1.低碳钢拉伸试验

拉伸试样通常采用圆形横截面比例试样，一种是长拉伸试样，其原始标距l0=10d0；另一种是短拉伸试样，其原始标距L0=5d0，如图2-7所示。d0是圆形横截面比例试样的原始直径；dk是圆形横截面比例试样断口处的直径；l0是圆形横截面比例试样的原始标距；lk是圆形横截面比例试样拉断对接后测出的标距长度。为了节省试样制作成本，通常采用短拉伸试样。

拉伸试验的主要设备是万能拉伸试验机（见图2-8），试验前将拉伸试样装夹在拉伸试验机上，然后逐渐施加拉伸载荷，直到将拉伸试样拉断为止。在试验过程中，拉伸试验机可连续地记录试验过程，并以力（F）-伸长（Δl）曲线形式，或者是应力（R）-应变（ε）曲线形式记录试验过程，如图2-9所示。

图2-7　拉伸试样

（a）拉伸前　（b）拉伸后

图2-8　数显式液压万能拉伸试验机

图2-9　退火低碳钢F-Δl曲线和R-ε曲线

（a）F-Δl曲线　（b）R-ε曲线

从退火低碳钢的力（F）-伸长（Δl）曲线图可以看出，拉伸试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段、变形强化阶段、缩颈与断裂4个阶段。

（1）弹性变形阶段。观察图2-9中力-伸长曲线可以看出，在斜直线Op阶段，当拉伸力F增加时，拉伸试样伸长量Δl也呈正比增加。当去除拉伸力F后，拉伸试样伸长变形消失，拉伸试样恢复其原来形状，其变形规律符合虎克定律，表现为弹性变形。图中Fp是拉伸试样保持完全弹性变形的最大拉伸力。

（2）屈服阶段。当拉伸力超过Fp时，对应pt线段，曲线稍微弯曲，说明试样在此阶段处于弹塑性阶段，不仅产生弹性变形，还将产生微量的塑性变形，去除拉伸力后，微量的塑性变形不能完全恢复，试样会残留微量的塑性变形。当拉伸力继续增加到一定值时，力-伸长曲线出现一个波动平台，即在拉伸力几乎不变的情况下，拉伸试样会明显地伸长，这种现象称为屈服现象。拉伸力Fs称为屈服拉伸力。

（3）变形强化阶段。当拉伸力超过屈服拉伸力后，拉伸试样抵抗变形的能力将会提高，产生冷变形强化现象。在力-伸长曲线上表现为一段上升曲线（sm），即随着塑性变形的增大，拉伸试样抵抗变形的力也逐渐增大。

（4）缩颈与断裂阶段。当拉伸力达到Fm时，拉伸试样的局部截面开始收缩，产生缩颈现象。由于缩颈使拉伸试样局部截面迅速缩小，单位面积上的拉伸力增大，变形集中于缩颈区，最后延续到k点时拉伸试样被拉断。缩颈现象在力-伸长曲线上表现为一段下降曲线。Fm是拉伸试样拉断前能承受的最大拉伸力，称为极限拉伸力。

2.低碳钢的强度指标

强度是材料在力的作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。材料在静拉伸试验中的强度指标主要有：屈服强度（一般以ReL表示）、规定总延伸强度（如Rt0.5）、抗拉强度（Rm）等。

（1）屈服强度。试样在拉伸过程中，力不增加（保持恒定）仍然能继续伸长（变形）时的应力称为屈服强度。屈服强度包括上屈服强度（ReH）和下屈服强度（ReL），由于下屈服强度的数值较为稳定，因此，一般将下屈服强度作为材料的屈服强度。屈服强度的单位是MPa（或N/mm2）。屈服强度ReL可用下式计算：

式中：FsL——拉伸试样屈服时的下拉伸力，单位是N；

　　　S0——拉伸试样的原始横截面积，单位是mm2。

（2）规定总延伸强度。工业上使用的部分金属材料，如高碳钢、铸铁等，在进行拉伸试验时，没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈现象，这就需要规定一个相当于屈服强度的强度指标，即“规定总延伸强度Rt”。

规定总延伸强度是指试样总延伸率等于规定的引伸计标距（Le）百分率时对应的应力。规定总延伸强度用符号“R”并加下角标“t”和规定的总延伸率表示。例如，Rt0.5表示规定总延伸率为0.5%时的应力，并将此值作为没有产生明显屈服现象的金属材料的屈服强度（或条件屈服强度）。

金属零件及其结构件在工作过程中一般不允许产生塑性变形，因此，设计零件和结构件时，屈服强度是工程技术上重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件和结构件选材与设计的依据。(www.daowen.com)

（3）抗拉强度。抗拉强度是指拉伸试样拉断前承受的最大标称拉应力。抗拉强度用符号Rm表示，单位是MPa（或N/mm2）。Rm可用下式计算：

式中：Fm——拉伸试样承受的最大载荷，单位是N；

　　　S0——拉伸试样原始横截面积，单位是mm2。

Rm是表征金属材料由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是表征金属材料在静拉伸条件下的最大承载能力。对于塑性金属材料来说，拉伸试样在承受最大拉应力Rm之前，变形是均匀一致的。但超过Rm后，金属材料开始出现缩颈现象，即产生集中变形。

3.低碳钢的塑性指标

塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。金属材料的塑性可以用拉伸试样断裂时的最大变形量来表示。工程上广泛使用的表征材料塑性大小的主要指标是断后伸长率和断面收缩率。

（1）断后伸长率。拉伸试样在进行拉伸试验时，在力的作用下会产生塑性变形，试样中的原始标距会不断地伸长。试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号A或A11.3表示。A或A11.3可用下式计算：

式中：lk——拉断拉伸试样对接后测出的标距长度，单位是mm；

　　　l0——拉伸试样原始标距长度，单位是mm。

由于圆形横截面比例试样分为长拉伸试样和短拉伸试样，其中使用长拉伸试样测定的断后伸长率用符号A11.3表示，使用短拉伸试样测定的断后伸长率用符号A表示。同一种金属材料的断后伸长率A或A11.3数值是不相等的，因而不能直接用A与A11.3进行比较。一般短拉伸试样的A值大于长拉伸试样的A11.3。

（2）断面收缩率。断面收缩率是指圆形横截面比例试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。断面收缩率用符号“Z”表示。Z值可用下式计算：

式中：S0——拉伸试样原始横截面积，单位是mm2；

　　　Sk——拉伸试样断口处的横截面积，单位是mm2。

金属材料的塑性大小，对零件的加工和使用具有重要的实际意义。塑性好的金属材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等成形工艺，而且在使用过程中如果发生超载，则由于塑性变形，可以避免或缓冲突然断裂。所以，大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还须有一定的塑性。对于铸铁、陶瓷等脆性材料，由于塑性较低，拉伸时几乎不产生明显的塑性变形，超载时会突然断裂，使用过程中必须注意。

目前金属材料室温拉伸试验方法推荐采用GB/T 228—2010新标准，本书涉及的力学性能数据尽量采用新标准。原有的采用旧标准GB/T 228—1987进行测定和标注的金属材料力学性能数据仍可沿用。关于金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照（见下表）。

表　金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照

4.卸载规律与冷变形强化

对于低碳钢等塑性金属材料，当拉伸试样被加载到强化阶段内的某一点d时，将载荷逐渐减小到零[见图2-10（a）]，可以看出卸载过程中R-ε曲线将沿着与Op近似平行的直线dh回到水平轴上。这说明卸载过程中，应力与应变之间按直线规律变化，这就是卸载规律。试样卸载后，弹性应变hg消失，塑性应变Oh将被残留下来。如果试样卸载后在短期内再加载，则其应力和应变将基本上沿着卸载时的同一直线hd上升，直到恢复开始卸载时的应力为止，再往后加载时，将沿着原来的曲线变化[见图2-10（b）]。比较Opdmk曲线和hdmk曲线可知，试样在强化阶段内加载后再卸载，试样的规定总延伸强度得到提高，而塑性却有所下降，这种现象称为冷变形强化。

图2-10　卸载规律和冷变形强化

在机械工程中常利用冷变形强化来提高构件的承载能力，如建筑钢筋、钢丝绳、链条等在使用前进行冷拔工艺，对冷轧钢板、型钢进行冷轧工艺等都是利用冷变形强化现象。相反，如果金属材料在冷压成形时产生冷变形强化，降低了金属材料的塑性时，可利用退火工艺消除冷变形强化现象。