低碳钢拉伸的四个阶段

实验一：低碳钢、铸铁拉伸试验

一、实验目的

本试验以低碳钢和铸铁为代表，了解塑性材料在简单拉伸时的机械性质。它是力学性能

试验中最基本最常用的一个。一般工厂及工程建设单位都广泛利用该实验结果来检验材料的

机械性能。试验提供的E，ReL，Rm，A和Z等指标，是评定材质和进行强度、刚度计算的

重要依据。本试验具体要求为：

1.了解材料拉伸时力与变形的关系，观察试件破坏现象。

2．测定强度数据，如屈服点ReL，抗拉强度Rm。

3．测定塑性材料的塑性指标：拉伸时的伸长率A，截面收缩率Z。

4．比较塑性材料与脆性材料在拉伸时的机械性质。

二、实验仪器与设备:

①微机控制电液伺服万能试验机型号SHT5305最大负荷300kN1台

②全数字闭环测控系统型号DCS-3001台

③电子引伸计1个

④游标卡尺0-150mm最小刻度0.02mm

⑤刻度尺0-30cm最小刻度0.5mm

⑥橡皮筋2条

三、实验原理

进行拉伸试验时，外力必须通过试样轴线,以确保材料处于单向应力状态。一般试验机

都设有自动绘图装置，用以记录试样的拉伸图即F-ΔL曲线，形象地体现了材料变形特点以

及各阶段受力和变形的关系。但是F-ΔL曲线的定量关系不仅取决于材质而且受试样几何尺

寸的影响。因此，拉伸图往往用名义应力、应变曲线(即R-ε曲线)来表示：

RF/S0——试样的名义应力

L/L0——试样的名义应变

S0和L0分别代表初始条件下的面积和标距。R-ε曲线与F-ΔL曲线相似，但消除了几何

尺寸的影响。因此，能代表材料的属性。单向拉伸条件下的一些材料的机械性能指标就是在

R-ε曲线上定义的。如果试验能提供一条精确的拉伸图，那么单向拉伸条件下的主要力学性

能指标就可精确地测定。不同性质的材料拉伸过程也不同，其R-ε曲线会存在很大差异。

低碳钢和铸铁是性质截然不同的两种典型材料，它们的拉伸曲线在工程材料中十分典型，掌

握它们的拉伸过程和破坏特点有助于正确、合理地认识和选用材料。低碳钢具有良好的塑性，

由R-ε曲线（图1-1)可以看出，低碳钢断裂前明显地分成四个阶段：弹性阶段（OA)：试件

的变形是弹性的。在这个范围内卸载，试样仍恢复原来的尺寸，没有任何残余变形。习惯上

认为材料在弹性范围内服从虎克定律，其应力、应变为正比关系，即

RE

比例系数E代表直线OA的斜率，称作材料的弹性模量。

屈服（流动)阶段（BC)：R-ε曲线上出现明显的屈服点。这表明材料暂时丧失抵抗继续变形

的能力。这时，应力基本上不变化，而变形快速增长。通常把下屈服点（Bˊ)作为材料屈服

极限ReL。ReL是材料开始进入塑性的标志。结构、零件的应力一旦超过ReL，材料就会屈

服，零件就会因为过量变形而失效。因此强度设计时常以屈服极限ReL作为确定许可应力的

基础。从屈服阶段开始，材料的变形包含弹性和塑性两部分。如果试样表面光滑，材料杂质

含量少，可以清楚地看到表面有45°方向的滑移线。

图1-1试件拉伸图

强化阶段（CD)：屈服阶段结束后，R-ε曲线又开始上升，材料恢复了对继续变形的抵抗能

力，载荷就必须不断增长。如果在这一阶段卸载，弹性变形将随之消失，而塑性变形将永远

保留下来。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后若重新加载，加载线仍与弹性阶段

平行，但重新加载后，材料的弹性阶段加长、屈服强度明显提高，而塑性却相应下降。这种

现象称作为形变强化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料极为宝贵的性质之一。塑性变形和形

变强化二者联合，是强化金属材料的重要手段。例如喷丸，挤压，冷拨等工艺，就是利用材

料的冷作硬化来提高材料强度的。强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布的。随塑性变形的

增长，试样表面的滑移线亦愈趋明显。D点是R-ε曲线的最高点，定义为材料的强度极限又

称作材料的抗拉强度记作Rm。对低碳钢来说Rm是材料均匀塑性变形的最大抗力，是材料进

入颈缩阶段的标志。

颈缩阶段（DE)：应力达到强度极限后，塑性变形开始在局部进行。局部截面急剧收缩，承

载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直到断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑

性变形则遗留在破断的试样上。材料的塑性通常用试样断裂后的残余变形来衡量，单拉时的

塑性指标用断后伸长率A和断面收缩率Z来表示。即

A=[(LuL0)/L0]×100%

Z[(S0Su)/S0]100%

Lu，Su分别代表试样拉断后的标距和断口的面积。

低碳钢颈缩部分的变形在总变形中占很大比重如图1-2所示。测试断后伸长率时，颈缩局部

及其影响区的塑性变形都应包含在Lu之内。这就要求断口位置应在标距的中央附近。若断

口落在标距之外则试验无效。工程上通常认为，材料的断后伸长率A>5%属于韧断，A<5%则

属于脆断。韧断的特征是断裂前有较大的宏观塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状组织。低

碳钢断裂时有很大的塑性变形，断口为杯状周边为45°的剪切唇，断口组织为暗灰色纤维

状，因此是一种典型的韧状断口。

铸铁是典型的脆性材料，其拉伸曲线如图1-1（c）所

示。其拉伸过程较低碳钢简单，可近似认为是经弹性阶

段直接过渡到断裂。其破坏断口沿横截面方向，说明铸

铁的断裂是由拉应力引起，其强度指标只有Rm。由拉伸

曲线可见，铸铁断后伸长率甚小，所以铸铁常在没有任

何预兆的情况下突然发生脆断。因此这类材料若使用不

当，极易发生事故。铸铁断口与正应力方向垂直，断面

平齐为闪光的结晶状组织，是典型的脆状断口。

多数工程材料的拉伸曲线介于低碳钢和铸铁之间，

常常只有两个或三个阶段如图1-3。但强度、塑性指标的

定义和测试方法基本相同。所以，通过拉伸破坏试验，分析比较低碳钢和铸铁的拉伸过程,

确定其机械性能，在机械性能试验研究中具有典型意义。

四、试样的制备

试样制备是试验的重要环节。国家标准《金属拉伸试验试样》GB6397-86对此有详规

定。通常拉伸试样有比例试件和定标准试件两种。一般拉伸试样由三部分组成，即工作部分，

过渡部分和夹持部分（图1-4）。工作部分必须保持光滑均匀以确保材料表面的单向应力状

态。均匀部分的有效工作长度L0称做标距。d0、S0分别代表工作部分的直径和面积。过渡

部分必须有适当的台肩和圆角，以降低应力集中，保持该处不会断裂。试样两端的夹持部分

用以传递载荷，其形状尺寸应与试验机的钳口相匹配。

前已述及，颈缩局部及其影响区的塑性变形在断后伸长率中占很大的比重。虽然，同种材料

的断后伸长率不仅取决于材质，而且还取决于试样的标距。试样愈短、局部变形所占比例愈

大，A也就愈大。为了便于相互比较，试样的长度应当标准化。按照规定，测试断后伸长率

应当采用比例试样。比例试样的长度有两种规定：

10倍直径圆试样：

L010d0,即L0/√S011.3

5倍直径圆试样：

L05d0,即L0/√S05.65

按照上述比例，板试样也分长、短两种：

长试样：L0=11.3√S0

短试样：L0=5.65√S0

用10倍直径试样测定的断后伸长率记做Au0，用5倍直径试样测定的断后伸长率记做A5国

家标准推荐使用短比例试样。

五：实验步骤:

低碳钢拉伸:

①用游标卡尺在低碳钢试件的两端和中央的三个截面上测量直径，每个截面在互相垂直的两

个方向各测一次，取其平均值，并用三个平均值中最小者作为计算截面积的直d0，并计

算出截面积S0值。用刻度尺在低碳钢试件两端间取10d0的距离作为原长度l0，做上标记，

并平均分成10格，同样做上标记。

②打开万能试验机，先把试件安装在试验机的上夹头内，用橡皮筋将电子引伸计固定在试件

标记l0长度内，再移动下夹头，使其达到适当的位置，此时清零电脑记录的所有数据后，

把试件下端夹紧。

③点击电脑中表示“开始”的箭头按钮，开始拉伸试验，此间数据由电脑记录。

④当电脑提示取下引伸计时，取下引伸计。

⑤拉断试件后，打印电脑记录数据及图像，取下断裂的两截试件。

⑥用游标卡尺测量上下两截断截口处的截面直径，每个截面在互相垂直的两个方向各测一

次，取其平均值，取最小值作为计算截面积的直径d，计算此时截面积S，同时计算断面

收缩率

=【（S0-S）/S0】×100%

⑦将试件两截拼合后用刻度尺测量拉伸后试件长度，测量三次取平均值为l，同时计算伸长

率

=【(L0-L)/S0】×100%

⑧实验结束，收拾好实验用品。

铸铁拉伸：

①用游标卡尺在铸铁试件的两端和中央的三个截面上测量直径，每个截面在互相垂直的两个

方向各测一次，取其平均值，并用三个平均值中最小者作为计算截面积的直径d0，并计算

出截面积S0值。

②用刻度尺在铸铁试件两端间取10d0的距离作为原长度l0，做上标记。

③打开万能试验机，先把试件安装在试验机的上夹头内，再移动下夹头，使其达到适当的位

置，此时清零电脑记录的所有数据后，把试件下端夹紧。

④点击电脑中表示“开始”的箭头按钮，开始拉伸试验，此间数据由电脑记录。

⑤拉断试件后，打印电脑记录数据及图像，取下断裂的两截试件。

⑥用游标卡尺测量上下两截断截口处的截面直径，每个截面在互相垂直的两个方向各测一

次，取其平均值，取最小值作为计算截面积的直径d，计算此时截面积S，同时计算断面收

缩率

=【（S0-S）/S0】×100%

⑦将试件两截拼合后用刻度尺测量拉伸后试件长度，测量三次取平均值为l，同时计算伸长

率

=【(L0-L)/S0】×100%

⑧实验结束，收拾好实验用品。

实验数据与数据处理：

截面直径d0测量

断裂处位于由上至下第5格由下至上第6格

断裂上半截呈凸状下半截呈凹状

六、实验结果的处理

1.强度指标计算

屈服极限ReLFeL/S0

强度极限Rm=Fm/S0

屈服载荷FeL取屈服平台的下限值。Fm取F-ΔL曲线的最大载荷。铸铁不存在屈服阶段故

只记Rm。

2.塑性指标的计算

断后伸长率A=【（Lu-L0）/L0】×100%

断面收缩率Z=【（S0-Su）/S0】×100%

将自动绘图器绘出的图形用光滑曲线联结，并延长直线部分使之交于坐标原点。修正后绘方

格纸上，并注明比例尺，即方格上每一厘米代表若干载荷和伸长。

绘出低碳钢和铸铁试件试验前后的形状图形。

低碳钢：

铸铁：

以上数据均符合实验要求。

低碳钢和铸铁应力应变曲线见最后附表。

低碳钢端口截面图如下：

图1-5（b）拉伸试件断口移中

实验课后思考：

1.实验时如何观察低碳钢的屈服点？测定时为何对加载速度提出要求？

答：在实验中，当应力超过某一点增加到某一值时，应变有非常明显的增大，而应力是先

下降，然后作微小的波动，在σ-ε曲线上出现接近水平的小锯齿形折线。像这种应力基本

保持不变、而应变显著增加的现象就是屈服。在低碳钢试验时，我们可以边观察电脑屏幕上

的σ-ε曲线，当曲线出现以上现象时就代表低碳钢出现了屈服点。

在室温下，以缓慢平稳的加载方式进行试验，称为常温静载试验，是测定材料力学性能的

基本实验。在进行荷载加载时，必须缓慢加载才可以达到常温静载试验的要求。假如加载速

度过快，则会导致材料的各项数据短时间内发生剧烈变动，导致测量误差过大。

2.为什么低碳钢拉伸时会发生颈缩现象？

答：在σ-ε曲线中，当应变超过某一点，在试样的某一局部范围内，横向尺寸突然急剧缩

小，形成颈缩现象。低碳钢是含碳量在0.3%以下的碳素钢，且断面收缩率>5%的塑性材料.

其内部结构具有的有序耗散决定其在拉伸时具有屈服和颈缩现象。

3.对低碳钢和铸铁试件拉伸时的断口形状进行描述，并分析破坏原因。

答：低碳钢断口有明显的塑性破坏产生的光亮倾斜面，倾斜面倾角与试样轴线近似成(称

杯状断口)45度，这部分材料的断裂是由于切应力造成的，中心部分为粗糙平面，塑性越大

对应杯状断口越大，中心粗糙平面的面积越小。而铸铁没有任何的倾斜侧面，断口平齐，并

垂直于拉应力，属典型的脆性断口。故当拉应力达到其极限时，就会发生断裂，且断口平齐。