北科大低碳钢拉伸试验实验报告.docx
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北科大低碳钢拉伸试验实验报告
低碳钢强度及应变硬化指数测定
一、实验目的：
1、通过拉伸试验来测定低碳钢在退火、正火、淬火的不同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、试验要求
按照相关国标标准（GB/T228-2002：
金属材料室温拉伸试验方法）要求完成实验测量工作。
三、试验材料与试样
本次试验的三个试样分别为经过退火、正火和淬火三种不同热处理的低碳钢试样。
退火是指将金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
其组织晶粒细小均匀，碳化物呈颗粒状，分布均匀。
正火是指将钢件加热到上临界点（AC3或Acm）以上30—50℃或更高的温度，保温达到完全奥氏体化后，在空气中冷却的热处理工艺。
其组织可能是珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织，它的晶粒和碳化物细小（比退火的晶粒更细小），分布均匀。
退火可消除过共析钢的网状二次碳化物。
淬火是指将钢件加热到奥氏体化温度并保持一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却，以获得非扩散型转变组织，如马氏体、下贝氏体的热处理工艺。
其组织可能为片状马氏体、板状马氏体、片状下贝氏体或它们的混合组织。
其组织是细小的马氏体及少量残余奥氏体，不存在先共析铁素体。
四、实验测量工具、仪器与设备
1、万能试验机WDW-200D（最大试验力200KN；试验力准确度：
优于示值的0.5%；变形准确度：
在引伸计满量程的2%~100%内优于示值1%）
2、引伸计YYU-12.5/25（标距25mm，最大位移量12.5mm，精度在2%~100%Fs内优于示值的1%）
3、游标卡尺（量程200mm，50分度，分辨能力0.02mm）
4、测试标线器（标识距离误差为±1%）
本次试验的直接测量量有：
游标卡尺用来刻划原始标距、量原始试样截面直径、后颈缩最小处截面的直径和试样断后标距。
五、试验步骤
1．试件准备
a、在每个试样原始标距范围内分别测量试样的两端及中央三个截面的直径，且在每一截面取互相垂直的两个方向各测量一次。
b、沿每个试样平行长度范围内的两端涂色，用划线机刻划原始标距L0=50mm的两条标记线，在一个试样两端上做两个这样的标距，每个间隔10mm。
2．试验机准备
试验机的位移速度调至6min/mm。
3．安装试件及引伸计
首先取一号试样，将试样安装在引伸计上，试样两端用皮筋固定好，引伸计装好后要调整指针使之位于刻度零点。
4．测试
a、开动试验机。
开始时缓慢加载，注意加载的载荷变化和自动绘图的情况。
b、加载过程中，从绘图中观察屈服时的载荷。
当载荷出现下降或曲线发生弯折时，说明材料发生屈服。
c、屈服阶段后，注意观察曲线，当载荷随试样伸长达到最大出现下降时，取下引伸计。
继续加载，注意观察试样变化，特别是颈缩现象。
加载至试样被拉断时，停下试验机，卸下试样。
5.按2—4步骤测试其他试样
6.将试样断裂的部分仔细配接在一起使其轴线处于同一直线上，之后测量。
试样断后标距Lu。
在颈缩最小处相互垂直方向测量直径，取其算术平均值计算最小横截面面积Su。
7.获得的数据及曲线拷贝下来。
8.整理仪器。
六、数据处理
1、原始数据：
原始直径
材料编号
实验前
标距Lo（mm）
直径d（mm）
最小截面积So
上截面
中截面
下截面
1
2
平均
1
2
平均
1
2
平均
1
50
10.20
10.22
10.21
10.24
10.22
10.23
10.20
10.20
10.20
81.67
2
50
10.06
10.02
10.04
10.00
10.02
10.01
10.06
10.04
10.05
80.07
3
50
10.12
10.14
10.13
10.14
10.16
10.15
10.18
10.12
10.15
80.55
断后直径
材料编号
试验后
断口处直径du（mm）
平均值
断后最小截面积Su
第一次测量
第二次测量
第三次测量
第四次测量
第五次测量
1
6.04
6.24
6.04
6.06
6.04
6.084
29.06
2
5.72
6.00
6.00
5.92
5.80
5.888
27.14
3
5.84
5.82
6.00
5.90
5.90
5.892
27.25
断后长度
材料编号
试验后
断后标距Lu（mm）
平均值
第一组
第二组
第三组
第四组
第五组
1
69.44
69.62
69.06
69.10
69.08
69.26
2
68.74
68.90
68.66
68.64
69.00
68.588
3
60.50
60.60
60.56
60.30
60.58
60.508
屈服强度和拉伸强度：
分别取三个试样截面中直径平均值的最小值输入工程应力应变曲线的参数，然后由计算机模拟得到三个试样的工程应力应变曲线（附于附表中），并得到各式样的强度性能指标并修约。
修约按照国标GB/T8170要求修约，如表所示:
性能
范围
修约间隔
Rm、ReH、ReL、Rp
≤200MPa
1MPa
200～1000MPa
5MPa
＞1000MPa
10MPa
A
0.50%
Z
0.50%
试样1：
试样屈服效应明显，得到下屈服强度ReL=278.218MPa，抗拉强度Rm=438.4124MPa，修约得到ReL=280MPa，Rm=440MPa
试样2：
试样屈服效应不明显，得到非比例延伸强度Rp0.2=243.9097MPa，抗拉强度Rm=407.3972MPa，修约得到Rp0.2=230MPa，Rm=410MPa
试样3：
试样屈服效应明显，得到下屈服强度ReL=251.695MPa，抗拉强度Rm=537.8229MPa，修约得到ReL=250MPa，Rm=540MPa
2、塑性性能指标
试样1：
断后伸长率
=
×100%=38.52%修约得到A=38.5%
初始截面积
=π×（10.20/2）2=81.67mm2
断后截面积
=π×（6.08/2）2=29.06mm2
断面收缩率
=
×100%=64.4%修约得到Z=64.5%
试样2：
断后伸长率
=
×100%=37.176%修约得到A=37.0%
初始截面积
=π×（10.01/2）2=80.07mm2
断后截面积
=π×（5.88/2）2=27.14mm2
断面收缩率
=
×100%=66.1%修约得到Z=66.0%
试样3：
断后伸长率
=
×100%=21.016%修约得到A=21.0%
初始截面积
=π×（10.13/2）2=80.55mm2
断后截面积
=π×（5.892/2）2=27.25mm2
断面收缩率
=
×100%=66.2%修约得到Z=66.0%
3、试样应变硬化指数和系数的测定
在3个不同试样应力应变曲线中的均匀塑性变形阶段随机取10个数据点。
由公式：
s=σ（1+ε）
再利用Hollomon公式s=ken得到lnS=lnK+nlne的关系，然后用计算机将数据按此关系拟合就可得到相应的参数。
试样一：
应力应变曲线：
试样1的原始横截面面积为S0=81.67mm2，由上图选择变形量位于4.0%~22%范围内的六个试验点数据，如下图：
ε
σ/Mpa
S/Mpa
e
lne
lnS
4
342.857
356.571
0.0392
-3.238
5.876
5.33333
368.571
407.059
0.0516
-2.964
6.008
7.21569
394.286
422.674
0.0695
-2.666
6.0466
9.4902
414.286
453.602
0.0907
-2.399
6.1172
14.5098
432.857
495.664
0.1310
-2.032
6.2058
19.2157
440
524.480
0.1756
-1.7394
6.2624
拟合曲线：
由拟合曲线可得到：
n=0.2452，lnK=6.7006,K=812MPa。
试样二：
应力应变曲线
试样2的原始横截面面积为S0=80.07mm2，由上图选择变形量位于3.0%~20%范围内的六个试验点数据，如下图：
ε
σ/Mpa
S/Mpa
e
lne
lnS
3.74332
305.714
317.147
0.0363
-3.315
5.759
6.06417
351.429
372.514
0.0583
-2.843
5.920
9.20856
380
414.96
0.0862
-2.451
6.028
12.8021
398.571
449.588
0.1133
-2.177
6.108
16.6203
404.286
471.397
0.1535
-1.873
6.155
20.5134
405.714
488.885
0.1865
-1.679
6.192
拟合曲线
由拟合曲线可得到：
n=0.264，lnK=6.6579,K=779MPa。
试样三：
应力应变曲线
试样3的原始横截面面积为S0=80.55mm2，由上图选择变形量位于1%~10%范围内的六个试验点数据，如下图：
ε
σ/Mpa
S/Mpa
e
lne
lnS
1.33333
396
401.148
0.0129
-4.349
5.994
2.27451
442.286
452.326
0.0224
-3.796
6.114
3.45098
478.286
494.786
0.0339
-3.383
6.204
4.66667
502.286
525.665
0.0455
-3.089
6.265
6.19608
522.857
555.221
0.06
-2.812
6.319
8.94118
538.286
586.193
0.0853
-2.462
6.373
拟合曲线：
由拟合曲线可得到：
n=0.2088，lnK=6.8871,K=979MPa。
结果与讨论
由上述表格知Re2＜Re3＜Rp1,Rm2＜Rm1＜Rm3,而Z3＞Z2＞Z1，Rel、Rm是试样的强度指标，Z、A是试样的塑性指标。
因而：
试样1是正火低碳钢试样，正火工艺是空冷，冷却速率介于淬火和正火之间，其试样硬度、强度和塑性也介于淬火和正火之间。
试样2是退火低碳钢试样，退火工艺是炉冷，冷却速率最慢，其试样硬度最小，强度最小，塑性最好。
试样3是淬火低碳钢试样，淬火工艺是水冷或油冷，冷却速率最快，其试样硬度最高，强度最高，塑性最差。
由上述知：
n2>n1>n3,则三种钢的应变硬化能力及塑性：
试样2>试样1>试样3.这与上面得到的结论一致。
七、误差分析
1、强度与塑性性能指标：
而相应的△P=0.5%，△d0=0.02,△L0=0.5，△du=0.02，△Lu=0.25
试样1：
Rp0.2=280MPa，Rm=440MPa，A=38.5%Z=64.5%，则：
△ReL=
=1.09
△Rm=
=1.72
则A的绝对误差△A=
=1.88%
相对误差=
=4.89%
则Z的绝对误差△Z=
=0.372%
相对误差=
0.577%
由于误差都产生较小，故以上修约都可以。
试样2：
Rp0.2=230MPa，Rm=410MPa，A=37.0%Z=66.0%，则：
△ReL=
=0.91
△Rm=
=1.63
则A的绝对误差△A=
=1.87%
相对误差
=5.05%
则Z的绝对误差△Z=
=0.373%
相对误差
=0.564%
由于误差都产生较小，故以上修约都可以。
试样3：
ReL=250MPa，Rm=540MPa，A=21.0%Z=66.0%，则：
△ReL=
=0.98
△Rm=
=2.13
则A的绝对误差△A=
=1.71%
相对误差
=8.14%
则Z的绝对误差△Z=
=0.363%
相对误差
=0.551%
由于误差都产生较小，故以上修约都可以。
2应变硬化指数n和系数K：
由于三个试样的曲线拟合拟合度都比较好，故产生的误差较小，但分析误差来源有试验机、引伸计、划线器、游标卡尺等存在的系统误差；以及测量读书时人为产生的偶然误差；还有选点拟合选点过程中选入数据点较少，也会带来一定的误差。
七、实验结论
试样1是正火低碳钢试样，正火工艺是空冷，冷却速率介于淬火和正火之间，其试样硬度、应变硬化能力、强度和塑性也介于淬火和正火之间。
试样2是退火低碳钢试样，退火工艺是炉冷，冷却速率最慢，其试样硬度最小，强度最小，塑性最好,应变硬化能力最好。
试样3是淬火低碳钢试样，淬火工艺是水冷或油冷，冷却速率最快，其试样硬度最高，强度最高，塑性最差，应变硬化能力最差。
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