金属拉伸试验-elongation.doc

拉伸試驗一、 實驗目的測定材料的彈性係數、降伏點或降服強度、抗拉強度、伸長率，以及斷面縮率二、 實驗設備(1) 萬能材料試驗機(圖一)2) 伸長計（extensometer）3) 標點刻度器（標點距離50mm）4) 游標卡尺（精度0.05mm）三、 實驗材料低碳鋼、黃銅圖一：萬能材料試驗機四、 實驗原理本試驗使用如圖一所示之萬能試驗機，其最大荷重為20噸利用該試驗機進行拉伸實驗，以得知材料之基本性質將材料試棒裝上試驗機後，施加荷重時材料將產生伸長量把對應每一荷重的伸長量記錄下來後，可得圖二所示之荷重─伸長曲線圖（load-elongation curve diagram）進而計算出該材料的降伏強度、抗拉強度、伸長率及斷面縮率，並且利用伸長計（extensometer）測定金屬材料之楊氏彈性係數參考圖二：曲線1是典型的低碳鋼之荷重─伸長曲線圖，P點為比例限，E點為彈性限，Y1點為上降伏點，Y2點為下降伏點，Y1至Y3間為降伏伸長假如在試棒表面磨得很亮之情況，到達Y1時，試棒之一部份會出現塑性變形之區域，即產生Luders band，而隨著降伏進行，此band漸漸擴展，到達Y3點後此band會擴展到試棒全面。

此後進入加工硬化區域，到達最大荷重M點後試棒發生局部的斷面積收縮，稱為頸縮（necking），而在Z點破斷曲線2為銅、鋁等非鐵金屬的荷重─伸長曲線圖，沒有明顯的降伏點，工程上常以殘留0.2%永久變形所對應的應力定義為其降伏強度由此結果可計算出下列數據：(1) 降伏點＝PY1/A0 （kgf/mm2）PY1：曲線1點Y1之荷重；A0：試棒之原截面積(2) 降伏強度＝Pε/A0（kgf/mm2）Pε:曲線2點C所對應的荷重(3) 抗拉強度＝Pu/A0（kgf/mm2）Pu：最大荷重M點之荷重(4) 伸長率＝(L'-L0)/L0×100%L'：試驗後試棒兩標點間之距離L0：試驗前試棒兩標點間之距離(5) 斷面縮率＝(A0-A')/A0×100%A0：試棒之原截面積A'：試棒拉斷部份之最小截面積 圖二：荷重─伸長曲線本試驗將在拉伸的同時，利用伸長計測得金屬材料的荷重─兩點延伸曲線（load-gage length elongation curve），再由該曲線求得彈性係數（modules of elasticity）伸長計係利用differential transformer，將試棒所測得之伸長量變化轉換為具有高感度及高精度之電量。

將伸長計夾於試棒上，使其位移方向與試棒之應變方向同向，其即會將試棒之應變轉換成精密之電量改變五、 實驗方法1. 準備試棒(1) 在試棒平行部，用標點刻度器刻劃兩點距離（標點距離50mm）2) 用游標卡尺測定試棒標點部份及中央部份之直徑測定直徑時需測定互相直交的兩個方向，測定到規定尺寸的0.5%之數據例如：若直徑為12.5mm，則12.5mm×0.5%=0.0625mm，即測至0.05mm（1/20mm）之程度即可請記錄於表一內2. 試驗機以及電腦之準備工作(1) 進入電腦內之〔萬能材料試驗機測試程式〕2) 打開試驗機開關，並選擇〔自動控制模式〕3) 打開油壓幫浦並進行熱機程序約10分鐘4) 利用〔聯板上升〕鍵將上聯板（cross head）上升至超過機台底座之紅線位置後，按下〔聯板停止〕鍵固定上聯板，以排除機台底座之摩擦，並扣除上聯板之位移量5) 利用〔down〕鍵降下中聯板6) 將伸長計裝置於試棒刻劃之兩標點位置7) 利用上聯板之夾頭固定試棒之上自由端8) 利用中聯板之夾頭固定試棒之下自由端3. 試驗(1) 於測試程式中，選擇〔兩點延伸模式〕進行測試2) 按下〔機台停止〕鍵切換為主測試畫面。

3) 按下〔測試精靈〕鍵，系統程式將逐步提示使用者設定測試所需的資料4) 按下〔測試〕鍵開始測試5) 在超過降伏點後，機台將維持固定荷重，於此時將伸長計自機台上取下6) 按下鍵盤上之〔End〕以及〔F12〕以改變機台為定應變拉伸模式，繼續將試棒拉斷7) 試棒斷裂後，試驗機將停止動作，並要求使用者輸入標距之拉伸長度及斷面積由試驗機上取下試棒，再按下〔復原〕鍵將機台歸回零點8) 按下〔存檔〕鍵儲存檔案9) 列印實驗所得之〔荷重─位移〕與〔荷重─兩點延伸〕兩圖4. 量測並觀察拉斷試棒(1) 將試棒之斷口緊密接合後，量測兩標點的距離及直徑最小部位的截面積，並記錄於表二2) 觀察試棒之拉斷位置及其斷面形狀（Cup & Cone或是平整斷面）六、 實驗結果表一：試驗前的試棒測定試棒種類直徑之平均值D0 (mm)截面積之平均值A0 (mm2)標點距離L0 (mm)低碳鋼黃銅表二：試驗後的試棒測定試棒種類最小斷面直徑之平均值D’(mm)最小截面積A’(mm2)標點距離L’(mm)破斷處之破斷面狀態低碳鋼黃銅表三：試驗結果試棒種類降伏點或降伏強度(kgf/mm2)抗拉強度(kgf/mm2)伸長率(%)斷面縮率(%)彈性係數(kgf/mm2)低碳鋼黃銅七、 檢討事項1. 荷重增加速度對降伏點、抗拉強度有何影響？2. 標點距離之長短對伸長率有何影響？3. 試棒的斷口位置對伸長量有何影響？其理由為何？4. 試棒之斷口形狀因材料不同而異，影響此形狀之因素有哪幾種？5. 材料容易發生局部收縮（necking）與否之因素為何？6. 本實驗所使用兩種材料（黃銅及低碳鋼）其彈性係數、抗拉強度及伸長率之理論值為何？7. 本實驗所測得的彈性係數與理論值比較後，誤差有多少？誤差之原因為何？如何改進以量出更精確的彈性係數？8. 本實驗所測得的抗拉強度及伸長率與理論值比較，有何差異？造成差異的原因何在？6。