铝的应力-应变特性

铝材拉伸试验

本实验的目的是：

1. 使学生熟悉测定各种形态金属材料拉伸性能的标准实验室试验方法（ASTM E8），
2. 比较常用工程金属材料（结构钢和铝）的性能，以及
3. 将实测金属性能与已发表的参考值进行比较。

假设已配备一台具有变形控制功能以及相关测试和数据采集能力的万能试验机（UTM）。请严格按照UTM制造商提供的拉伸试验操作步骤进行操作，并特别注意安全指南。如果对任何步骤存在疑问，请勿继续操作；务必向实验室指导教师咨询以消除疑虑，因为若未采取适当的安全措施，可能会对自己或周围人员造成严重伤害。同时，确保您熟悉所有紧急停止程序，并了解运行该设备的软件操作方法。

以下步骤为通用流程，旨在涵盖最重要的操作环节；具体操作可能因可用设备的不同而存在显著差异。

1. 准备样本：

1. 获取一个常见铝合金（如6061T6）的圆柱形试样。
2. 使用卡尺在试样中部附近的多个位置测量其直径，精确至0.002 in。
3. 牢固夹持试样，并用锉刀标记约2 in.的标距长度。注意：应仔细标记标距，使其刻痕清晰可见，但不可过深，以免形成应力集中而导致断裂。
4. 使用卡尺测量实际标记的标距长度，精确至0.002 in。
5. 如条件允许，按照JoVE视频《材料常数》中所述方法安装纵向应变片。
6. 收集所有使用仪器的校准数据和分辨率信息，以帮助评估可能的实验误差和置信限。这两个问题是获得有意义结果的关键，但不在本文讨论范围之内。

2. 检测样本：

打开测试仪器并启动软件。确保已在软件中设置好适当的绘图和数据采集功能。至少应显示应力-应变曲线，并设置载荷和应变的显示窗口。

1. 在软件中选择一个与 ASTM E8 测试协议兼容的适当测试程序。请注意所使用的应变速率，以及是否分别对弹性范围和非弹性范围采用了两种不同的应变速率。在软件中设置所有适当的控制操作（例如，当应变达到 5% 时使机器停止，以便安全地拆除引伸计，并记录所达到的最大载荷值）。
2. 手动提升横梁，使试样全长能够轻松地置于夹具之间。小心地将试样插入上部夹具中，插入深度约为夹具深度的 80%；在夹具内对齐试样，并轻微夹紧，以防止试样掉落。注意：此阶段切勿将夹具完全拧紧至最大压力。
3. 缓慢降低上部横梁。当试样进入下部夹具深度约 80% 时，确保试样在下部夹具内正确对齐（即当下部夹具完全打开时，试样应在夹具开口中间“自由悬浮”）。试样对中不良会导致测试过程中产生额外的弯曲和扭转应力，这是进行拉伸试验时最常见的错误之一。如果设备本身的对中性能不佳，应与技术人员协作，正确调整夹具对中。
4. 通过夹具对试样施加适当的侧向压力，以确保测试过程中不会发生滑移。注意：此时会产生一个较小的轴向载荷，因为夹紧过程会在试样中引入预载荷；您的测试设备可能具有软件调节功能以最小化该预载荷。请记录预载荷数值。
5. 根据制造商的规范，将电子引伸计牢固地安装在试样上。注意：引伸计的刀口无需精确对准试样上的标距标记，但应大致位于试样中心位置。
6. 仔细检查至此为止的所有操作步骤是否已正确执行；如有可能，请由主管人员确认试样是否已准备好进行测试。
7. 开始加载，对试样施加拉伸载荷，并观察计算机显示屏上的实时载荷读数。注意：如果测得的载荷不增加，则表明试样正在夹具中滑移，需要重新安装。若发生此情况，应立即停止测试，并从步骤 2.3 重新开始实验。
8. 有时在试样断裂前，测试会自动暂停但不卸载试样（见步骤 2.7）。此时应拆除引伸计。如果试样在引伸计仍安装在位时断裂，将导致引伸计损坏——这是一种非常昂贵的设备。
9. 继续施加拉伸载荷直至试样断裂。当达到最大载荷后，测得的载荷值将开始下降。此时试样将开始出现颈缩，最终断裂应发生在该颈缩区域，表现为延性或半延性撕裂。
10. 测试结束后，提升横梁，松开上部夹具，并将断裂的上半部分试样从夹具中取出。取出上半部分后，松开下部夹具并取出试样的另一半。
11. 记录最大拉伸载荷的数值，并打印一份应力-应变曲线图。将数字记录的数据保存至硬盘以及至少一个可移动存储设备中。
12. 小心地将断裂试样的两端拼接在一起，测量标距标记之间的距离，精确至 0.002 in。记录最终的标距长度。
13. 测量试样最小横截面处的直径，精确至 0.002 in。
14. 通过照片和示意图记录断裂后的试样形貌。

3. 数据分析

1. 根据表1中的数据，计算每种金属材料的断后伸长率和断面收缩率。
   伸长率 = = 8.6%
   断面收缩率 = = 36.5%
2. 描述、分类并记录每种试样的主要断裂模式。
3. 确定材料性能，方法参见 JoVE 视频《钢的应力-应变特性》中的说明。将数据整理到电子表格中，其中应变值在0.004以下时由应变片提供，0.004至0.05之间由引伸计提供（引伸计的上限为测试中将其取下时的应变值；该值根据试样的变形能力而变化）。利用横梁位移和断后伸长率来估算极限应变。若未使用应变片，务必校正引伸计可能存在的初始滑移。可通过计算应力-应变曲线下的方格数来估算韧性（即曲线下面积）。
4. 通过教科书或其他合适的参考资料，确定所用材料的弹性模量、屈服强度和极限强度，并将这些文献值与实验结果进行比较。