钢材的应力-应变特性

钢筋试样的拉伸试验

本实验的目的是：

• 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）；
• 比较常用工程金属材料（结构钢和铝）的性能；以及
• 将实测金属性能与已发表的参考值进行比较。

假设已具备一台带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）。请遵循制造商提供的关于进行拉伸试验的推荐操作步骤，并特别注意安全指南。如果对任何步骤存在疑问，切勿继续操作，应向实验室指导教师咨询以消除疑虑，因为若未遵守适当的安全预防措施，可能导致自身或周围人员严重受伤。此外，务必掌握所有紧急停止操作程序，并熟悉控制该设备运行的软件。

以下步骤为通用流程，旨在涵盖大多数关键步骤；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. 获取两种钢材的圆柱形试样，一种为软质热轧钢（如 A36），另一种为硬质冷轧钢（如 C1018）。
2. 使用卡尺在试样中部附近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》中的描述安装应变片。
6. 收集所有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，但已超出本文讨论范围。

2. 检测样本：

1. 打开试验机并启动软件。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实时显示。
2. 在软件中选择与 ASTM E8 测试协议兼容的适当测试程序。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两种不同的应变速率。同时，在软件中设置任何必要的操作（例如，当应变达到 15% 时自动停止机器，以便安全拆除引伸计并记录所达到的最大载荷值）。
3. 手动提升横梁，使试样全长能轻松置于夹具之间。将试样小心插入上夹具，插入深度约为夹具深度的 80%；调整试样在夹具内的对中位置，并轻微夹紧，以防止试样掉落。注意：此阶段切勿将夹具完全锁紧。
4. 缓慢降低上横梁。当试样进入下夹具深度约 80% 时，确保试样在下夹具内正确对中（即当下夹具完全打开时，试样应在下夹具开口中间“自由悬浮”）。试样对中不良会在测试过程中引入额外的弯曲和扭转载荷，这是进行拉伸试验时最常见的错误之一。如果对中效果不佳，应与技术人员协作，正确调整夹具对中。
5. 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发生滑移。注意，此时会产生较小的轴向载荷，因为夹紧过程会在试样中引入预载荷；试验机软件可能具备调整功能以最小化该预载荷。记录预载荷数值。
6. 按照制造商的规范，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。
7. 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，请主管人员确认试样是否已准备好进行测试。
8. 开始加载，对试样施加拉伸载荷，并观察计算机屏幕上载荷的实时读数。注意：如果测得的载荷不增加，说明试样在夹具中发生滑移，需重新安装。若发生此情况，应立即停止测试，并从第 2.3 步重新开始。
9. 在试样断裂前的某个时刻，测试将自动暂停，但不卸载试样。此时应立即拆除引伸计。若试样断裂时引伸计仍附着在试样上，将导致引伸计损坏——这是一种非常昂贵的设备。
10. 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，通过延性撕裂完成。
11. 测试结束后，提升横梁，松开上夹具，将断裂的上半段试样从上夹具中取出。取出上半段后，松开下夹具，取出试样的另一半。
12. 记录最大拉伸载荷的数值，并打印一份应力-应变曲线图。将数字记录的数据妥善保存。
13. 小心地将断裂试样的两端对接，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。
14. 测量试样最小横截面处的直径，精确至 0.002 in。
15. 通过照片和示意图对断裂试样进行记录存档。

3. 数据分析

1. 计算每种金属材料的断后伸长率和断面收缩率。
   伸长率 =
   断面收缩率 =
2. 描述、分类并记录每个试样主要的断裂模式。
3. 根据图2和图3所述确定材料性能。将数据整理到电子表格中，使应变在0.004以下时由应变片提供，0.004至0.15之间由引伸计提供（引伸计的上限为测试中将其卸下时的应变值；该值根据试样的变形能力而变化）。
4. 利用横梁位移和断后伸长率估算极限应变。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（即应力-应变曲线下的面积）。
5. 参考教科书或其他合适的资料，确定所用材料的弹性模量、屈服强度和极限强度，并将文献值与实验结果进行比较。