一、低碳鋼拉伸試驗目的

• 1、通過觀察低碳鋼在拉伸時的各種現象，并測定低碳鋼在拉伸時的屈服極限σ_s ,強度極限σ_b ,延伸率δ和斷面收縮率ψ 。
• 1、 學習、掌握電子萬能試驗機的使用方法及其工作原理。
• 3、試驗中要注意觀察試樣受力和變形兩者間的相互關系,并注意觀察材料的彈性、屈服、強化、頸縮、斷裂等物理現象。測定該試樣所代表材料的F_S、F_b和Δl等值。

二、低碳鋼拉伸試驗儀器設備和量具

50KN萬能材料試驗機，單向引伸計，鋼板尺，游標卡尺。

三、試件制備

實驗證明，試件尺寸和形狀對實驗結果有影響。為了便于比較各種材料的機械性能，國家標準中對試件的尺寸和形狀有統一規定。根據國家標準，（GB6397-86），將金屬拉伸比例試件的尺寸列表如下： 

本實驗的拉伸試件采用國家標準中規定的長比例試件(圖2－1),實驗段直徑d₀=10mm ,標距l₀=100mm 

圖2-1低碳鋼拉伸試件

四、低碳鋼拉伸試驗原理和方法

在拉伸實驗前，測定低碳鋼試件的直徑d₀和標距ld₀。實驗時，首先將試件安裝在實驗機的上、下夾頭內，并在實驗段的標記處安裝引伸儀，以測量實驗段的變形。然后開動實驗機，緩慢加載，與萬能材料試驗機相聯的電腦會自動繪制出載荷-變形曲線（F—Δl曲線，見圖2－2）或應力-應變曲線（σ—ε曲線，見圖2－3），隨著載荷的逐漸增大，材料呈現出不同的力學性能：

圖2-2 F—Δl曲線

圖2-3 σ—ε曲線

4.1 低碳鋼拉伸曲線分析

4.1.1、彈性階段（Ob段）

在拉伸的初始階段， σ—ε曲線曲線（Oa段）為一直線，說明應力與應變成正比，即滿足胡克定理，此階段稱為線形階段。線性段的ZUI高點稱為材料的比例極限（σ_p），線性段的直線斜率即為材料的彈性摸量E。

線性階段后， σ—ε曲線不為直線（ab段），應力應變不再成正比，但若在整個彈性階段卸載，應力應變曲線會沿原曲線返回，載荷卸到零時，變形也完全消失。卸載后變形能完全消失的應力ZUI大點稱為材料的彈性極限（σ_e），一般對于鋼等許多材料，其彈性極限與比例極限非常接近。

4.1.2、屈服階段（bc段）

超過彈性階段后，應力幾乎不變，只是在某一微小范圍內上下波動，而應變卻急劇增長，這種現象成為屈服。使材料發生屈服的應力稱為屈服應力或屈服極限（σ_s ）。

當材料屈服時，如果用砂紙將試件表面打磨，會發現試件表面呈現出與軸線成45°斜紋。這是由于試件的45°斜截面上作用有ZUI大切應力，這些斜紋是由于材料沿ZUI大切應力作用面產生滑移所造成的，故稱為滑移線。

4.1.3、硬化階段（ce段）

經過屈服階段后，應力應變曲線呈現曲線上升趨勢，這說明材料的抗變形能力又增強了，這種現象稱為應變硬化。

若在此階段卸載，則卸載過程的應力應變曲線為一條斜線（如d-d‘斜線），其斜率與比例階段的直線段斜率大致相等。當載荷卸載到零時，變形并未完全消失，應力減小至零時殘留的應變稱為塑性應變或殘余應變，相應地應力減小至零時消失的應變稱為彈性應變。卸載完之后，立即再加載，則加載時的應力應變關系基本上沿卸載時的直線變化。因此，如果將卸載后已有塑性變形的試樣重新進行拉伸實驗，其比例極限或彈性極限將得到提高，這一現象稱為冷作硬化。

在硬化階段應力應變曲線存在一ZUI高點，該ZUI高點對應的應力稱為材料的強度極限（σ_b），強度極限所對應的載荷為試件所能承受的ZUI大載荷F_b。

4.1.4、頸縮階段（ef段）

試樣拉伸達到強度極限σ_b之前，在標距范圍內的變形是均勻的。當應力增大至強度極限f之后，試樣出現局部顯著收縮，這一現象稱為頸縮。頸縮出現后，使試件繼續變形所需載荷減小，故應力應變曲線呈現下降趨勢，直至ZUI后在f點斷裂。試樣的斷裂位置處于頸縮處，斷口形狀呈杯狀，這說明引起試樣破壞的原因不僅有拉應力還有切應力。

五、低碳鋼拉伸試驗步驟

5.1試驗前準備步驟

• 1、依次打開計算機、變壓器，并按下主機外罩上的“復位”按鈕啟動試驗機。
• 2、雙擊桌面上的試驗軟件圖標，進入軟件操作系統。
• 3、點擊“試驗操作”，打開實驗操作界面，做拉伸試驗時，在軟件操作系統的“控制面板”上選取“拉向”。
• 4、用游標卡尺測量試樣的直徑和標距，并記錄。在試件的標距范圍內測量試件三個橫截面處的截面直徑，在每個截面上分別取兩個相互垂直的方向各測量一次直徑。取六次測量的平均值做為原始直徑d₀，并據此計算試件的橫截面面積A₀ 。測量標距時，要用游標卡尺測量三次，并取三次測量結果的平均值作為試件的原始長度l₀。

5.2做試驗

• ⑴ 裝夾拉伸試樣。通過試驗機的“上升”、“下降”按鈕把橫梁調整到方便裝試件的位置，再把上鉗口松開，夾緊試樣的上端；
• ⑵ 使橫梁下降，當試樣能夠夾在下鉗口時，停止；
• ⑶ 在實驗操作界面上把負荷、峰值、變形、位移、時間清零，夾緊下鉗口；
• ⑷ 在“控制面板”上選擇“位移控制”，采用0.2mm/min的速度使橫梁下降，消除預緊力，使負荷變為零；
• ⑸ 裝夾引伸計，并檢查引伸計是否已正確連接到計算機主機的端口上；加載速度選0.5mm/min；
• ⑹ 單擊“新建試樣”按鈕，輸入試件的有關信息，包括直徑（或長、寬）、標距，然后點擊“新建試樣” 按鈕，再點擊“確認”。
• ⑺ 再次把負荷、峰值、變形、位移、時間等各項分別清零。
• ⑻ 單擊“位移方式”，切換為“取引伸計”模式。在取引伸計模式下，點擊“開始”按鈕，開始實驗。當試件即將進入屈服階段時，屏幕會彈出對話框提示取下引伸計，此時要迅速取下引伸計。因為此后試件將進入屈服階段，在載荷—變形圖上將看到一個很長的波泿形曲線（表明試件處于流塑階段），應力變化不大，但應變大大增加。如果不取下引伸計，引伸計將被拉壞。接著材料進入強化階段，可將加載速度調至5mm/min，繼續實驗直至試樣拉斷。在實驗過程中，注意觀察屈服（流動）、強化，卸載規律、頸縮、斷裂等現象。
• ⑼ 試樣拉斷后，立即按“停止”按鈕。然后點取“保存數據” 按鈕，保存試驗數據。取下試樣，先將兩段試件沿斷口整齊地對攏，量取并記錄拉斷后兩標距點之間的長度l₁，及斷口處ZUI小的直徑d₁，并計算斷后面積。
• ⑽ 數據處理。單擊菜單欄中的“試驗分析”，并在相應的對話中選擇需要計算的項目。然后單擊“自動計算”。需要打印時單擊“試驗報告”按鈕，把需要輸出的選項移到右側的空白框內，在曲線類型欄中選擇應力---應變曲線，單擊“確定”銨鈕后打印試驗報告。

六、低碳鋼拉伸試驗結果處理

記錄試件的屈服抗力F_s和ZUI大抗力F_b。試件斷裂后，測量斷口處的ZUI小直徑d₁和標距間的距離l₁。依據測得的實驗數據，計算低碳鋼材料的強度指標和塑性指標。

6.1、低碳鋼強度指標

屈服極限：σ_s=F_s/A₀ 其中，A₀=πd²₀/4

強度極限：σ_b=F_b/A₀·δ

6.2、低碳鋼塑性指標

延伸率：δ₁₀=（l₁-l₀/l₀）100%

斷面收縮率：ψ==（A₁-A₀/A₀）100%

七、低碳鋼簡要介紹

7.1、低碳鋼概念

什么是低碳鋼?低碳鋼(low carbon steel)又稱軟鋼，是碳含量小于0.30%的非合金鋼。低碳鋼因其強度低、硬度低而軟，故又稱軟鋼。它包括大部分普通碳素結構鋼和一部分優質碳素結構鋼，大多不經熱處理用于工程結構件，有的經滲碳和其他熱處理用于要求耐磨的機械零件。

7.2、低碳鋼特點

低碳鋼退火組織為鐵素體和少量珠光體，其強度和硬度較低，塑性和韌性較好。因此，其冷成形性良好可采用卷邊、折彎、沖壓等方法進行冷成形。這種鋼材具有良好的焊接性。碳含量很低的低碳鋼硬度很低，切削加工性不佳，正火處理可以改善其切削加工性。

低碳鋼有較大的時效傾向，既有淬火時效傾向，還有形變時效傾向。當鋼從高溫較快冷卻時，鐵素體刮碳、氮過飽和，它在常溫也能緩慢地形成鐵的碳氮物，因而鋼的強度和硬度提高，而塑性和韌性降低，這種現象稱為淬火時效。低碳鋼即使不淬火而空冷也會產生時效。低碳鋼經形變產生大量位錯，鐵素體中自碳、氮原子與位錯發生彈性交互作用，碳、氮原子聚集在位錯線周圍。這種碳、氮原子與位錯線的結合體稱歲柯氏氣團(柯垂耳氣團)。它會使鋼的強度和硬度提高而塑性和韌性降低，這種現象稱為形變時效。形變時要比淬火時效對低碳鋼的塑性和韌性有更大的危害性，在低碳鋼的拉伸曲線上有明顯的上、下兩個屈服點。自上屈服點出現直到屈服延伸結束，在試樣表面出現由于不均勻變形而形成的表面皺褶帶，稱為呂德斯帶。不少沖壓件往往因此而報廢。其防止方法有兩種。一種高預形變法，預形變的鋼放置一段時間后沖壓時也會產生呂德斯帶，因此預形變的鋼在沖壓之前放置時間不宜過長。另一種是鋼中加入鋁或鈦，使其與氮形成穩定的化合物，防止形成柯氏氣團引起的形變時效。

7.3、低碳鋼的用途

低碳鋼一般軋成角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼管、鋼帶或鋼板，用于制作各種建筑構件、容器、箱體、爐體和農機具等。優質低碳鋼軋成薄板，制作汽車駕駛室、發動機罩等深沖制品；還軋成棒材，用于制作強度要求不高的機械零件。含碳量從0.10%至0.30%低碳鋼易于接受各種加工如鍛造，焊接和切削， 常用於制造鏈條， 鉚釘， 螺栓， 軸等。 低碳鋼在使用前一般不經熱處理，碳含量在0.15%以上的經滲碳或氰化處理，用于要求表層溫度高、耐磨性好的軸、軸套、鏈輪等零件。

7.4、低碳鋼的力學特性

低碳鋼為塑性材料.開始時遵守胡克定律沿直線上升，比例極限以后變形加快，但無明顯屈服階段。相反地，圖形逐漸向上彎曲。這是因為在過了比例極限后，隨著塑性變形的迅速增長，而試件的橫截面積逐漸增大，因而承受的載荷也隨之增大。