实验一 低碳钢拉伸试验

低碳钢拉伸试验姓名：班级：日期：指导老师：一、试验目的1、测定低碳钢在退火、正火和淬火三种不同热处理状态下的强度与塑性性能。2、测定低碳钢的应变硬化指数和应变硬化系数。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。试样要进行机加工。平行长度和夹持头部之间应以过渡弧连接，试样头部形状应适合于试验机夹头的夹持。夹持端和平行长度之间的过渡弧的半径应为：≥0.75d即7.5mm。本次试验采用的试样编号为R4，直径是10mm,原始标距为50mm，平行长度Le≥55mm。试样的精度要求包括①直径的尺寸公差为±0.07mm②形状公差即沿试样的平行长度的最大直径与最小直径之差不应超过0.04mm。四、实验测量工具、仪器与设备根据国标要求，对于比例试样，应将原始标距的计算值修月之最接近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±1%，即±0.5mm。测量原始直径的分辨率不大于0.05mm。实验的温度应为10℃-35℃，实验机的应变速率为0.00025/s-0.0025/s，实验过程中所需最大实验力为47.1KN，均匀最大变形量可达30％以上。试验机应为或优于一级，引伸计应不劣于二级。测量装置测定断后标距应准确到±0.25mm，此次实验采用精度为0.02mm的游标卡尺来测量，能符合国标要求。测量断后最小横截面积时，所得最小横截面积应准确到±2%。因而此次实验量工具、仪器与设备有：五十分度游标卡尺(0.02mm,20cm)、电子万能试验机、引伸计。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。电子万能试验机的载荷传感器用来测量拉伸过程试样所受到的轴向载荷。引伸计用来测量试样在拉伸过程中的微小伸长量。电子万能试验机的参数：最大试验力：200KN（大于47.1KN）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五、试验步骤1．试件准备（1）给三个试样编号，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，得到数据后看数据是否符合公差要求，若符合则计算各截面的平均值，取其中最小者作为计算直径d0，再算出试样的初始横截面面积S0；若不符合，重新测。（2）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三个这样的标距，每个间隔10mm。2．试验机准备试验机的位移速度调至8min/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①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。②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。③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。①试样断后标距Lu②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，得到数据后看数据是否符合公差要求，若符合，记录下来；若不符合，重新测。7.获得的数据及曲线拷贝下来。8.整理仪器。六、数据处理①从电脑绘图中读出屈服期间不计初始瞬时效应的最小载荷PeL并记录下来。再读出整个图的最大载荷Pm。②计算断后伸长率A及端面收缩率Z应用公式：Z=(S0-Su)/S0*100％A=(Lu-L0)/L0*100％③计算下屈服强度PeL应用公式：ReL=PeL/S0④计算抗拉强度Rm应用公式：Rm=Pm/S0⑤计算应变硬化指数n和应变硬化系数K均匀地选取材料均匀变形阶段（屈服阶段后载荷达最大载荷前的阶段）中的六次数据载荷P及应变e，计算六次数据的真应力S，以lne为横坐标，以lnS为纵坐标作直线图。直线的斜率即为n，直线的截距即为lnK，由此可计算出K。实验数据记录表格及计算结果表1试样原始尺寸测量记录表试样标号原始标距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1509．949.949.949．949.969.959.969.969.9677.5629.949.929.939.929.929.929.929.929.9277.253609.989.969.979.969.949.959.949.949.9477.56其中，S0=πd02/4初始截面的最大直径与最小直径之差分别为0.02mm、0.02mm、0.04mm,都没有超过0.04mm。表2试样断后尺寸测量记录表试样标号拉断后标距Lu测量（mm）断后截面直径du测量（mm）试样断后截面面积Su（mm2）第一次第一次平均值第一次第一次平均值162.6262.0662.346.02/5.925.92/5.965.9727.98269.6269.7269.4269.4869.3469.3269.485.50/5.465.52/5.505.48/5.485.52/5.485.50/5.485.4923.66387.1686.7286.945.80/5.745.82/5.805.7926.32其中，Su=πdu2/4表3强度、塑性指标的计算结果记录表试样标号屈服极限/MPa强度极限/MPa断面收缩率/%断后伸长率/%修约前修约后修约前修约后修约前修约后修约前修约后1401.4286400623.747362563.9%64.0%24.7%24.5%2234.0973235401.289340069.4%69.5%39.0%39.0%3296.0167295442.626944566.1%66.0%44.5%44.5%断面收缩率Z的计算：试样1：试样2:试样3：断后伸长率A的计算：试样1：试样2：试样3：（注：50mm的线看不清，这里以60mm为原始标距）应变硬化指数和系数的计算数据表中给出的数据为拉伸过程的变形量△L和拉伸力P的值，工程应变和应力的计算式为：工程应变：工程应力：真应变和真应力的计算公式为：真应变：真应力：试样1：拉伸曲线为试样1的原始横截面面积为S0=77.56mm2,L0=50mm。由上图知，试样1的均匀变形阶段为工程应变在1.10%-8.80%的范围内的阶段，在此范围内均匀取六个点：变形量/mmε/%P/Nσ/MPaS/MPae/%lnelnS0.75111.5037269480.52487.731.49-4.216.191.35172.7041618536.59551.082.66-3.636.312.10214.2044956579.63603.974.11-3.196.402.85105.7046844603.97638.405.54-2.896.463.6007.2047874617.25661.696.95-2.676.494.3508.7048346623.34677.578.34-2.486.52拟合曲线为拟合直线的斜率极为n，n=0.192，lnK=7.007,K=1104MPa.试样2：拉伸曲线为试样2的原始横截面面积为S0=77.25mm2,L0=50mm。由上图知，试样1的均匀变形阶段为工程应变在4.40%-22.00%的范围内的阶段，在此范围内均匀取六个点：变形量/mmε/%P/Nσ/MPaS/MPae/%lnelnS2.25124.5024502317.18331.454.40-3.125.804.00198.0028164364.58393.757.70-2.565.985.751611.5029847386.37430.8010.89-2.166.077.499315.0030618396.35455.8013.98-1.976.129.251918.5030944400.57474.6816.97-1.776.1611.009222.0231011401.44489.8419.90-1.616.19拟合曲线为拟合直线的斜率极为n，n=0.257，lnK=6.618,K=748MPa.试样3：拉伸曲线为试样3的原始横截面面积为S0=77.56mm2,L0=50mm。由上图知，试样1的均匀变形阶段为工程应变在4.20%-21.00%的范围内的阶段，在此范围内均匀取六个点：变形量/mmε/%P/Nσ/MPaS/MPae/%lnelnS2.14904.3027377352.98368.164.21-3.175.913.80377.6131191402.15432.757.33-2.616.075.452210.9132977425.18471.5710.35-2.276.167.099914.2033833436.22498.1613.28-2.026.218.747717.5034225441.27518.4916.13-1.826.2510.400220.8034345442.82534.9318.90-1.676.28拟合曲线为拟合直线的斜率极为n，n=0.246，lnK=6.702,K=814MPa.二、结果与讨论由上述表格知Rel2＜Rel3＜Rp3,Rm2＜Rm3＜Rm1,而Z2＞Z3＞Z1，由于三号试样是以60mm为原始标距的，因此断后伸长率在评价试样塑性时参考价值不大。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。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。由上述知：n2>n3>n3,则三种钢的应变硬化能力及塑性：试样2>试样3>试样1.这与上面得到的结论一致。七、实验结论①试样1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。②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。样3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。八、误差分析①断后伸长率AA=(Lu-L0)/L0*100％△L0=0.5mm（划刻器精度），△Lu=0.25mm.a、试样1：因此，试样1的断后伸长率为24.7%±1.75%，修约后的值24.5%在这个范围内，因而该值可靠。b、试样2：因此，试样2的断后伸长率为39.0%±1.89%，修约后的值39.0%在这个范围内，因而该值可靠。C、试样3：因此，试样3的断后伸长率为44.5%±1.62%，修约后的值44.5%在这个范围内，因而该值可靠。②断面收缩率ZZ=(S0-Su)/S0*100％=(d02-du2)/d02△d0=0.02mm(因为测量工具用的是精度为0.02mm的游标卡尺),△du=1%du试样1：因此，试样1的断面收缩率为63.9%±0.87%，修约后的值64.0%在这个范围内，因而该值可靠。试样2；因此，试样2的断面收缩率为69.4%±0.74%，修约后的值69.5%在这个范围内，因而该值可靠。c、试样3；因此，试样3的断面收缩率为66.1%±0.82%，修约后的值66.0%在这个范围内，因而该