金属材料力学性能实验报告
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实验名称实验一金属材料静拉伸试验
实验设备1）电子拉伸材料试验机一台，型号HY-10080
2）位移传感器一个；
3）刻线机一台；
4）游标卡尺一把；
5）铝合金和20#钢。

试样示意图
图1 圆柱形拉伸标准试样示意图
试样宏观断口示意图
图2 铝合金试样常温拉伸断裂图和断口图
（和试样中轴线大约成45°角的纤维状断口，几乎没有颈缩，可以知道为切应力达到极限，发生韧性断裂）
图3 正火态20#钢常温拉伸断裂图和断口图
（可以明显看出，试样在拉断之后在断口附近产生颈缩。

断口处可以看出有三个区域：1.试样中心的纤维区，表面有较大的起伏，有较大的塑性变形；2.放射区，表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹；3.剪切唇，轴线成45°角左右的倾斜断口） 原始数据记录
表1 正火态20#钢试样的初始直径测量数据（单位：mm ） 左 中 右 平均值 9.90 10.00 10.00
9.97 9.92 10.00 10.00 10.00 10.00 9.92
左 中 右 平均值 8.70 8.72 8.68 8.69 8.68 8.70 8.70 8.64 8.72 8.70 表2 时效铝合金试样的初始直径测量数据（单位：mm ）
两试样的初始标距为050 L mm 。

表3 铝合金拉断后标距测量数据记录（单位：mm ）
AB BC AB+2BC 平均 12.32 23.16 58.64 58.79
24.02
17.46
58.94
测量20#钢拉断后的平均标距为u L =69.53 mm ，断口的直径平均值为u d =6.00 mm 。

测量得到铝合金拉断后的断面直径平均值为7.96mm 。

数据处理：
1.20#钢正火材料（具有明显物理屈服平台的材料）
20#钢正火材料试样的载荷-位移曲线试验结果见图4。

（1）由图可得各特征力值及对应的位移值分别为： 比例伸长力20.6 kN p F =；
下屈服力24.5 kN el F =；
最大力37.2 kN m F =； 断裂载荷27.1 kN F F =； 断裂后塑性伸长21.4 mm F L ∆=； 断裂后弹性伸长 2.4 mm e L ∆=。

（2）由各特征力值计算各强度指标
比例强度： 2200/4/()420.69.97GPa=263.9MPa p p p R F S F d ππ===⨯÷÷ 下屈服强度： 20/424.59.97GPa=313.8MPa el el R F S π==⨯÷÷ 抗拉强度： 20/437.29.97GPa=476.5MPa m m R F S π==⨯÷÷ 断裂强度： 2F F 0/427.19.97GPa=347.1MPa R F S π==⨯÷÷
（3）由各特征位移及实验所测数据计算塑性指标（断后伸长率和断面收缩率） 断后伸长率：00()/100%(69.5350)/50100%39.06%u A L L L =-⨯=-⨯= 断面收缩率：
2220000222111
()/100%()/()100%
444
=(9.97-6.00)/9.97100%63.78%
u u Z S S S d d d πππ=-⨯=-⨯⨯= 2.铝合金材料（不具有明显的物理屈服平台）
铝合金材料试样常温拉伸实验载荷-位移曲线如图6。

由于铝合金材料不具有明显的物理屈服平台，其屈服强度一般采用规定非比例延伸强度0.2p R 表示。

即在横轴上找应变为0.2%的点，过此点作平行于载荷-位移曲线弹性段的辅助线与载荷-位移曲线相交，相交点即为0.2p P 力值点。

则条件屈服强度0.2p R 可由下式计算：
0.20.20/p p R F S = ○
1 在载荷-位移曲线上，找00.2%50mm 0.1mm L L ε∆=⨯=⨯=的点，作BM 的平行线，如图6所示，得到0.2p F 。

（1）由图6可得各特征力值分别为：
比例伸长力19.0 kN p F =； 条件屈服载荷0.225.7 kN p F =； 最大力34.6 kN m F =。

（2）由各特征力值求得各强度指标为：
比例强度：2200/4/()419.08.69GPa=320.3 MPa p p p R F S F d ππ===⨯÷÷
条件屈服强度：220.20.200.20/4/()425.78.69 GPa=433.3 MPa p p p R F S F d ππ===⨯÷÷ 抗拉强度：20/434.68.69 GPa=583.4 MPa m m R F S π==⨯÷÷ （3）由所测数据计算塑性指标（断后伸长率和断面收缩率）： 断后伸长率：00()/100%(58.7950)/50100%17.58%u A L L L =-⨯=-⨯= 断面收缩率：
2220000222111
()/100%()/()100%
444
=(8.69-7.96)/8.69100%16.10%
u u Z S S S d d d πππ=-⨯=-⨯⨯= 两种材料的常温拉伸实验数据如下：
表4 20#钢正火态试样常温拉伸试验数据表
初始截面积So(mm²) 初始标距 Lo(mm) 断后伸长率A(%) 比例伸长 力Fp(kN) 下屈服力Fel(kN) 最大力Fm(kN) 断裂力F F (kN) 78.07 50 39.06 20.6 24.5 37.2 27.1 断后截面积Su(mm²) 断后标距Lu(mm) 断面收缩 率Z(%) 比例强度Rp(MPa) 下屈服强度Rel(MPa) 抗拉强度Rm(MPa) 断裂强度R F (MPa) 28.27
69.53 63.79 263.9
313.8 476.5 347.1
表5 铝合金试样常温拉伸试验数据表
初始截面积
So(mm²) 初始标距 Lo(mm) 断后伸长率A(%) 比例伸长力Fp(kN) 条件屈服力Fp 0.2(kN) 最大力Fm(kN) 59.31 50 17.58 19.0 25.7 34.6 断后截面积Su(mm²) 断后标距Lu(mm) 断面收缩率Z(%) 比例强度Rp(MPa) 条件屈服强度Fp 0.2(MPa) 抗拉强度Rm(MPa) 49.76 58.79 16.10 320.3 433.3 583.4
实验分析：
本实验是金属材料的静拉伸实验，分别对铝合金和20#钢进行了拉伸实验。

通过测绘试样的载荷-位移曲线，得到20#钢的屈服强度Rel与抗拉强度Rm和铝合金的条件屈服强度Rp与抗拉强度Rm，及其二者的塑性指标——断后延伸率A和断面收缩率Z。

而且通过对拉伸断口的分析，初步对材料的断裂类型有了一定的认识和了解。

本实验的拉伸设备是CSS-88100电子万能试验机，它具有很多的特性：高性能的负荷机架，先进的机械传动机构，适用于金属、非金属、复合材料的拉伸、压缩、弯曲试验。

可对试验数据实时采集、运算处理、实时显示并打印结果报告。

程序具有采集数据、绘制曲线、曲线局部放大或缩小、曲线单显或多条曲线叠加对比、打印预览及人工有效修订数据等功能。

本实验的误差来源主要有：
（1）仪器误差：试验机的固有误差以及测量工具的误差；
（2）人为误差：游标卡尺读数误差，标距误差，作图误差；
（3）计算误差：有效数字保留误差。

实验思考题：
1.提高金属材料的屈服强度有哪些方法？使用已学过的专业知识就每种方法各举一个例子。

答：提高金属的方法有：
（1）固溶强化：材料表面进行渗碳、渗氮等提高材料的屈服强度。

（2）形变强化：汽车外壳采用冲压技术提高强度。

（3）沉淀强化和弥散强化：粉末冶金。

（4）晶粒细化：材料的高温退火处理，减小晶粒，提高强度。

2.为什么材料的塑性要以延伸率和断面收缩率这两个指标来衡量？他们在工程上有什么实际意义？
答：为了确定材料的塑性变形能力以及量化比较其塑性变形能力，而且保证塑性的度量标准真正反映材料本身的塑性好坏，而不受试样的长度和几何形状的影响，故采用延伸率和断面收缩率这两个指标来衡量。

断后延伸率越大，断面收缩率越大，材料的塑性就越好，反之相反。

而且实验表明：断面收缩率和材料的缺口敏感度有一定的关系，断面收缩率较低时，材料就对缺口比较敏感。