低碳鋼拉伸試驗(yàn)報(bào)告

一、試驗(yàn)?zāi)康?/strong>

1、測(cè)定低碳鋼在退火、正火和淬火三種不同熱處理狀態(tài)下的強(qiáng)度與塑性性能

2、測(cè)定低碳鋼的應(yīng)變硬化指數(shù)和應(yīng)變硬化系數(shù)

二、試驗(yàn)原理和要求

    原理：低碳鋼材料的機(jī)械性能指標(biāo)是由拉伸破壞試驗(yàn)來(lái)確定的，拉伸過(guò)程有彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)階段。通過(guò)拉伸試驗(yàn)，可以確定材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率等性能指標(biāo)。而且可以通過(guò)Hollomon公式計(jì)算出材料的應(yīng)變硬化系數(shù)與應(yīng)變硬化指數(shù)。

    要求：按照相關(guān)國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T228-2002：金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法）要求完成試驗(yàn)測(cè)量工作。

三、試驗(yàn)材料與試樣

    試驗(yàn)材料：退火低碳鋼、正火低碳鋼、淬火低碳鋼的R4標(biāo)準(zhǔn)試樣各一個(gè)。試樣規(guī)格尺寸及公差要求如表1、表2所示；試樣示意圖如圖1所示：

圖 1 低碳鋼拉伸試樣示意圖

表 1  R4試樣的規(guī)格尺寸  

表 2  R4試樣的橫向尺寸公差

四、試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容與相關(guān)的測(cè)量工具、儀器、設(shè)備

1.試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容

(1) 直接測(cè)量的物理量：試樣的原始標(biāo)距L₀、斷后標(biāo)距L_u、原始直徑d₀、斷后直徑d_u。

(2) 連續(xù)測(cè)量加載過(guò)程中的載荷P和試樣的伸長(zhǎng)量ΔL=L-L₀數(shù)據(jù)。（由萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)給出應(yīng)力-應(yīng)變曲線）

2.測(cè)量工具、儀器、設(shè)備

(1) 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。其主要技術(shù)規(guī)格及參數(shù)如下：

a. 最大試驗(yàn)力：200 kN

b. 試驗(yàn)力準(zhǔn)確度：優(yōu)于示值的0.5%

c. 力值測(cè)量范圍：最大試驗(yàn)力的0.4%-100%

d. 變形測(cè)量準(zhǔn)確度：在引伸計(jì)滿量程的2%-100%范圍內(nèi)優(yōu)于示值的1%

e. 橫梁位移測(cè)量：分辨率的0.001mm

f. 橫梁速度范圍：0.005mm/min -500mm/min，無(wú)級(jí)，任意設(shè)定

g. 夾具形式：標(biāo)準(zhǔn)楔形拉伸附具、壓縮附具、彎曲附具

(2) 游標(biāo)卡尺：精確度0.02 mm

(3) 載荷傳感器：0.5級(jí)，是指載荷傳感器示值的最大相對(duì)誤差為±0.5%

(4) 引伸計(jì)：標(biāo)距為50 mm，0.5級(jí)，0.5級(jí)引伸計(jì)的標(biāo)距相對(duì)誤差為±0.5%

(5) 劃線器：標(biāo)記應(yīng)準(zhǔn)確到±1%

注：低碳鋼淬火后抗拉強(qiáng)度可達(dá)600MPa，而試樣直徑為10 mm，故最大試驗(yàn)力為：600 MPa×π(10 mm/2⁾²=47.1 kN<200 kN，因此試驗(yàn)機(jī)加載能力滿足要求。

五、試驗(yàn)步驟

1．拿到試樣，給試樣標(biāo)號(hào)：1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)；

2．用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量三個(gè)樣品的兩端和中間這三個(gè)位置上相互垂直方向的直徑d₀，記錄數(shù)據(jù)，并對(duì)照R4標(biāo)準(zhǔn)試樣的橫向尺寸公差和形狀公差，看試樣是否滿足要求，若不符合，則換一個(gè)試樣重新測(cè)量；

3．用劃線器在試樣上標(biāo)記試樣的原始標(biāo)距L₀，標(biāo)記4條線，線和線之間的距離是10mm+40mm+10mm；

4．將引伸計(jì)固定在試樣的標(biāo)距之間，同時(shí)將試樣安裝卡緊至拉伸試驗(yàn)機(jī)的夾頭之間，試驗(yàn)中用引伸計(jì)檢測(cè)試樣的變形量，載荷傳感器固定安置于試驗(yàn)機(jī)的下橫梁和下夾頭之間；

5．設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，第一步，設(shè)置實(shí)驗(yàn)類型為拉伸試驗(yàn)，第二步，將載荷與位移的數(shù)值清零，第三步，選擇等位移的控制方法，設(shè)置試驗(yàn)機(jī)的拉伸速率為6 mm/min^[1]，第四步，點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)開始”按鈕，啟動(dòng)測(cè)試過(guò)程，計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制出載荷-位移曲線，當(dāng)曲線趨于平緩時(shí)，摘除引伸計(jì)；

6．繼續(xù)拉伸試驗(yàn)，觀察試樣出現(xiàn)頸縮直至斷裂，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停止，從試驗(yàn)機(jī)的夾頭之間取下試樣，觀察斷口形貌；

7．再用游標(biāo)卡尺測(cè)量斷后標(biāo)距L_u^[2]和頸縮處最小直徑d_u^[3]；

8．重復(fù)以上步驟，測(cè)量不同熱處理狀態(tài)的試樣；

9．根據(jù)測(cè)試結(jié)果，處理數(shù)據(jù)。

注：[1]國(guó)標(biāo)規(guī)定，試樣平行長(zhǎng)度的屈服期間應(yīng)變速率應(yīng)在0.00025/s~0.0025/s，因?yàn)樵嚇悠叫虚L(zhǎng)度為60 mm，60 mm×0.00025 /s×60 s=0.9 mm/min，60 mm×0.0025 /s×60 s=9 mm/min，即試樣被拉伸的速度范圍是0.9 mm/min~9 mm/min，因此設(shè)定試驗(yàn)機(jī)的拉伸速率為6 mm/min符合要求。

[2]要求斷后標(biāo)距的測(cè)量工具分辨率要優(yōu)于0.1 mm，準(zhǔn)確到±0.25 mm，因此可以用精度為0.02mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量多組數(shù)據(jù)，求均值和方差。

[3]要求斷裂后最小橫截面積的測(cè)定應(yīng)準(zhǔn)確到±2%，因此可以測(cè)量多組數(shù)據(jù)求方差。

六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.試樣原始尺寸測(cè)量

表 3 試樣原始尺寸測(cè)量記錄表

    根據(jù)規(guī)定，R4試樣的原始直徑d₀應(yīng)該滿足尺寸公差要求9.93mm≤d₀≤10.07mm，但是由測(cè)量結(jié)果可以看出1、2、3號(hào)試樣均不滿足此要求。但是三個(gè)試樣的最大直徑和最小直徑之差均沒(méi)有超過(guò)0.04mm，滿足R4試樣的形狀公差要求。其中試樣原始橫截面積，d₀取的是上端、中端和下端測(cè)量平均值中的最小值。

2.試樣斷后尺寸測(cè)量

表 4 試樣斷后尺寸測(cè)量記錄表

其中，

(1) 1號(hào)試樣測(cè)量六組斷后標(biāo)距，故

    =0.077mm<0.25mm

因此測(cè)量的斷后標(biāo)距符合國(guó)標(biāo)精度要求。

(2) 2號(hào)試樣測(cè)量六組斷后直徑，因此

=0.015mm<0.02mm

由于Δd_u的值小于游標(biāo)卡尺的測(cè)量精度，而斷后直徑是由游標(biāo)卡尺測(cè)得的，因此Δd_u至少要大于0.02mm

故，，

因此測(cè)量的斷后直徑符合國(guó)標(biāo)精度要求。

(3) 3號(hào)試樣由于斷口處離試樣一端太近，其塑性變形范圍已經(jīng)超過(guò)標(biāo)距線，因而無(wú)法得到其斷后伸長(zhǎng)率A，故其斷后標(biāo)距不用測(cè)量。

3.由拉伸試驗(yàn)機(jī)得到的數(shù)據(jù)

表 5 由試驗(yàn)機(jī)得到的1、2和3號(hào)試樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

    1、2和3號(hào)試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2的(a)、(b)和(c)所示。其中由于3號(hào)試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線的屈服階段不明顯，故采用規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度R_p0.2來(lái)表征強(qiáng)度性能。

其中拉伸試驗(yàn)性能測(cè)定結(jié)果數(shù)值的修約要求如表6所示。

表 6 性能結(jié)果的數(shù)值修約間隔要求

(a)1號(hào)試樣

(b)2號(hào)試樣                                 (c)3號(hào)試樣

圖 2  1、2和3號(hào)試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線

七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1.強(qiáng)度性能

強(qiáng)度性能可由屈服強(qiáng)度R_eL(規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度R_p0.2)和抗拉強(qiáng)度表征，列于表5中。

2.塑性性能

(1)斷后伸長(zhǎng)率A

斷后伸長(zhǎng)率計(jì)算公式：

1號(hào)試樣：，修約后A=37.0%

2號(hào)試樣：，修約后A=38.5%

3號(hào)試樣由于斷口處離試樣一端太近，其塑性變形范圍已經(jīng)超過(guò)標(biāo)距線，因而無(wú)法得到其斷后伸長(zhǎng)率。

(2)斷面收縮率Z

斷面收縮率計(jì)算公式：，其中，

1號(hào)試樣：，修約后Z=67.5%

2號(hào)試樣：，修約后Z=64.0%

3號(hào)試樣：，修約后Z=69.5%

3.應(yīng)變硬化系數(shù)與應(yīng)變硬化指數(shù)

在載荷-位移曲線的硬化階段取幾個(gè)點(diǎn)，可以求得：工程應(yīng)力，工程應(yīng)變

已知真應(yīng)力S、真應(yīng)變e與工程應(yīng)力σ、工程應(yīng)變ε有以下關(guān)系：

，

由此導(dǎo)出Hollomon公式：，K為應(yīng)變硬化系數(shù)，n為應(yīng)變硬化指數(shù)。

對(duì)公式取對(duì)數(shù)，得：。根據(jù)試驗(yàn)所得真應(yīng)力、真應(yīng)變數(shù)據(jù)做出曲線，則曲線的斜率即為應(yīng)變硬化指數(shù)n，曲線與軸的截距即為，由此得到應(yīng)變硬化系數(shù)K。

1號(hào)試樣：

根據(jù)1號(hào)試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖(圖2(a))，在均勻塑性變形階段取10個(gè)點(diǎn)，如表7所示。

表 7  1號(hào)試樣塑性變形取點(diǎn)列表

根據(jù)表7中的lnS和lne數(shù)據(jù)作圖并擬合，得到圖3。

圖 3  1號(hào)試樣的lnS-lne關(guān)系曲線及擬合直線

擬合直線方程為：lnS=0.2846lne+6.7688，線性相關(guān)系數(shù)R=0.9976

因此，應(yīng)變硬化指數(shù)n=0.2846；lnK=6.7688，應(yīng)變硬化系數(shù)K=e^6.7688=870MPa

2號(hào)試樣：

根據(jù)2號(hào)試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖(圖2(b))，在均勻塑性變形階段取10個(gè)點(diǎn)，如表8所示。

表 8  2號(hào)試樣塑性變形取點(diǎn)列表

根據(jù)表8中的lnS和lne數(shù)據(jù)作圖并擬合，得到圖4。

圖 4  2號(hào)試樣的lnS-lne關(guān)系曲線及擬合直線

擬合直線方程為：lnS=0.2758lne+6.7811，線性相關(guān)系數(shù)R=0.9974

因此，應(yīng)變硬化指數(shù)n=0.2758；lnK=6.7811，應(yīng)變硬化系數(shù)K=e^6.7811=881MPa

3號(hào)試樣：

根據(jù)3號(hào)試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖(圖2(c))，在均勻塑性變形階段取10個(gè)點(diǎn)，如表9所示。

表 9  3號(hào)試樣塑性變形取點(diǎn)列表

根據(jù)表9中的lnS和lne數(shù)據(jù)作圖并擬合，得到圖5。

圖 5  3號(hào)試樣的lnS-lne關(guān)系曲線及擬合直線

擬合直線方程為：lnS=0.2177lne+6.9594，線性相關(guān)系數(shù)R=0.9981

因此，應(yīng)變硬化指數(shù)n=0.2177；lnK=6.9594，應(yīng)變硬化系數(shù)K=e^6.9594=1053MPa

八、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

三個(gè)試樣的強(qiáng)度和塑性性能指標(biāo)及熱處理工藝如表10所示。

表10 三個(gè)試樣的性能指標(biāo)及熱處理工藝一覽表

注：其中3號(hào)試樣的屈服強(qiáng)度值指的是規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度R_p0.2

九、誤差分析

1.下屈服強(qiáng)度R_eL

由于，，因此

因?yàn)樵囼?yàn)機(jī)的試驗(yàn)力準(zhǔn)確度優(yōu)于示值的0.5%，故

又游標(biāo)卡尺的精確度為0.02mm，故Δd₀=0.02mm

所以

1號(hào)試樣：

2號(hào)試樣：

3號(hào)試樣：

所以可知，國(guó)標(biāo)規(guī)定屈服強(qiáng)度在200N/mm²~1000N/mm²范圍內(nèi)時(shí)修約間隔為5N/mm²是合理的。

2.抗拉強(qiáng)度R_m

由于，因此

因?yàn)樵囼?yàn)機(jī)的試驗(yàn)力準(zhǔn)確度優(yōu)于示值的0.5%，故

又游標(biāo)卡尺的精確度為0.02mm，故Δd₀=0.02mm

所以

1號(hào)試樣：

2號(hào)試樣：

3號(hào)試樣：

由計(jì)算結(jié)果可以看出，3號(hào)試樣抗拉強(qiáng)度的相對(duì)誤差5.14MPa略超出了國(guó)標(biāo)規(guī)定的5N/mm²的修約間隔，說(shuō)明5N/mm²的修約間隔不太合理。

3.斷后伸長(zhǎng)率A

由于，，因此

因?yàn)閯澗€器精度為1%，故

以1號(hào)試樣測(cè)得的六組斷后標(biāo)距ΔL_u=0.077mm為準(zhǔn)，另外兩個(gè)試樣沿用該數(shù)據(jù)

所以

1號(hào)試樣：

2號(hào)試樣：

數(shù)據(jù)表明，實(shí)驗(yàn)誤差超過(guò)了斷后伸長(zhǎng)率的修約間隔0.5%，原因是本次試驗(yàn)采用了劃線器的精度1%，并沒(méi)有對(duì)原始標(biāo)距進(jìn)行多次測(cè)量求方差，如果多次測(cè)量，則原始標(biāo)距的相對(duì)誤差約為0.1%，比1%小許多，斷后伸長(zhǎng)率誤差可以滿足國(guó)標(biāo)要求，因此國(guó)標(biāo)要求修約間隔0.5%是合理的。

4.斷面收縮率Z

由于，，，因此

又游標(biāo)卡尺的精確度為0.02mm，故Δd₀=0.02mm

以2號(hào)試樣測(cè)得的六組斷后直徑Δd_u=0.025mm為準(zhǔn)，另外兩個(gè)試樣沿用該數(shù)據(jù)

所以

1號(hào)試樣：

2號(hào)試樣：

3號(hào)試樣：

數(shù)據(jù)表明，斷面收縮率的實(shí)驗(yàn)誤差在國(guó)標(biāo)規(guī)定的修約間隔0.5%范圍之內(nèi)，所以斷面收縮率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足國(guó)標(biāo)要求。

十、討論總結(jié)

1.  由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，淬火低碳鋼的冷卻速率最快，強(qiáng)度最高，塑性最差，應(yīng)變硬化指數(shù)最低，應(yīng)變硬化系數(shù)最大，特點(diǎn)：硬度大，適合對(duì)硬度有特殊要求的部件；退火低碳鋼的冷卻速率最慢，試樣強(qiáng)度最小，塑性最好，應(yīng)變硬化指數(shù)最高，應(yīng)變硬化系數(shù)最低，特點(diǎn)：退火可以降低硬度，使材料便于切削加工，并使鋼的晶粒細(xì)化，消除應(yīng)力；正火低碳鋼的冷卻速率介于淬火和退火之間，試樣強(qiáng)度、塑性和應(yīng)變硬化指數(shù)、應(yīng)變硬化系數(shù)也介于淬火和退火之間，特點(diǎn)：許多碳素鋼和合金鋼正火后，各項(xiàng)機(jī)械性能均較好，可以細(xì)化晶粒。

2.  塑性性能指標(biāo)有斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率兩個(gè)，從斷面收縮率判斷，淬火低碳鋼的塑性是最好的，這與實(shí)際不符。由于淬火低碳鋼試樣斷口靠近標(biāo)距，所以其斷后伸長(zhǎng)率無(wú)效，但是可以測(cè)得其斷后標(biāo)距約為62.64mm，此時(shí)斷后伸長(zhǎng)率為25.28%，其真實(shí)的斷后伸長(zhǎng)率一定比25%要大一些，而退火和正火試樣的斷后伸長(zhǎng)率在37%附近，遠(yuǎn)大于淬火低碳鋼，所以從斷后伸長(zhǎng)率判斷，淬火低碳鋼的塑性最差。由此看出，判斷材料的塑性性能，不能只看斷面收縮率，而要與斷后伸長(zhǎng)率相結(jié)合，才能準(zhǔn)確判斷。

3.  根據(jù)規(guī)定，R4試樣的原始直徑d₀應(yīng)該滿足尺寸公差要求9.93mm≤d₀≤10.07mm,但是由測(cè)量結(jié)果可以看出1、2、3號(hào)試樣均不滿足此要求。但是三個(gè)試樣的最大直徑和最小直徑之差均沒(méi)有超過(guò)0.04mm，滿足R4試樣的形狀公差要求。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)樣必須同時(shí)滿足尺寸要求和公差要求，否則不可以用于實(shí)驗(yàn)。但本試驗(yàn)是教學(xué)目的，是為了通過(guò)試驗(yàn)了解同種材料不同熱處理工藝帶來(lái)的材料性能的變化，因此試樣就直接用于試驗(yàn)了。

4.  在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，3號(hào)淬火處理的低碳鋼的斷口在靠近試樣標(biāo)距端部的地方，塑性變形在標(biāo)距之外，致使無(wú)法獲得有效的斷后伸長(zhǎng)率數(shù)據(jù)，但是可以獲得有效的截面收縮率，其強(qiáng)度性能也同樣有效。這是因?yàn)榇慊鹛幚淼牡吞间搹?qiáng)度雖然比較高，同時(shí)硬度也隨之升高，相比退火態(tài)就顯得比較脆，易發(fā)生在邊緣處斷裂。由此提醒我們?cè)谙麓巫隼煸囼?yàn)時(shí)，如果試樣的強(qiáng)度很高的話，為了得到有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要準(zhǔn)備多個(gè)試樣以防意外情況。

5.  在利用線性回歸求應(yīng)變硬化系數(shù)和應(yīng)變硬化指數(shù)時(shí)，關(guān)鍵的是對(duì)點(diǎn)的選取，取點(diǎn)時(shí)要在塑性變形范圍之內(nèi)選取，并且要保證所選的點(diǎn)在有效范圍之內(nèi)均勻分布才好，這樣可以適當(dāng)減少誤差。

6.  在計(jì)算斷后標(biāo)距和斷后直徑的測(cè)量誤差中，為了減少重復(fù)測(cè)量的工作量，我們?cè)?/span>3個(gè)不同熱處理的試樣之間采用了測(cè)量誤差的“平移”處理，其依據(jù)是在外界環(huán)境，試樣的長(zhǎng)短和直徑都不變的情況下，引入的誤差主要是人為的一些偶然誤差，若三個(gè)試樣的斷后直徑都有一個(gè)人來(lái)進(jìn)行測(cè)量，那么同一個(gè)人引入誤差的改變量很小，可以忽略，因此可此將測(cè)量誤差的“平移”處理。

十一、實(shí)驗(yàn)心得

通過(guò)本次低碳鋼拉伸試驗(yàn)中對(duì)不同熱處理狀態(tài)下的低碳鋼的強(qiáng)度性能和塑性性能的測(cè)定，得到結(jié)論：淬火處理的低碳鋼的塑性最差而強(qiáng)度最高，退火處理的低碳鋼塑性最好而強(qiáng)度最差，正火處理的低碳鋼塑性和強(qiáng)度性能處于兩者之間。

本次試驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告完全是參照國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T228-2002：金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法）要求獨(dú)立完成，完全不同與以往實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告可以直接從實(shí)驗(yàn)書中獲得的做法，很好地加強(qiáng)了同學(xué)們利用國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的意識(shí)和提高了我們獨(dú)立完成一件新任務(wù)的能力。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，老師適當(dāng)?shù)膮f(xié)助與引導(dǎo)很好地幫助同學(xué)們提出問(wèn)題、思考問(wèn)題，有利于同學(xué)們對(duì)實(shí)驗(yàn)中的容易忽略的細(xì)節(jié)問(wèn)題的注意，潛移默化中加強(qiáng)了同學(xué)們善于質(zhì)疑和思考的能力。最后的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理計(jì)算和分析，使大家對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解更加清晰明確?？傊?，通過(guò)本次試驗(yàn)，感覺(jué)自己逐漸學(xué)會(huì)了如何使用國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，另外在思考問(wèn)題和解決問(wèn)題方面的能力也有所提高，受益匪淺。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 228-2002 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法，2002

[2] 楊王玥，強(qiáng)文江等編．材料力學(xué)行為 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009

[3] 吳承建，陳國(guó)良，強(qiáng)文江等編．金屬材料學(xué) 北京：冶金工業(yè)出版社，2009