工程力学拉伸、压缩实验.doc

2-2 轴向拉、压机械性能的测定材料的机械性能通常是指材料在外力或能量作用下所表现的行为。材料在静载轴向外力作用下的行为，由拉伸、压缩试验来揭示，它是了解材料机械性能最全面、最方便的实验，实验设备和测试技术也较成熟，已成为确定材料机械性能的基本方法，在实际工程建设和科研中广泛使用。对于相应的材料机械性能测试，各个国家以及国际上都有相关的试验规范和标准。一、轴向拉伸机械性能的测定材料在静载轴向拉伸作用下的行为，由拉伸试验来揭示，其测试原理是用拉力拉伸试样，一般拉至断裂，测定材料的一项或几项力学性能。此以金属材料的拉伸试验为例来介绍材料的拉伸机械性能测定方法。对于金属材料室温拉伸性能的测定，我国规定有金属材料 室温拉伸试验方法的标准。目前执行的是GB/T 2282002标准，这是我国根据国际标准ISO 6892：1998金属材料 室温拉伸试验又修订的标准。此部分内容就是根据GB/T 2282002标准编写的。（一）试样要求实验表明，试样的尺寸和形状对实验结果具有一定的影响。为了避免这种影响和便于各种材料机械性能指标的数值能互相比较，所以对试样的尺寸和形状国家定出了统一的标准规定。拉伸试样分比例试样和非比例试样两种，一般为经机加工的试样和不经机加工的全截面试样，其横截面通常为圆形、矩形、异形以及不经机加工的全截面形状。1、形状与尺寸 一般要求试样的形状与尺寸取决于要被试验的金属产品的形状与尺寸。通常从产品、压制坯或铸锭切取样坯经机加工制成试样，但具有恒定横截面的产品（如型材、棒材、线材等）和铸造试样（铸铁和铸造非铁合金）可以不经机加工而进行试验。试样的横截面可以为圆形、矩形、多边形、环形，特殊情况可以为某些其他形状。试样原始标距L0与原始横截面积S0有L0 = k关系者称为比例试样。国际上使用的比例试样的比例系数k为5.65。原始标距应不小于15mm（国际标准规定为“不小于20mm”，改成为“不小于15mm”以便扩宽到使用机加工的3mm直径比例试样。规范中注）。当试样横截面积太小，以致采用比例系数k为5.65的值不能符合这一最小标距要求时，可以采用较高的值（优先选用11.3的值）或采用非比例试样。对于非比例试样其原始标距（L0）与其原始横截面积（S0）无关。试样的尺寸公差应符合被试验产品的相应要求（规范中有明确的规定）。 机加工的试样通常，试样要进行机加工。如试样的夹持端与平行长度的尺寸不相同，它们之间应以过渡弧连接（见图221和图222）。此弧的过渡半径的尺寸可能很重要，应符合相应的规定（如：机加工的圆形横截面比例试样，r0.75d。机加工的矩形横截面试样，r20 mm 对于厚度0.1 mm3 mm的薄板和薄带；r12 mm 对于厚度3 mm的板材和扁材以及直径或厚度4 mm的线材、棒材和型材）。试样夹持端的形状应适合试验机夹头的夹持，试样轴线应与力的作用线重合。试样的平行长度（Lc）、或试样不具有过渡弧时夹头间的自由长度应大于原始标距（L0）。对于圆形横截面试样：LcLO+d/2；仲裁试验，Lc=L0+2d，除非材料尺寸不足够。对于矩形横截面试样，LcLO+1.5 ；仲裁试验，Lc=L0+2 ，除非材料尺寸不足够。图221 机加工的矩形截面试样（试样头部形状仅为示意性）注：图222 机加工的比例试样（试样头部形状仅为示意性） 不经机加工的试样如试样为未经机加工的产品或试棒的一段长度（见图223），两夹头间的长度应足够，以使原始标距的标记与夹头有合理的距离。对于厚度等于或大于3 mm的板材和扁材以及直径或厚度等于或大于4 mm的线材、棒材和型材，其不经机加工试样的平行长度应保证试验机两夹头间的自由长度足够，以使试样原始标距的标记与最接近夹头间的距离不小于1.5 d或1.5 b。对于直径或厚度小于4 mm的线材、棒材和型材试样，通常为产品的一部分，不经机加工，其原始标距（L0）为200 mm和100 mm。除小直径线材在两夹头间的自由长度可以等于L0的情况外，其他情况， 试验机两夹头间的自由长度应至少为L0+50 mm。如不测定断后伸长率，两夹头间的最小自由长度可以为50 mm。 铸造试样图223 产品一部分的不经机加工试样铸造试样应在其夹持端与平行长度之间以过渡弧连接，此弧的过渡半径的尺寸可能很重要，应符合相关产品标准的规定。试样夹持端的形状应适合于试验机的夹头，平行长度（Lc）应大于原始标距（L0）。2、试样的制备应按照相关产品标准或GB/T 2975的要求切取样坯和制备试样。（二）试样原始尺寸的测定1、原始横截面积（S0）的测定试样原始横截面积的测定方法和准确度应符合标准规定的要求，测量时建议按表221选用量具或测量装置。应根据测量试样的原始尺寸计算原始横截面积，并至少保留4位有效数字。试样的原始尺寸应在试样标距的两端及中间三处测量，取用三处测得的最小横截面积。对试样每个原始尺寸的测量都应满足相应规定的测量准确度（规范中要求原始横截面积测定的准确度，根据试样的形状和尺寸不同而不同，其范围在1%2%；对试样每个原始尺寸测定的准确度要求范围在0.2%0.5%）。表221 量具或测量装置的分辨率 mm试样横截面尺寸分辨率 不大于0.10.50.52.02.010.010.00.0010.0050.010.05说明：国际标准未规定此表的要求，增加此要求以保证原始横截面积的测定准确度符合规定要求（规范中注）。对于圆形横截面试样，应在标距的两端及中间三处分别沿两个相互垂直的方向测量直径d，取其算术平均值，取用三处测得的最小平均直径计算原始横截面积：S0 =d2/4对于矩形横截面试样，应在标距的两端及中间三处测量宽度b和厚度a，取用三处测得的最小值计算原始横截面积：S0 =ab对于恒定横截面试样，可以根据测量试样的长度Lt、试样质量m和材料密度确定其原始横截面积。试样长度的测量应准确到0.5%，试样质量的测量应准确到0.5%，材料密度应至少取3位有效数字。试样的原始横截面积：S0 =1000m /Lt2、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做标记。对于比例试样，应将原始标距的计算值修约至最接近5 mm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1%。如平行长度（Lc）比原始标距（L0）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。（三）试验设备的准确度试验机应按照GB/T 16825进行检验，并应为1级或优于1级准确度。引伸计的准确度级别应符合GB/T 12160的要求。测定上屈服强度、下屈服强度、屈服点延伸率、规定非比例延伸强度、规定总延伸强度、规定残余延伸强度，以及规定延伸强度的验证试验，应使用不劣于1级准确度的引伸计；测定其他具有较大延伸率的性能，例如抗拉强度、最大力总延伸率和最大力非比例延伸率、断裂总伸长率，以及断后伸长率，应使用不劣于2级准确度的引伸计。（四）试验要求1、试验环境条件金属材料的室温拉伸试验，一般应在室温1035范围内进行（除非另有规定），对温度要求严格的试验，试验温度应为235。2、试验速率除非产品标准另有规定，试验速率取决于材料特性并应符合下列规定。 测定屈服强度和规定强度的试验速率测定上屈服强度时，在弹性范围和直至上屈服强度，试验机夹头的分离速率应尽可能保持恒定并在表222规定的应力速率范围内。表222 应力速率材料弹性模量E（N/mm2）应力速率（N/mm2s-1）最 小最 大150 000220150 000660若仅测定下屈服强度，在试样平行长度的屈服期间，应变速率应在0.00025/s0.0025/s在之间，平行长度内的应变速率应尽可能保持恒定。如不能直接调节这一应变速率，应通过调节屈服即将开始前的应力速率来调整，在屈服完成之前不再调节试验机的控制。如在同一试验中测定上屈服强度和下屈服强度，测定下屈服强度的条件也应符合此要求。在任何情况下，弹性范围内的应力速率不得超过表222规定的最大速率。测定规定非比例延伸强度、规定总延伸强度和规定残余延伸强度时，应力速率应在表222规定的范围内。在塑性范围和直至规定强度（规定非比例延伸强度、规定总延伸强度和规定残余延伸强度）应变速率不应超过0.0025/s。如果试验机无能力测量或控制应变速率，直至屈服完成，应采用等效于表222规定的应力速率的试验机夹头分离速率。 测定抗拉强度的试验速率在塑性范围，平行长度的应变速率不应超过0.008/s。在弹性范围，如果试验不包括屈服强度或规定强度的测定，试验机的速率可以达到塑性范围内允许的最大速率。3、夹持方式应使用例如楔形夹头、螺纹夹头、套环夹头等合适的夹具夹持试样。应尽最大努力确保夹持的试样受轴向拉力的作用。当试验脆性材料或测定规定非比例延伸强度、规定总延伸强度、规定残余延伸强度或屈服强度时尤为重要。（五）主要指标的测定1、拉伸曲线图一般材料试验机都具有荷载位移记录装置，可以将试样的抗力和变形的关系曲线（FL曲线）记录下来。图224所示为低碳钢的FL曲线，以此来说明金属试样在拉伸全过程中，所受拉力和其变形的关系。图中，纵坐标表示荷载F，单位是千牛（KN），横坐标表示试样的绝对伸长L，单位是毫米（mm）。整个变化过程可分为四个阶段。图224 低碳钢拉伸图OA弹性阶段。其特征是荷载与伸长成线性关系，材料服从虎克定律。BC屈服阶段。常呈锯齿状，B为上屈服点，B为下屈服点，BC为屈服平台。此时试样变形急剧增加，而所受荷载几乎没有增大（在试验机的示力盘上，表现为示力指针有微小的摆动）。CD强化阶段。沿试样长度产生均匀的塑性变形，此时dF/d(L)0，且有趋向于零的连续变化，表明试样的抗力随其塑性变形为非线性的增加。DE局部变形阶段（又称颈缩阶段）。在D点dF/d(L)=0，荷载达到最大值Fb，之后转为dF/d(L)0的变化，表示试样的抗力下降而变形继续增加，出现颈缩。此时变形局限于颈缩附近，直至断裂。2、屈服强度的测定当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。应区分上屈服强度和下屈服强度。 上屈服强度（ReH）和下屈服强度（ReL）上屈服强度指试样发生屈服而力首次下降前的最高应力，下屈服强度指在屈服期间，不计初瞬时效应时的最低应力（见图225）。对于呈现明显屈服（不连续屈服）现象的金属材料，相关产品标准应规定测定上屈服强度或下屈服强度或两者。如未具体规定，应测定上屈服强度和下屈服强度或下屈服强度图225（d）情况。按照定义采用下列方法测定。图解方法：试验时记录力延伸曲线或力位移曲线，从曲线图读取力首次下降强的最大力和不计初瞬时效应时屈服阶段中的最小力或屈服平台的恒定力，将其分别除以试样的原始横截面积（S0）得到上屈服强度和下屈服强度（见图225）。仲裁试验采用图解方法。图225 不同类型曲线的上屈服强度和下屈服强度指针方法：试验时，读取测力度盘指针首次回转前指示的最大力和不计初瞬时效应时屈服阶段中的最小力或首次停止转动指示的恒定力，将其分别除以试样的原始横截面积（S0）得到上屈服强度和下屈服强度。可以使用自动装置（例如微机处理等）或自动测试系统测定上屈服强度和下屈服强度，可以不绘制拉伸曲线图。 条件屈服强度（R 0.2）对于呈现无明显屈服（连续屈服）现象的塑性金属材料，工程上规定以产生0.2%塑性应变时所对应的应力值作为衡量材料强度的指标，称为材料的条件屈服强度。其测定方法见下述的规定非比例延伸强度的测定（RP0.2）和规定残余延伸强度的测定（R r0.2）。3、规定强度的测定 引伸计标距（Le）引伸计标距是指用引伸计测量延伸时所使用试样平行长度部分的长度。测定屈服强度和规定强度性能时，推荐LeL0/2；测定屈服点延伸率和最大力时或在最大力之后的性能，推荐Le等于或近似等于试样原始标距L0 。 关于延伸的定义延伸指试验期间任一给定时刻引伸计标距（Le）的增量。与之相应的延伸率可分为：残余延伸率：试样施加并卸除应力后引伸计标距的延伸与引伸计标距（Le）之比的百分率。非比例延伸率：试验中任一给定时刻引伸计标距的非比例延伸与引伸计标距（Le）之比的百分率。总延伸率：试验中任一给定时刻引伸计标距的总延伸与引伸计标距（Le）之比的百分率。图227 规定非比例延伸强度（R p）图226 屈服点延伸率（Ae）屈服点延伸率（Ae）：呈现明显屈服（不连续屈服）现象的金属材料，屈服开始至均匀加工硬化开始之间引伸计标距的延伸与引伸计标距（Le）之比的百分率（见图226）。 规定非比例延伸强度（R p）的测定规定非比例延伸强度指非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力（见图227）。使用的符号应附以下脚标说明规定的百分率，例如R p0.2表示非比例延伸率为0.2%时的应力。根据力延伸曲线图测定规定非比例延伸强度（准确绘制力延伸曲线图十分重要）。在曲线图上，划一条与曲线的弹性直线段部分平行、且在延伸轴上与此直线段的距离等效于规定非比例延伸率（例如0.2%）的直线，此平行线与曲线的交点给出相应于所求规定非比例延伸强度的力。此力除以试样的原始横截面积（S0）得到规定非比例延伸强度（见图227）。如力延伸曲线图的弹性直线部分不能明确 测定，以致不能以足够的准确度划出这一平行线，推荐采用如下方法：图228 规定非比例延伸强度（Rp）试验时，当已超过预期的规定非比例延伸强度后，将力降至约为已达到力的10%，然后再施加力直至超过原已达到的力。为了测定规定非比例延伸强度，过滞后环划一条直线，再经过横轴上与曲线原点的距离等效于所规定的非比例延伸率的点作一条平行与此直线的平行线，平行线与曲线的交点给出相应于规定非比例延伸强度的力。此力除以试样的原始横截面积（S0）得到规定非比例延伸强度（见图228）。也可采用逐步逼近方法进行测定（具体测试方法请查阅规范）。注：可以用各种方法修正曲线的原点，一般使用如下方法：在曲线图上穿过其斜率最接近于滞后环斜率的弹性上升部分，划一条平行与滞后环所确定的直线的平行线，此平行线与延伸轴的交点即为曲线的修正原点。可以使用自动装置（例如微机处理等）或自动测试系统测定规定非比例延伸强度，可以不绘制力延伸曲线图。日常一般试验机允许采用绘制力夹头位移曲线的方法测定规定非比例延伸率等于或大于2%的规定非比例延伸强度。仲裁试验不采用此方法。 规定总延伸强度（Rt）的测定规定总延伸强度指总伸长等于规定的引伸计标距百分率时的应力（见图229）。使用的符号应附以下脚标说明规定的百分率，例如R t 0.5表示总延伸率为0.5%时的应力。图229 规定总延伸强度（R t） 图2210 规定残余延伸强度（R r）在力延伸曲线图上，划一条平行于力轴、并与该轴的距离等效于规定总延伸率的平行线，此平行线与曲线的交点给出相应于规定总延伸强度的力，此力除以试样的原始横截面积（S0）得到规定总延伸强度（见图229）。 可以使用自动装置(例如微机处理等)或自动测试系统测定规定总延伸强度，可以不绘制力延伸曲线图。 规定残余延伸强度（R r）的验证和测定规定残余延伸强度指卸除应力后残余延伸率等于规定的引伸计标距（Le）百分率时对应的应力（见图2210）。使用的符号应附以下脚标说明规定的百分率，例如R r0.2表示规定残余延伸率为0.2%时的应力。验证方法：试样施加相应于规定残余延伸强度的力，保持力10s12s，卸除力后验证残余延伸率未超过规定百分率（见图2210）。测定方法：采用卸荷方法测定（具体见实验6，此略）。4、抗拉强度（R m）的测定抗拉强度就是相应最大力（F m）的应力。按照定义采用图解方法或指针方法测定抗拉强度。对于呈现明显屈服（不连续屈服）现象的金属材料，从记录的力延伸或力位移曲线图、或从测力度盘读取过了屈服阶段之后的最大力；对于呈现无明显屈服（连续屈服）现象的金属材料，从记录的力延伸或力位移曲线图、或从测力度盘读取试验过程中的最大力。最大力除以试样的原始横截面积（S0）得到抗拉强度。可以使用自动装置（例如微机处理等）或自动测试系统测定抗拉强度，可以不绘制拉伸曲线图。5、塑性指标的测定 关于伸长率的定义（见图2211）伸长率指原始标距的伸长与原始标距（L0）之比的百分率。其又可分为：断后伸长率（A）：断后标距的残余伸长（LuL0）与原始标距（L0）之比的百分率。对于比例试样，若原始标距不为5.65 ，符号A应附以下脚注说明所使用的比例系数，例如，A11.3表示原始标距（L0）为11.3的断后伸长率。对于非比例试样，符号A应附以下脚注说明所使用的原始标距，以毫米（mm）表示，例如， A80 mm表示原始标距（L0）为80mm的断后伸长率。断裂总伸长率（At）：断裂时刻原始标距的总伸长（弹性伸长加塑性伸长）与原始标距（L0）之比的百分率。最大力伸长率：最大力时原始标距的伸长与原始标距（L0）之比的百分率。应区分最大力总伸长率（Agt）和最大力非比例伸长率（Ag）（见图2211）。图2211 伸长率的定义 断后伸长率和断裂总伸长率的测定应按照定义测定断后伸长率。为了测定断后伸长率，应将试样断裂的部分仔细地配接在一起，使其轴线处于同一条直线上，并采取特别措施确保试样断裂部分适当接触后测量试样断后标距。这对小截面式样和低伸长率试样尤为重要。应使用分辨率优于0.1 mm的量具或测量装置测定断后标距（Lu），准确到0.25 mm。如规定的最小断后伸长率小于5%，建议采用下述的特殊方法进行测定。原则上，只有断裂处与最接近的标距标记的距离不小于原始标距的三分之一的情况方为有效，但若断后伸长率大于或等于规定值，不管断裂位置处于何处测量均为有效。为了避免由于试样断裂位置不符合该规定的条件而必须报废试样，可以采用移位法测定断后伸长率。附：当规定的最小断后伸长率小于5%时推荐的测定方法：试验前在平行长度的一端处作一很小的标记，使用调节到标距的分规，以此标记为圆心划一圆弧。拉段后，将断裂的试样置于一装置上，最好借助螺丝施加轴向力，以使其在测量时牢固地对接在一起。以原圆心为圆心、以相同的半径划第二个圆弧，用工具显微镜或其他合适的仪器测量两个圆弧之间的距离即为断后伸长，准确到 0.02 mm。为使划线清晰可见，试验前涂上一层染料。也可采用下述的引伸计方法。能用引伸计测定断裂延伸率的试验机，引伸计标距（Le）应等于试样的原始标距（L0）（注：如产品标准规定用一固定标距测定断后伸长率，引伸计标距应等于这一标距），无需标出试样原始标距的标记。以断裂时的总延伸作为伸长测量时，为了得到断后伸长率，应从总延伸中扣除弹性延伸部分。原则上，断裂发生在引伸计标距以内方为有效，但若断后伸长率大于或等于规定值，不管断裂位置处于何处测量均为有效。以此方法测定的断裂总延伸除以试样原始标距得到断裂总伸长率（见图2211）。试验前通过协议，可以在一固定标距上测定断后伸长率，然后使用换算公式或换算表将其换算成比例标距的断后伸长率（注：仅当标距或引伸计标距、横截面的形状和面积均为相同时，或当比例系数（k）相同时，断后伸长率才具有可比性）。 最大力总伸长率（Agt）和最大力非比例伸长率（Ag）的测定在用引伸计得到的力延伸曲线图测定最大力时的总延伸（Lm），最大力总伸长率按照下式计算：Agt =（LmLe）100从最大力时的总延伸Lm中扣除弹性延伸部分即得到最大力时的非比例伸长，将其除以引伸计标距（Le）得到最大力非比例伸长率（见图2211）。有些材料在最大力时呈现一平台，当出现这种情况时，取平台中点的最大力对应的总伸长率（见图2211）。如试验是在计算机控制的具有数据采集系统的试验机上进行，直接在最大力点测定总伸长率和相应的非比例伸长率，可以不绘制力延伸曲线图。试验报告中应报告引伸计标距。 屈服点延伸率（Ae）的测定按照定义根据力延伸曲线图测定屈服点延伸率。试验时记录力延伸曲线，直至达到均匀加工硬化阶段。在曲线图上，经过屈服阶段结束点划一条平行于曲线的弹性直线段的平行线，此平行线在曲线图的延伸轴上的截距即为屈服点延伸，屈服点延伸除以引伸计标距得到屈服点延伸率（见图226）。可以使用自动装置（例如微机处理等）或自动测试系统测定屈服点延伸率，可以不绘制力延伸曲线图。试验报告中应报告引伸计标距。注：国际标准未规定词条内容，为了按照定义进行测定，补充此条规定（规范中注）。 断面收缩率（Z）的测定断面收缩率指断裂后试样横截面积的最大缩减量（S0Su）与原始横截面积（S0）之比的百分率。按照定义测定断面收缩率。断裂后最小横截面积的测定应准确到2%。图2212 矩形截面试样缩颈处的最大宽度和最小厚度测量时，如果需要，应将试样断裂的部分仔细地配接在一起，使其轴线处于同一条直线上。对于圆形横截面试样，在缩颈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积；对于矩形横截面试样，测量缩颈处的最大宽度（bu）和最小厚度（au）（见图2212），两者之乘积即为断后最小横截面积。原始横截面积（S0）与断后最小横截面积（Su）之差除以原始横截面积的百分率得到断面收缩率。薄板和薄带试样、管材全截面试样、圆管纵向弧形试样和其他复杂横截面试样、以及直径小于3 mm的试样，一般不测定断面收缩率。如果要求，应双方商定测定方法，其断后最小横截面积的测定也应准确到2%。（六）性能测定的结果1、数字修约试验测定的性能结果数据应按照相关产品标准的要求进行修约。如未规定距图要求，应按照表223的要求进行修约。修约的方法按照GB/T 8170执行（见附录C）。表223 性能结果数据的修约间隔性 能范 围修 约 间 隔ReH，REl，Rp，Rt，Rr，Rm200N/mm2200N/mm21 000N/mm21 000N/mm21 N/mm25 N/mm210 N/mm2Ae0.05%A，At，Agt，Ag0.5%Z0.5%注：国际标准仅对断后伸长率的测定结果数值规定修约间隔为0.5%，此补充规定了其他性能测定结果数值的修约要求（规范中注）。2、试验结果处理试验出现下列情况之一其试验结果无效，应重做同样数量试样的试验。 试样断在标距外或断在机械刻划的标距标记上，而且断面伸长率小于规定的最小值； 试验期间设备发生了故障，影响了试验结果。试验后，试样出现两个或两个以上的缩颈以及显示出肉眼可见的冶金缺陷（例如分层、气泡、夹渣、缩孔等），应在试验记录和报告中注明。3、试验报告试验报告一般应包括下列内容：a）本国家标准编号；b）试样标识；c）材料名称、牌号；d）试样类型；e）试样的取样方向和位置；f）所测性能结果。二、轴向压缩机械性能的测定材料在静载轴向压力作用下的行为，由压缩试验来揭示，其实验原理是用压力压缩试样，测定材料的一项或几项力学性能。对于金属材料室温压缩性能的测定，我国规定有金属压缩试验方法的标准。目前执行的是GB 731487标准。此部分内容就是根据GB 731487标准编写的。（一）试样要求图2213 压缩时试样端面上的摩擦力当试样承受压缩时，其上下两表面与试验机支承垫之间产生很大的摩擦力（图2213所示），这些摩擦力阻碍试样上部和下部的横向变形。若在试样两端涂以润滑剂，就可以减小摩擦力，但试样的抗压能力将有所降低。当试样长度相对增加时，摩擦力对试样中部的影响将有所减小，因此抗压能力与试样长度L和直径d0的比值L/d0有关。为了避免试样尺寸和形状对试验结果的影响，也为了便于对不同材料的压缩性能进行比较，所以对试样的尺寸和形状应有一个统一的规定。1、形状与尺寸(a) 圆柱体试样(b) 正方形柱体试样(c) 矩形板试样(d) 带凸耳板状试样(注：凸耳根部圆角半径不大于0.1mm)图2214 压缩试样压缩试样形状和尺寸的设计应保证：在试验过程中标距内为均匀单向压缩（单向压缩是指试样受轴向压缩时，弯曲的影响可以忽略不计，标距内应力均匀分布；且在试验过程中不发生弯曲），引伸计所测变形应与试样轴线上标距段的变形相等，且端部不应在试验结束之前损坏。图2214为国标GB731487所推荐的试样，凡能满足本要求的其他试样也可采用。图2214中的(a)、(b)为侧向无约束试样。其长度L=(2.53.5)d0的试样适用于测定规定非比例压缩应力Pc、规定总压缩应力tc、压缩屈服极限sc和抗压强度bc；L=(58)d0的试样适用于测定规定非比例压缩应力Pc 0.01和压缩弹性模量Ec；L=(12)d0的试样仅适用于测定抗压强度bc。图2214中的(c)、(d)为板状试样，需夹在约束装置内进行试验；除脆性材料外，一般不能测定抗压强度bc。试样原始标距两端分别距试样断面的距离不应小于直径（宽度）的二分之一（测Ec时不应小于直径）。板状试样的长度按公式：L=H+h计算，h按公式：hPc+(Pc/Ec)+ (0.20.3)计算；在测量规定总压缩应力tc时，h按公式：htcH+(0.20.3)计算。式中，Pc为规定非比例压缩应变，tc为规定总压缩应变。2、试样的制备样坯切取的数量、部位、取向应按照相关产品标准或双方协议规定；切取样坯和机加工试样时，应防止因冷加工或热影响而改变材料的性能。板状试样厚度为原材料厚度时，应保留原表面，表面上不应有划痕等损伤；试样厚度为机加工厚度时，表面粗糙度不应低于原表面的粗糙度。厚度（直径）在标距内的允许偏差为1%或0.05mm取其小值。圆柱体试样按图2214机加工，板状试样按表224机加工。棱边应无毛刺、无倒角。 表224 机加工板状试样尺寸 mm厚 度宽 度图 号0.1022101012.512.510图2214 图2214 图2214 注：厚度小于0.3mm的，一般把试样头部弯成“”。试样应平直。从板卷或带卷上切取的试样，允许有不影响性能测定的轻微弯曲。3、试样的贮存试验前，试样应置于干燥无腐蚀介质的室温环境下存放，并防止在存放期间表面受到损伤和变形。（二）试样原始尺寸的测定板状及正方形柱体试样的厚度和宽度，须在试样原始标距中点处测量；圆柱体试样须在试样原始标距中点处两个相互垂直的方向上测量直径，取其平均值。测量量具应按表225选用。表225 量具精度要求 mm被测尺寸范围量具最小刻度值 不大于0.50.52210100.0010.0020.010.05测量带耳板状试样，原始标距为两侧面的每一侧面两耳沿试样轴线方向的内侧距离和外侧距离总和的四分之一（注：测量时量具不应靠近凸耳根部）。（三）试验设备的准确度1、试验机凡满足下列要求的试验机均可使用：a、力的示值误差不超过1%（即试验机为1级或优于1级准确度）。b、试验机台板安装试样的表面与压头压试样的表面应平行，其平行度不低于10.0002（安装试样区100mm范围内）。c、试验过程中，压头与台板间不应有侧向的相对移动和转动。注：对于不满足b和c要求的试验机，应加配力导向装置。在偏心压缩的影响较明显时，可配用调平垫快。试验机应备有调速指示装置，其速度应能在标准规定的范围内控制和调节，并保持施力平稳而无冲击现象。试验机应备有力传感器，其满量程误差和线性差均不大于0.5%。试验机应备有放大和记录力及变形的装置。硬度较高的试样两端应垫以合适的硬质材料做成的垫板，试验后，板面不应有永久变形。垫板两面的平行度应不低于10.0002，表面粗糙度不低于Ra 0.8 。试验机应由计量部门定期检定。板状试样压缩时，应使用约束装置。进行脆性材料试验时，应家用有机玻璃或铁纱做成的防护罩，以防止试样碎片飞出伤人或损坏仪器。2、引伸计引伸计（包括记录或显示仪器）应进行标定，标定时引伸计的工作状态应尽可能与试验工作状态相同。引伸计的准确度级别应符合GB/T 12160的要求。经标定的引伸计，在日常试验前应注意检查，若发现异常应重新标定。应按表226选用相应级别的引伸计。表226 引伸计的选用性 能规定非比例压缩应变（%）允许使用的最低级别bc0.05B0.050.2C0.2DEcBtcDsc测定弹性模量和规定非比例压缩应变小于0.05%的规定非比例压缩应力时，必须采用双弓平均引伸计；引伸计应同时装夹在试样相对的两侧。（四）试验要求1、试验环境条件试验应在室温1035范围内进行。2、试验速率压缩速度在弹性（或接近弹性）范围，采用控制应力速率的方法，其速率控制在110 MPa/s范围内；在明显塑性变形范围，采用控制应变速率的方法，其速率控制在0.00050.0001/s范围内。3、试样安装安装试样时，试样纵轴中心线应与压头轴线重合。板状试样装进约束装置前，两侧面与夹板间应铺一层厚度不大于0.05 mm的聚四氟乙烯薄膜，或均匀涂一层润滑剂，以减少摩擦。板状试样铺薄膜或涂润滑剂之前，应用无腐蚀的溶剂清洗；装夹后，应把两端面用细纱布擦干净。（五）主要性能的测定1、实际压缩力（F）的测定 板状试样夹紧力的选择应根据材料的规定非比例压缩应力Pc0.2（或压缩屈服极限sc）及板厚来选择夹紧力。一般使摩擦力Ff不大于FPc0.2估计值的2%；对于极薄试样，允许摩擦力达到FPc0.2估计值的5%。只要能保证试验顺利进行，夹紧力越小越好。图2215 作图法确定实际压缩力F 板状试样实际压缩力F的测定试验时自动绘制的力变形曲线，一般初始部分因受摩擦力影响而并非线性关系（见图2215）。当力足够大时，摩擦力达到一个定值，此后摩擦力不再影响的力变形曲线。设摩擦力Ff平均分布在试样表面上，则实际压缩力F为：F=F0Ff /2式中F0为试样上端所受的力。 作图法确定实际压缩力F 在自动绘制的力变形曲线图（见图2215）上，沿弹性直线段反延直线交原坐标轴于O，在原坐标轴原点O与O的连线中点上作垂线，交反延的直线于O点，O点即为力变形曲线的真实原点。过O点作平行原坐标轴的直线，即为修正后的坐标轴，实际压缩力可在新坐标系上直接判读。 图2216 作图法求FPc (a)无侧向约束试验、(b)有侧向约束试验2、规定非比例压缩应力（Pc）的测定 规定非比例压缩应力指试样标距段的非比例变形达到规定的原始标距百分比时的应力。表示此应力的符号应附以角注说明，例如Pc0.01、Pc0.02分别表示规定非比例压缩应变为0.01%、0.02%时的应力（试样的原始标距L0是指用引伸计测量试样变形的那一部分长度。此长度应不小于试样原始宽度b0或试样原始直径d0）。用力变形作图法测定。力轴每毫米所代表的力应使所求的规定非比例压缩变形的实际压缩力FPc点处于力轴的二分之一以上，变形放大倍数的选择应保证图2216中的OC段长度不小于5mm。在自动绘制的力变形曲线图（见图2216）上，自O点起，截取一段相当于规定非比例变形的距离OC（pcL0n ，其中n为变形放大倍数），过C点作平行于弹性直线段的直线CA交曲线于A点，其对应的力FPc为所测规定非比例实际压缩力。规定非比例压缩应力按公式 Pc=FPc/S0计算（S0为试样原始横截面积）。图2217 逐次逼近作图法求FPc (a)无侧向约束试验、(b)有侧向约束试验如果力变形曲线无明显的弹性直线段（见图2217），采用逐次逼近法。先在曲线上直观估读一点A0，约为规定非比例压缩应变0.2%的力FA0，而后在微弯曲线上取G0、Q0两点，其分别对应的力0.1FA0、0.5FA0作直线G0Q0 ,按上述方法过C点作平行线于G0Q0的直线CA1交曲线于A1点，如A1点与A0点重合，则FA0即为FPC0.2。G0Q0直线的斜率一般可以用于图解确定其他规定非比例压缩应力的基准。如A1点末与A0点重合，则需采取与上述相同的步骤进行第二次逼近，此时取A1点对应的力FA1来分别确定0.1FA1、0.5FA1对应的点G1、Q1，然后如前述过C点作平行线来确定交点A2。重复相同步骤直止最后一次得到的交点与前一次的重合。图2218 作图法求Ftc (a)无侧向约束试验、(b)有侧向约束试验3、规定总压缩应力（tc）的测定规定总压缩应力指试样标距段的总压缩变形（弹性变形加塑性变形）达到规定的原始标距百分比时的应力。表示此应力的符号应附以角注说明，例如tc1.5规定总压缩应变为1.5%时的应力。用力一变形作图法测定。力轴同上述的规定，总压缩变形一般应超过变形轴的二分之一以上。在自动绘制的力一变形曲线图（见图2218）上，自O点起在变形轴上取CD段（tcL0n），过D点作与力轴平行的DM直线交曲线于M点，其对应的力Ftc为所测规定总压缩力。总压缩应力按公式 tc=Ftc/S0 计算。（a） （b）图2219 作图法求Fsc(一)4、压缩屈服极限（sc）的测定压缩屈服极限指试样在压缩试验过程中，达到力值不再增加而仍继续变形时所对应的应力。用力一变形作图法测定。力轴同上述的规定，变形轴应根据屈服阶段的变形来确定。图2220 作图法求Fsc(二)图2221 作图法求Fbc在自动绘制的力一变形曲线图（2219 a、b）上，判读屈服平台的恒定实际压缩力或塑性屈服阶段的最低实际压缩力即为屈服力Fsc；若屈服阶段曲线出现多个波峰波谷时，取第一个波谷之后的最低实际压缩力为屈服力（见图2220）。压缩屈服极限按公式 sc=Fsc/S0 计算。如协议允许，屈服力可在测力度盘上判读。5、抗压强度（bc）的测定抗压强度指试样压至破坏过程中的最大应力。试样压至破坏，从力-变形曲线图上确定最大实际压缩力Fbc（见图2221），或从测力度盘读最大力值。抗压强度按公式 bc=Fbc/S0 计算。6、压缩弹性模量（Ec）的测定压缩弹性模量指在压缩试验过程中，应力应变成线性关系时应力与应变的比值。用力-变形作图法测定。力轴同上述的规定，变形放大倍数应大于500倍。在自动绘制的力变形曲线图（见图2218）上，取弹性直线段上J、K两点（点距应尽可能长），读出对应的力Fj、Fk以及变形Lj、Lk，则弹性模量按下列公式计算：如材料无明显的弹性直线段，又没有其他规定时，则按逐次逼近方法处理。（六）性能测定的结果1、数字修约数字修约方法按照GB1.181标准化工作导则 编写标准的一般规定附录C执行。弹性模量值修约后至少保留两位有效数字；应力值修约按表227进行。 表227 应力值的修约（MPa）范 围修 约 到5005001000100015102、试验结果处理试验出现下列情况之一其试验结果无效，并应补做同样数量试样的试验。 试样未达到所求性能时，发生屈曲者； 试样未达到所求性能时，端部就局部压坏以及试样在凸耳部分或标距外断裂者； 试验过程中操作不当者； 试验过程中仪器设备发生故障者。试验后，试样上显示出肉眼可见的冶金缺陷（例如分层、气泡、夹渣、缩孔等），应在试验记录和报告中注明。三、实验内容金属材料的室温拉伸试验实验目的1、测定低碳钢的屈服强度REh 、ReL及Re 、抗拉强度Rm 、断后伸长率A和断面收缩率Z 。2、测定铸铁的抗拉强度Rm和断后伸长率A。3、观察并分析两种材料在拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化、冷作硬化和颈缩等现象），并绘制拉伸图。4、比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）拉伸机械性能的特点。使用设备万能试验机、游标卡尺、试样分划器或钢筋标距仪试样图21 机加工的圆截面拉伸试样本试验采用经机加工的直径d =10 mm的圆形截面比例试样，其是根据国家试验规范的规定进行加工的。它有夹持、过渡和平行三部分组成（见图21），它的夹持部分稍大，其形状和尺寸应根据试样大小、材料特性、试验目的以及试验机夹具的形状和结构设计，但必须保证轴向的拉伸力。其夹持部分的长度至少应为楔形夹具长度的3/4（试验机配有各种夹头，对于圆形试样一般采用楔形夹板夹头，夹板表面制成凸纹，以便夹牢试样）。机加工带头试样的过渡部分是圆角，与平行部分光滑连接，以保证试样破坏时断口在平行部分。平行部分的长度Lc按现行国家标准中的规定取Lo+d ，Lo是试样中部测量变形的长度，称为原始标距。实验原理按我国目前执行的国家GB/T 2282002标准金属材料 室温拉伸试验方法的规定，在室温1035的范围内进行试验。将试样安装在试验机的夹头中，然后开动试验机，使试样受到缓慢增加的拉力（应根据材料性能和试验目的确定拉伸速度），直到拉断为止，并利用试验机的自动绘图装置绘出材料的拉伸图（图22所示）。应当指出，试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形L主要是整个试样（不只是标距部分）的伸长，还包括机器的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素。由于试样开始受力时，头部在夹头内的滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。（a）低碳钢拉伸曲线图 （b）铸铁拉伸曲线图图22 由试验机绘图装置绘出的拉伸曲线图1、低碳钢（典型的塑性材料） 当拉力较小时，试样伸长量与力成正比增加，保持直线关系，拉力超过FP后拉伸曲线将由直变曲。保持直线关系的最大拉力就是材料比例极限的力值FP 。在FP的上方附近有一点是Fc，若拉力小于Fc而卸载时，卸载后试样立刻恢复原状，若拉力大于Fc后再卸载，则试件只能部分恢复，保留的残余变形即为塑性变形，因而Fc是代表材料弹性极限的力值。图23 低碳钢的冷作硬化当拉力增加到一定程度时，试验机的示力指针（主动针）开始摆动或停止不动，拉伸图上出现锯齿状或平台，这说明此时试样所受的拉力几乎不变但变形却在继续，这种现象称为材料的屈服。低碳钢的屈服阶段常呈锯齿状，其上屈服点B受变形速度及试样形式等因素的影响较大，而下屈服点B则比较稳定（因此工程上常以其下屈服点B所对应的力值FeL作为材料屈服时的力值）。确定屈服力值时，必须注意观察读数表盘上测力指针的转动情况，读取测力度盘指针首次回转前指示的最大力FeH（上屈服荷载）和不计初瞬时效应时屈服阶段中的最小力FeL（下屈服荷载）或首次停止转动指示的恒定力FeL（下屈服荷载），将其分别除以试样的原始横截面积（S0）便可得到上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。即ReH= FeH/S0 ReL = FeL/S0屈服阶段过后，虽然变形仍继续增大，但力值也随之增加，拉伸曲线又继续上升，这说明材料又恢复了抵抗变形的能力，这种现象称为材料的强化。在强化阶段内，试样的变形主要是塑性变形，比弹性阶段内试样的变形大得多，在达到最大力Fm之前，试样标距范围内的变形是均匀的，拉伸曲线是一段平缓上升的曲线，这时可明显地看到整个试样的横向尺寸在缩小。此最大力Fm为材料的抗拉强度力值，由公式Rm=Fm/S0 即可得到材料的抗拉强度Rm。如果在材料的强化阶段内卸载后再加载，直到试样拉断，则所得到的曲线如图23所示。卸载时曲线并不沿原拉伸曲线卸回，而是沿近乎平行于弹性阶段的直线卸回，这说明卸载前试样中除了有塑性变形外，还有一部分弹性变形；卸载后再继续加载，曲线几乎沿卸载路径变化，然后继续强化变形，就像没有卸载一样，这种现象称为材料的冷作硬化。显然，冷作硬化提高了材料的比例极限和屈服极限，但材料的塑性却相应降低。当荷载达到最大力Fm后，示力指针由最大力Fm缓慢回转时，试样上某一部位开始产生局部伸长和颈缩，在颈缩发生部位，横截面面积急剧缩小，继续拉伸所需的力也迅速减小，拉伸曲线开始下降，直至试样断裂。此时通过测量试样断裂后的标距长度Lu和断口处最小直径du，计算断后最小截面积（Su），由计算公式 、 即可得到试样的断后伸长率A和断面收缩率Z。2、铸铁（典型的脆性材料）脆性材料是指断后伸长率A5 的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都很小。而且，大多数脆性材料在拉伸时的应力应变曲线上都没有明显的直线段，几乎没有塑性变形，也不会出现屈服和颈缩等现象（如图22b所示），只有断裂时的应力值强度极限。铸铁试样在承受拉力、变形极小时，就达到最大力Fm而突然发生断裂，其抗拉强度也远小于低碳钢的抗拉强度。同样，由公式Rm=Fm/S0 即可得到其抗拉强度Rm，而由公式 则可求得其断后伸长率A。试验步骤一、低碳钢拉伸试验1、试样准备：为了便于观察标距范围内沿轴向的变形情况，用试样分划器或标距仪在试样标距L0 范围内每隔5 mm刻划一标记点（注意标记刻划不应影响试样断裂），将试样的标距段分成十等份。 用游标卡尺