材料力学材料的拉伸实验.docx
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材料力学材料的拉伸实验
材料力学材料的拉伸实验
本试验依据中华人民共和国国家标准《金属拉伸试验方法》GB228－87进行。
工程材料的重要力学性能指标如屈服点（s，或su、sl）、规定非比例伸长应力po.2、强度极限b、弹性模量E、泊桑比、延伸率和断面收缩率等，都是通过试验获得的。
这些力学性能指标在整个材料力学的强度计算中几乎都要用到，而且工程设计中所选用的材料力学性能指标，大都是以拉伸试验为主要依据的。
本次试验选用建筑钢筋和铸铁分别进行拉伸试验，以便认识塑性材料和脆性材料的力学性能和它们之间的差异。
一、试验目的
（1）测定钢筋的屈服极限s，强度极限b，延伸率5和10。
（2）测定铸铁的b和10。
（3）观察钢筋、铸铁在拉伸过程中所出现的变形现象，分析力、位移曲线，即Pl图的特性。
（4）观察断口特征，分析破坏原因。
（5）观察分析钢筋经过冷拉拔后拉伸试验曲线的特点。
二、仪器设备与工具
（1）电子万能试验机（包括计算机、打印机），或其他类型的万能试验机、拉力试验机。
（2）卡尺、电子引伸计等。
三、试件制备与安装
试验的结果表明，试件的尺寸和形状对试验的结果有影响。
因此，在进行材料的拉伸试验时，所用的试件必须按有关的规定制作。
这样，试验所得的结果才具有可比性。
国家标准
《金属拉伸试验试样》GB6397—86对圆形、矩形、管形和弧形等各种拉伸试件的制备作了统一的规定。
其中比例试件须满足以下关系：
10Ao
（3—1）
式中lo为试件标距，用于测量拉伸变形；A0为标距部分的横截面积；k为系数，通常取5.65或11.3。
当试件为圆截面时，贝
（3—2）
对应于k5.65或k11.3,lo分别等于5do和10do，前者称为短试件，后者称为长试件。
国标规定如下:
其中Ri~8及R01~08圆形比例试样形状尺寸见图3—1和表3—1，R9~16及铸造试样，形状和尺寸图与图3—1（b）do相同，其中R16试样
/0.8/d/、
0。
（b）
图3-1拉伸试件
表3-1
一般尺寸
短试样
短试样
r（最小）
试样号
lo
试样号
lo
do
单、双肩
螺纹
l
l
25
5
12.5
R1
Ro1
20
5
10
R2
Ro2
15
4
7.5
R3
Ro3
10
4
5
R4
5do
lo+do
Ro4
1odo
lo+do
8
3
4
R5
Ro5
6
3
3.5
R6
Ro6
5
3
3.5
R7
Ro7
3
2
2
R8
Ro8
注：
①试样头部形状与尺寸，分为单、双肩和螺纹形状，可根据试验机夹具、试样材质，自行设计
选用。
单台试样头部直径一般为（1.5~2.0）do。
2如棒材直径大于25mm,可采用全截面或取制尽可能大的圆形试样。
3如试样装卡时能正确对正中心，则棒材试样头部不须加工即可，否则应进行粗车。
4对不经机加工的试样，根据要求亦可采用其他比例标距，如|0为4d0、8d0或其他定标距。
5管材纵、横向圆形比例试样，亦可根据管材壁厚或有关标准，从Ri~8中选用。
，带肩套筒
t
试件的安装有多种形式，它与试件制作时两个端头的形式相适配，如螺纹接法.接法，楔块夹紧法等8次试验采用楔块夹紧法，见图3-2。
1—夹头；2—楔块；3—试件
图3—2试件夹紧装置
四、试验原理及方法
1.钢筋拉伸试验
钢筋是建筑工程中广泛使用的材料，测定其拉伸时的力学性能如屈服极限S（su、sl）、
强度极限b、延伸率5或10是工程设计、工程施工质量监测检验必不可少的。
钢筋有许多品种，其中I级钢筋强度等级代号为R235,是用碳素结构钢Q235热轧而成的光圆钢筋作于低碳钢「
（含碳量小于0.25%为低碳钢，在
0.25%~0.60%的
为中碳钢，大于0.60%的为高碳钢）。
I级钢筋的
拉伸曲线图即载荷P与变形ll10的关系图如图3—3所示。
从图中可看出，钢筋拉伸过程可分为以下
（1）弹性阶段。
在弹性阶段，即图3-3中的OA段，变形1很小。
在比例极限范围内，载荷p与变形1成线性
关系，即
丨0
EAo
（3—3）
式中E为拉伸弹性模量，Ao为试件的横截面积。
未经加工的钢筋可用公称直径计算Ao（公称横截面积）或用质量法求出Ao$
（2）屈服阶段。
在弹性阶段之后，P1曲线出现锯齿状，见图3-3的AB段，变形1在增加，而载荷p却在波动或保持不变，这个阶段就是钢筋材料的屈服
阶段。
对于表面磨光的试件，在屈服时可以看到试件表面出现与轴线大致成45倾角的条纹由此可见，屈服是由剪应力引起的。
45斜截面上剪应力最大，它使试件沿该面产生滑移，从
而产生屈服阶段的Pl曲线。
图3—4展示了屈服阶段的几种情形，以及Psu、Psl、Ps的识别方法。
p
Psu
Psu
Psi
/
Ps
」z
Psi
1
I
/
O
a
O
Al
O
△l
图3—4屈服阶段的Pl曲线
根据图3—4,在pi曲线上确定屈服阶段首次下降之前的最大力Psu，不计初始瞬时效应的多个波动中的最小力Psl,或恒定不变的力Ps,然后按下式计算屈服点、上屈服点和下屈服点。
（3—4）
SU
（3
—5）
（3—6）在这里顺便指出，对于无明显屈服现象的金属材料，应按国家标准GB228—87,测定其规定非比例伸长应力P0.2，或规定残余伸长应力
r0.2O
（3）强化阶段。
屈服阶段过后，试件恢复承载能力，需要增大载荷才能使试件的变形增大，见图3—3中的BC段，这一阶段被称为强化阶段。
（4）颈缩阶段。
载荷在达到最大值Pb后，试件某一局部地方横截面积明显缩小，出现“颈缩”现象。
这时的载荷在迅速下降，接着试件被拉断，以试件初始横截面积A0去除R.，得强度极限：
b
（3-7）
把图3—3的纵横坐标p和I分别除以a和I。
，便得出~曲线如图3—5所示。
在试件发生颈缩的时候，虽然荷骂载p在下降,但0
试件颈缩处的横截面积以更快的速度在缩小，所以真正应力tP/A仍然在上升，直至试件拉断为止。
或者说，颈缩时横截面积A减少的速度大于应力上升的速度，导致PtA下降。
计算断后伸长率的公式为：
图3-5应力一应变曲线
（3-8）
式中Io是标距原长度，li是拉断的试件在紧密对接后直接量出的或经断口移中后量出的标距长
表示。
定标距试样拉断后的伸长率应附以该标
距数值的角注，例如：
10100mm或200mm，则分别以
由于断口附近的塑性变形大，所以直接量测I1
的一端的距离W。
*2/则采用8断口移中法测定I1,
3
见图3-6,做法如下:
（b）AOBC
图3—6断口移中法示意
在拉断后的长段试件上，从断口起，取基本等于短段的格数得B点，如长段所余格数为偶数，见图3—6（b），取其一半得C点，移位后，
iiA
B+2BC（3—9）
如长段所余格数为奇数，见图3—6（a），则取所余格数减1的一半得C,所余格数加1的一半得Ci点，移位后，
iiA
B+BC+BCi（3-10）
拉伸试验断面的收缩率为：
（3-11）
式中Ai为试件拉断后，断口处的最小横截面积。
由于断口不是规则的圆形，应在两个互相垂直的方向上量取最小直径，以其平均值计算A.
2.铸铁拉伸试验
铸铁的拉伸图见图3-7（a）。
可以看出，铸铁在拉伸过程中没有屈服现象，直线段也不显著。
载荷达到最大值时，试件突然断裂，没有颈缩现象。
它的延伸率远普■钢筋诫瞥。
以上就是钢筋（塑性材料）和铸铁（脆性材料）的一部分不同之处。
它们的断口见图3-7（b）
剪切唇
一|
钢筋
（a）（b）
图3－7铸铁拉伸曲线及拉伸试件断口
五、试验步骤
1．钢筋拉伸试验
（1）用钢筋的公称直径do计算面积Ao，或用质量法求出Ao。
标距内分格采用色笔画出，不伤试件。
（2）调整试验机两夹头间位置。
（3）安装试件：
将试件上端夹紧，下端暂不夹紧，试件荷载为零。
（4）进行试验机、计算机设置：
选择适当加载速度，输入材料、直径等参数，设置力、位移、变形的量程，并将它们初读数置零（清零）。
接着，输入试验文件名。
（5）把试件下端夹紧，点击计算机屏幕上的向下图标，开始拉伸试验。
（6）观察屈服现象，确定屈服极限
荷载（Psu,Psl或Ps）o
（7）观察强化过程及颈缩现象。
（8）试件拉断后，打印试验结果（包括Pb,b等）及荷载一位移曲线。
（9）拆卸试件，测量拉断后标距的长度l1（需要时，采用断口移中法）和断口处的最小截面积A1。
计算断后伸长率和断面收缩率。
2．钢筋冷拉试验
由于WD－200B电子万能试验机在卸荷时计算机的数据采集系统会自动结束工作，因此钢筋第1次拉伸时的曲线和卸载后的第2次拉伸曲线不能画在同一个图上。
至于试验的步骤，则与钢筋拉伸试验的步骤大致相同。
操作如下：
（1）钢筋拉伸至强化阶段，在颈缩之前，卸去荷载，打印试验曲线。
（2）更换试验文件名，操作同前面的一样。
试验机和计算机的设置与前面的相同，对已冷拉过的钢筋再作拉伸试验，直至颈缩断裂，然后打印试验曲线。
（3）比较和分析钢筋试验所打印的3张图。
显然经过冷拉后，钢筋的弹性极限提高了。
3．铸铁拉伸试验
（1）测定试件的直径，标距内用色笔画上分格线。
（2）调整试验机夹头位置，装夹试件，试件上端夹紧，下端放松，试件不受荷载作用。
（3）选定加载速度，设置有关试验量程、材料、直径等参数，并将力、位移、变形等参数置零，然后输入试验文件名。
（4）将试件下端夹紧，点击向下图标，开始试验，直至拉断，打印试验结果（Pb,b等）以及荷载—位移曲线。
（5）取下试件，测取拉断后试件标
距的长度11
（6）清理现场，结束试验。
六、试验记录表格
以下给出本次试验的记录表格，供参考
表3-1钢筋拉伸试验记录
试验前
试验后
原标距|0（mm）
拉断后l1（mm）
公称直径d0（mm）
颈缩最小处平均直径（mm）
公称截面积A0（mm2）
颈缩最小处截面积（mm2）
或用质量法求Aq—（mm2）
表3-2试验过程数据记录
上屈服载荷Psu（kN）
下屈服载荷Psi（kN）
最大载荷Pb（kN）
备注
表3-3铸铁拉伸试验记录
试验前
试验后
原标距|0（mm）
拉断后标距l,mm）
平均直径
上
断裂处最
1
do（mm）
中
小直径
d1（mm）
2
下
平均
原始截面积
Ao（mm2）
最小值
断裂处截面积A1（mm2）
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