低碳钢拉伸试验报告.docx
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低碳钢拉伸试验报告
低碳钢拉伸试验报告
一．试验目的
1.通过拉伸试验测定低碳钢在不同的热处理状态下的强度和塑性性能。
2.根据应力—应变曲线，确定塑性变形阶段的应变硬化指数和系数。
二．试验材料、试样、以及设备仪器
2.1按照相关国标标准（GB/T228-2002：
金属材料室温拉伸试验方法）要求完成试验测量工作。
2.2试验材料：
退火低碳钢，正火低碳钢，淬火低碳钢的R4标准试样各一个。
其热处理状态及组织性能特点简述如表一:
表一：
三种热处理方式的低碳钢试样材料及特点
处理方式
热处理
特点
退火
将钢加热到Ac3或Ac1以上30-50℃，保温一段时间后，缓慢而均匀的冷却称为退火。
退火可以降低硬度，使材料便于切削加工，并使钢的晶粒细化，消除应力。
正火
将钢加热到Ac3或Accm以上30-50℃，保温后在空气中冷却称为正火。
许多碳素钢和合金钢正火后，各项机械性能均较好，可以细化晶粒。
淬火
对于亚共析钢，即低碳钢和中碳钢加热到Ac3以上30-50℃，在此温度下保持一段时间，使钢的组织全部变成奥氏体，然后快速冷却（水冷或油冷），使奥氏体来不及分解而形成马氏体组织。
硬度大，适合对硬度有特殊要求的部件。
2.3试验试样采用标准的R4比例试样
其参数如表二：
表二：
R4比例试样标准
比例系数
k=L0/√S0
试样直径d/mm
过度弧半径r/mm
原始标距L0/mm
平行长度Lc/mm
5.65
10
≧7.5
50
≧55
尺寸公差/mm
±0.07
形状公差/mm
0.04
2.4试验设备与仪器
2.4.1游标卡尺
国标GB/T228-2002中要求其分辨率应优于0.05mm，准确到±0.25mm，试验中用的卡尺精确度为0.02mm。
游标卡尺用来测量试样的原始标距（L0）、断后标距（Lu）、试样直径（d）以及试样断裂后缩颈处最小直径（du）。
2.4.2引伸计
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；
实验室中使用电子引伸计YYU-25/50，即标距为50mm，最大位移为25mm.
2.4.3材料试验机
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。
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：
最大试验力：
200KN；
试验力准确度：
优于示值的0.5%；
力值测量范围：
最大试验力的0.4%~100%；
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；
衡量速度范围：
0.005mm/min~500mm/min；
载荷传感器的精度：
0.5级.
2.4.4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%.
三．实验步骤
3.1将试样进行编号，用游标卡尺测量试样的初始直径d（分别测量上中下三个部位，在相互垂直的两个方向上测量后取平均值）.
3.2装卡好试样，用试样标线器在是试样上标线.（分别在10mm,20mm,50mm,60mm处标记划线）
3.3装卡引伸计至试样的标距内（50mm）.
3.4将试样安装在试验机的上下头之间.
3.5在计算机中调用程序，输入初始参数值，设定载荷速度6mm/min.
3.6启动测试过程，由计算机记录载荷-伸长数据.
3.7在载荷达到最大值时（出现颈缩）取下引伸计.
3.8继续加载直至试样断裂，停止试验，取下试样.
3.9用游标卡尺测量试样断后最小直径du和标距长度Lu，断后测量时尽可能对准断口，使试样保持完整，量颈缩最小处相互垂直的两个方向的直径取其平均值（依据国标标准，验证误差在测量范围内）.
四．结果与讨论
4.1试验前初始数据
表三：
实验前初始截面直径d0测量以及初始截面积计算
试样标号
原始标距L0/mm
试样初始截面直径d0/mm
试样原始截面面积S0/mm2
上端测量
中间测量
下端测量
第
一
次
第
二
次
平
均
值
第
一
次
第
二
次
平
均
值
第
一
次
第
二
次
平
均
值
1
50
10.10
10.08
10.09
10.06
10.06
10.06
10.08
10.10
10.09
79.485
2
10.06
10.08
10.07
10.08
10.06
10.07
10.04
10.06
10.05
79.327
3
9.94
9.94
9.94
9.94
9.94
9.94
9.94
9.96
9.95
77.600
由国标中关于R4试样尺寸公差规定知，所测量数据符合标准。
4.2试验后数据
表四：
试验后标距Lu的测量
材料编号
试验后
断后标距Lu/mm
方差S2
第一组
第二组
第三组
第四组
第五组
第六组
1
59.68
59.42
59.38
59.42
59.42
59.42
0.112mm2
2
69.24
69.20
3
69.84
69.68
表五：
试验后端面直径du的测量
材料编号
试验后
断口处最小直径du/mm
断后最小横截面积Su
第一组
第二组
第三组
第四组
第五组
第六组
1
6.10
6.08
29.129
2
6.10
6.08
6.10
6.08
6.08
6.10
29.129
3
5.84
5.80
26.421
4.3抗拉强度Rm，规定非比例延伸强度Rp0.2:
的计算
输入S0后，计算机直接算出了Rm以及Rp0.2,以及其他一些参量，其数值分别如下：
表六：
由计算机直接计算得出的一些性能参数
试样编号
原始标距/mm
规格/mm
最大力非比例伸长率/%
最大试验力/KN
抗拉强度Rm/MPa
规定非比例延伸强度Rp0.2:
/MPa
1
50
ф10.06
8.039844
49.331
620.6304
399.772
2
50
ф10.05
20.9977
35.133
442.8863
277.786
3
50
ф9.94
21.45713
31.635
407.6657
243.7232
抗拉强度Rm和规定非比例延伸强度Rp0.2:
，则有绝对误差为
相对误差为
（测力传感器的精度为0.5%），由于计算S0时取得是某部位平均值最小值，所以其直径的不确定度就是卡尺的示值误差为Ud=±0.02mm，由
.
所以对三个试样
计算如下：
试样一：
试样二：
试样三：
同样对三个试样
计算如下：
试样一：
试样二：
试样三：
三个试样的应力—应变曲线分别如下：
4.4对断面收缩率Z的计算
表七：
拉伸前后的试样横截面积
试样编号
拉伸前初始横截面积：
/mm2
断后颈缩处最小面积：
/mm2
1
79.485
29.129
2
79.327
29.129
3
77.600
26.421
4.4.1分别根据公式
和
计算出数据，由
计算得到各个试样端面收缩率如下
试样一：
试样二：
试样三：
4.4.2误差处理，计算断后颈缩处最小面积时，由2号试样的六组数根据方差公式
得出：
，进而解得
，由国标规定推倒
在1%以内时，加之认为操作，卡尺示值误差等各项因素综合，这里取
，由于三组实验数据操作相同，所以三个试样的S0和Su的误差均可以由上述原则和数据.
4.4.3不确定度分析：
所以
由上述分析可以得到各试样的不确定度：
试样一：
试样二：
试样三：
=0.8180%
4.5断后伸长率
，计算结果如下表：
表八：
断后标距及方差
材料编号
试验后
断后标距Lu/mm
方差S2
第一组
第二组
第三组
第四组
第五组
第六组
平均值
1
59.68
59.42
59.38
59.42
59.42
59.42
59.46
0.012227mm2
2
69.24
69.20
69.22
3
69.84
69.68
69.76
根据
计算得到三个试样的断后伸长率如下：
试样一：
试样二：
试样三：
误差分析：
由试样一的六组数据根据方差公式计算得方差：
所以
，由上述求Z的过程可知，其应用同样适合求A，而
的精度由划线器决定，为1%.
A的不确定度
计算三个试样的不确定度如下：
试样一：
试样二：
试样三：
：
4.6应变硬化指数和系数的确定
Hollomon公式的拟合：
用于在达到最大载荷即颈缩处发生前的均匀塑性变形阶段，工程应力σ，工程应变ε,真应力S，真应变e之间满足：
由此导出了Hollomon公式：
，K为应变硬化系数，n为应变硬化指数。
根据公式
，求出工程应力应变，然后根据上述公式，将工程应力应变转变为真应力应变，式子两边同取对数ln，得到
.
结合试验中的应力—应变曲线图确定各个试样的均匀塑性变形阶段，并取得一些实验数据以及相应的计算结果如下：
用origin分别对组数据的lns和lne作图，其结果如下
由作图结果可知：
三个试样的lns—lne拟合方程式如下：
试样一：
lns=0.19562lne+20.8458，R2=0.99357，lnK=20.8458,K=1130.35MPa,n=0.19562
试样二：
lns=0.25125lne+20.5325，R2=0.99428,lnK=20.5325,K=826.33MPa,n=0.25125
试样三：
lns=0.2602lne+20.4633，R2=0.99403
lnK=20.4633,K=771.08MPa,n=0.2602
4.7相关性能的修约
根据国标GB/T228-2002规定，对相应的指标进行修约，先列表如下：
表九强度、塑性指标的计算结果记录表
试样
标号
规定非比例延伸强度Rp0.2:
/MPa
抗拉强度Rm/MPa
断面收缩率Z/%
断后伸长率A/%
修约前
修约后
修约前
修约后
修约前
修约后
修约前
修约后
1
399.772±3.588
400±5
620.6304±5.571
620±5
63.35±0.8787
63.5±1.0
18.92±1.414
19.0±1.5
2
277.786±2.495
280±5
442.8863±3.977
445±5
63.28±0.8806
63.5±1.0
38.44±1.6092
38.5±1.5
3
243.7232±2.199
245±5
407.6657±3.679
410±5
65.95±0.8180
66.0±1.0
39.52±1.620
39.5±1.5
五．结论
通过比较三个试样的抗拉强度Rm1>Rm2>Rm3,且断后收缩率A1由Hollomon公式拟合作图也可以看出：
1、2、3三个试样K值一次减小，正是淬火，正火和退火的顺序，而且其应变硬化指数n值也相应增大，代表了塑性变形过程的最大均匀真应变大小。
参考文献
【1】吴平 ．大学物理实验教程 【M】.北京：
机械工业出版社 ，2005:
.09：
7--11．
【2】GB/T228-2002，金属材料室温拉伸试验方法[S]．北京：
中国标准出版社，2002．
【3】杨王玥，强文江等.材料力学行为【M】北京：
化学工业出版社，2009.09：
42—59
【4】凌霄.金属材料拉伸试验的不确定度评定[A]上海材料研究所检测中,2004
附录
i.性能测试结果的修约
试验测试的性能结果数值应按照相关产品的标准的要求进行修约。
方法参照GB/T8170
表十:
性能测试结果的修约
性能
范围
修约间隔
Rm,RP0.2
≤200N/mm2
＞200N/mm2~1000N/mm2
＞1000N/mm2
1N/mm2
5N/mm2
10N/mm2
A
0.5%
Z
0.5%
ii.原始横截面积（S0）的测定
应根据测量的原始试样尺寸计算原始横截面积，测量每个尺寸应准确到±0.5%.并至少保留4位有效数字，对于圆形横截面试样，应在标距的两端及中间三处两个相互垂直的方向测量直径，取其算术平均值，取用三处测得的最小横截面积.
iii.原始标距（L0）的标记
应用小标记、细划线或细墨线标记原始标距，但不得用引起过早断裂的缺口作标记。
对于比例试样，应将原始标距的计算值修约至最接近5mm的倍数，中间数值向较大一方修约。
原始标距的标记应准确到土1%。
如平行长度（L）比原始标距长许多，例如不经机加工的试样，可以标记一系列套叠的原始标距。
有时，可以在试样表面划一条平行于试样纵轴的线，并在此线上标记原始标距。
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