-屈服应力曲线图
（3）相对压下量与抗拉强度间的关系如下
σb=118
+25
+104
其对应曲线图如下：
图11相对压下量-抗拉强度曲线图
（4）相对压下量与延伸率间的关系如下
σb=-10
-5
+5
其对应曲线图如下：
图12相对压下量-延伸率曲线图
（5）相对压下量与抗拉强度间的关系如下
σb=84
-48
+66
其对应曲线图如下：
图13相对压下量-断面收缩率曲线图
4．实验结果分析
由图9可知，随着相对压下量的增大，轧制力也增大。
这是因为随着压下量的增加，轧制时所需的轧制力是呈增大的；按照斯通公式：
可得单位轧制力是增大的，又因为轧制力为
，且
，接触面积S也是增大的；所以轧制力是增大的。
由图10、图11、图12及图13可知，随着相对压下量的增加，试件屈服应力和抗拉强度也增加，而延伸率和断面收缩率却随着压下量的增加而减小。
这是因为随着变形程度的增大，位错增殖，位错密度增加，位错交互作用，使材料塑性和韧性减小，硬度和强度提高。
七、实验总结
本实验研究的是相对压下量对板材同步轧制变形力和金属机械性能的影响，实验分为两部分，第一部分是轧制实验，通过测量在采取不同压下量轧制试件时的轧制力来研究两者的关系；第二部分是拉伸实验，通过测量厚度不同的拉伸件拉伸时的屈服应力和抗拉强度来研究相对压下量对金属机械性能的影响。
实验结果表明，随着压下量的增加，轧制力、屈服强度以及抗拉强度均增大。
、
在轧制轧件中，实际压下量可能与设定的压下量有所偏差，在实验数据计算时要以实际压下量为准。
在制作拉伸试件时，划线要精准，否则拉伸试件不标准，可能造成拉伸实验失败。
装夹试件时，一定要夹紧试件，否则在拉伸过程中可能造成打滑现象。
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