[科普中国]-拉伸试验

拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。从高温下进行的拉伸试验可以得到蠕变数据。金属拉伸试验的步骤可参见ASTM E-8标准。塑料拉伸试验的方法参见ASTM D-638标准、D-2289标准（高应变率）和D-882标准（薄片材）。ASTM D-2343标准规定了适用于玻璃纤维的拉伸试验方法；ASTM D-897标准中规定了适用于粘结剂的拉伸试验方法；ASTM D-412标准中规定了硬橡胶的拉伸试验方法。

拉伸试验tensile test

测定材料在拉伸载荷作用下的一系列特性的试验，又称抗拉试验。它是材料机械性能试验的基本方法之一，主要用于检验材料是否符合规定的标准和研究材料的性能。

性能指标拉伸试验可测定材料的一系列强度指标和塑性指标。强度通常是指材料在外力作用下抵抗产生弹性变形、塑性变形和断裂的能力。材料在承受拉伸载荷时，当载荷不增加而仍继续发生明显塑性变形的现象叫做屈服。产生屈服时的应力，称屈服点或称物理屈服强度，用σS（帕）表示。工程上有许多材料没有明显的屈服点，通常把材料产生的残余塑性变形为 0.2%时的应力值作为屈服强度，称条件屈服极限或条件屈服强度，用σ0.2 表示。材料在断裂前所达到的最大应力值，称抗拉强度或强度极限，用σb（帕）表示。

塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不致破坏的能力，常用的塑性指标是延伸率和断面收缩率。延伸率又叫伸长率,是指材料试样受拉伸载荷折断后,总伸长度同原始长度比值的百分数,用δ表示。断面收缩率是指材料试样在受拉伸载荷拉断后，断面缩小的面积同原截面面积比值的百分数，用ψ表示。

条件屈服极限σ0.2、强度极限σb、伸长率 δ和断面收缩率ψ是拉伸试验经常要测定的四项性能指标。此外还可测定材料的弹性模量E、比例极限σp、弹性极限σe等。

试验方法 拉伸试验在材料试验机上进行。试验机有机械式、液压式、电液或电子伺服式等型式。试样型式可以是材料全截面的，也可以加工成圆形或矩形的标准试样。钢筋、线材等一些实物样品一般不需要加工而保持其全截面进行试验。试样制备时应避免材料组织受冷、热加工的影响，并保证一定的光洁度。

试验时，试验机以规定的速率均匀地拉伸试样，试验机可自动绘制出拉伸曲线图。对于低碳钢等塑性好的材料，在试样拉伸到屈服点时，测力指针有明显的抖动，可分出上、下屈服点（和），在计算时,常取材料的 δ和ψ可将试验断裂后的试样拼合，测量其伸长和断面缩小而计算出来。

国家标准GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验方法》

拉伸试验步骤（－）低碳钢拉伸试验

1.准备试件。用刻线机在原始标距 范围内刻划圆周线（或用小钢冲打小冲点），将标距内分为等长的10格。用游标卡尺在试件原始标距内的两端及中间处两个相互垂直的方向上各测一次直径，取其算术平均值作为该处截面的直径，然后选用三处截面直径的最小值来计算试件的原始截面面积A。（取三位有效数字）。

2.调整试验机。根据低碳钢的抗拉强度σb和原始横截面面积估算试件的最大载荷，配置相应的摆锤，选择合适的测力度盘。开动试验机，使工作台上升10mm左右，以消除工作台系统自重的影响。调整主动指针对准零点，从动指针与主动指针靠拢，调整好自动绘图装置。

3.装夹试件。先将试件装夹在上夹头内，再将下夹头移动到合适的夹持位置，最后夹紧试件下端。

4.检查与试车。请实验指导教师检查以上步骤完成情况。开动试验机，预加少量载荷（载荷对应的应力不能超过材料的比例极限），然后卸载到零，以检查试验机工作是否正常。

5.进行试验。开动试验机，缓慢而均匀地加载，仔细观察测力指针转动和绘图装置绘出 图的情况。注意捕捉屈服荷载值，将其记录下来用以计算屈服点应力值σS,屈服阶段注意观察滑移现象。过了屈服阶段，加载速度可以快些。将要达到最大值时，注意观察“缩颈”现象。试件断后立即停车，记录最大荷载值。

6.取下试件和记录纸。

7.用游标卡尺测量断后标距。

8.用游标卡尺测量缩颈处最小直径d1。

（二）铸铁拉伸试验

1.准备试件。除不必刻线或打小冲点外，其余都同低碳钢。

2.调整试验机和自动绘图装置，装好试件，对以上工作进行检查（与低碳钢拉伸试验时的步骤相同）。

3.进行实验。开动试验机，缓慢均匀地加载，直至试件被拉断。关闭试验机，记录拉断时的最大荷载值，取下试件和记录纸。

（四）结束实验。

请指导教师检查试验记录。将试验设备、工具复原，清理试验场地。最后整理数据，完成试验报告。

拉伸试验参数1、最大试验力：50N、100N到20KN

2、准确度等级：0.5级/1级

3、试验力测量范围：0.2%到100%F.S/0.4到100%F.S

4、试验力示值准确度：±0.5%/±1%

5、试验力分辨率：±250000码

6、变形测量范围：1%—100%F.S

7、变形示值准确度：±0.5%

8、变形分辨率：±250000码

9、大变形测量范围：0到800mm

10、大变形示值准确度：±0.5%

11、大变形分辨率：0.003mm

12、位移示值准确度：±0.3%

13、、位移分辨率：0.00004mm

14、力速率控制调节范围：0.005-10%F.S/S

15、力速率控制精度：力控制速率小于0.05%，F.S/S时在±1%；力控制速率大于0.05%，F.S/S时在±0.3%；

16、伸长速率控制调节范围：0.005-10%F.S/S

17、伸长速率控制精度：变形控制速率小于0.05%，F.S/S时在±0.5%；变形控制速率大于0.05%，F.S/S时在±0.2%；

18、位移速率控制调节范围：0.001-1000mm/min

19、位移速率控制精度：±0.2%/±0.5%

20、恒力、恒变形、恒位移控制范围：0.3%—100%F.S

21、恒力、恒变形、恒位移控制精度：设定值小于10%，F.S时在±0.5%；设定大于10%，F.S时在±0.1.%；

22、有效拉伸空间：900mm

23、电子拉力试验机有效试验宽度：400mm。

拉伸曲线图由试验机绘出的拉伸曲线，实际上是载荷－伸长曲线（见图），如将载荷坐标值和伸长坐标值分别除以试样原截面积和试样标距，就可得到应力－应变曲线图。图中op部分呈直线，此时应力与应变成正比，其比值为弹性模量，Pp是呈正比时的最大载荷，p点应力为比例极限σp。继续加载时，曲线偏离op，直到 e点，这时如卸去载荷，试样仍可恢复到原始状态，若过e点试样便不能恢复原始状态。e点应力为弹性极限σe。工程上由于很难测得真正的σe,常取试样残余伸长达到原始标距的0.01%时的应力为弹性极限,以σ0.01 表示。继续加载荷，试样沿es曲线变形达到s点，此点应力为屈服点σS或残余伸长为 0.2%的条件屈服强度σ0.2。过s点继续增加载荷到拉断前的最大载荷b点,这时的载荷除以原始截面积即为强度极限σb。在 b点以后，试样继续伸长，而横截面积减小,承载能力开始下降,直到 k点断裂。断裂瞬间的载荷与断裂处的截面的比值称断裂强度。

图l为拉伸标准试样及拉断后试样，试样上予先标出标距长度。

图2为一般结构钢的拉伸(载荷一伸长)关系图

[注]：图中 L0=原始标距长度 F0=原始试样截面积 Ll=断后标距长度 Fl=断后截面积

拉伸夹具拉伸夹具本身就是一个锁紧机构。在结构上没有固定的模式, 根据不同的试样及试验力大小,在结构上差别很大.大试验力的试样一般采用斜面夹紧结构,随试验力的增加,夹紧力随之增加，台肩试样采用悬挂结构等，如果夹具按结构划分，可分为楔形类夹具（指采用斜面锁紧原理结构的夹具）、对夹类夹具（指采用单面或双面螺纹顶紧原理结构的夹具）、缠绕类夹具（指试样通过缠绕方式锁紧的夹具）、偏心类夹具指采用（偏心锁紧原理结构的夹具）、杠杆类夹具（指采用杠杆力放大原理结构的夹具）、台肩类夹具（指适用于台肩试样的夹具）、螺栓类夹具（指适用于螺栓、螺钉、螺柱等测试螺纹强度的夹具）、90°剥离类夹具（指适用于两试样进行垂具，直剥离的夹具）等。我们知道机械上的锁紧结构有：缧纹（即螺纹，螺钉，螺母）、斜面、偏心轮、杠杆等，夹具就是这些结构的组合体这些夹具的结构各有各的优缺点，例如：楔形夹具，初始夹紧力小，随试验力增加。夹紧力随之增加。对夹夹具，初始夹紧力大，随试验力增加。夹紧力随之减小。

拉伸试验机拉伸试验机（英文名cupping machine）也叫材料拉伸试验机、万能拉伸强度试验机，是集电脑控制、自动测量、数据采集、屏幕显示、试验结果处理为一体的新一代力学检测设备。

简介编辑

拉伸试验机

微机控制电液伺服万能试验机集电液伺服自动控制、自动测量、数据采集、屏幕显示、试验结果处理为一体，以油缸下置式主机为平台，配置精密油泵和电液伺服阀、PC机伺服控制器，实现多通道闭环控制，完成试验过程的全自动控制、自动测量等功能，具有专业性好、可靠性高、升级简易等特点，并可随着试验机测控技术的发展和试验标准的变化而不断充实完善。

主要功能编辑

主要适用于金属及非金属材料的测试，如橡胶、塑料、电线电缆、光纤光缆、安全带、保险带、皮革皮带复合材料、塑料型材、防水卷材、钢管、铜材、型材、弹簧钢、轴承钢、不锈钢（以及其它高硬度钢）、铸件、钢板、钢带、有色金属金属线材的拉伸、压缩、弯曲、剪切、剥离、撕裂、两点延伸（需另配引伸计）等多种试验。

伺服拉力试验机主要特点：

采用进口光电编码器进行位移测量，控制器采用嵌入式单片微机结构，内置功能强大的测控软件，集测量、控制、计算、存储功能于一体。具有自动计算应力、延伸率（需加配引伸计）、抗拉强度、弹性模量的功能，自动统计结果；自动记录最大点、断裂点、指定点的力值或伸长量；采用计算机进行试验过程及试验曲线的动态显示，并进行数据处理，试验结束后可通过图形处理模块对曲线放大进行数据再分析编辑，并可打印报表，产品性能达到国际先进水平。[1]

常用的拉伸试验机编辑

在材料力学实验中，最常用的设备是万能材料试验机，它可以进行拉伸、压缩、剪切、弯曲等试验。万能材料试验机有多种类型。下面分别介绍常用的液压式万能材料试验机和电子万能材料试验机的构造、操作程序与使用时的注意事项。

1．液压式万能材料试验机

（1）基本构造液压式万能材料试验机可以进行拉伸、压缩、剪切、弯曲等材料力学性能试验。国内生产的液压式万能材料试验机的型号为WE型。其系列产品有WEl00、WE300、WE600、WEl000型。这几种试验机的主要技术参数见图

WE型万能材料试验机主要技术参数

液压式万能材料试验机主要由主体和测力机构两部分组成。

（2）操作程序与注意事项

1）试验前应先估计试样所需力的大小，以便选择适合的测力度盘（使试验的最大力值指示在测力度盘最大值的20%以上）。

2）起动液压泵，检查运转是否正常。转动送油阀手轮以打开送油阀，使工作台上升10mm左右，然后逐步关小送油阀。在液压泵继续工作以及工作台基本停止上升的情况下调整平衡铊，使摆锤上方的摆杆左侧面与标定的刻线重合。抬起摆锤检查缓冲阀是否正常，再转动齿杆使指针对准测力度盘的“零”点。由于上横梁、拉杆和工作台具有相当大的重量，须有一定的油压才能将它们升起，但这部分油压并未用于试样加载，因此不应反映到试样所承受的力值读数中去。

3）安装试样。WE型万能材料试验机配有一套不同形状和尺寸的夹头。进行拉伸试验时可根据试样的形状、尺寸和材料软硬进行选择，试样一端夹在上夹头中，根据试样的长短调整下钳口座位置并将试样夹紧；进行压缩或弯曲试验时，将试样分别放在下垫板或弯曲支座上。

4）起动液压泵，旋转送油阀并以一定速度加力。

5）试验完成后关闭送油阀，停机取下试样，并缓慢旋转回油阀手轮，使液压缸中油液泄回油箱，工作台下降到原始位置。[2]

2．电子万能材料试验机

电子万能材料试验机是一种采用电子技术控制和测试的机械式万能试验机。它除了具有普通万能试验机的功能外，还具有较宽的、可调节的加力速度和测力范围，以及较高的变形测量精度和快速的动态反应速度，能实时显示数据和绘制足够放大比例的拉伸曲线或其他试验曲线。

右图是国产WDSl00型电子万能材料试验机的结构原理。试验机由主机、电气控制箱和测量、显示、记录装置等三部分组成，其中主机的主要作用是实现对

WDSl00型电子万能材料试验机结构原理

试样的加力操作。上横梁9、滚珠丝杠6与工作台4这三部分组成一个框架，活动横梁5用螺母与滚珠丝杠联接。当电动机3受控而转动时，经主变速箱1及传动齿轮2使滚珠丝杠6转动，活动横梁5向下移动时，在其上部空间可进行拉伸试验，在其下部空间可进行压缩、弯曲试验。

试验机活动横梁的移动速度（试验速度）可通过改变直流电动机的转速和变速箱的速比进行调节。

力的测量由力传感器8和力值测量单元组成。试样所承受的力通过传感器由力值测量系统转换成相应的电信号，经放大后通过函数记录仪进行记录或通过直流数字电压表显示出来。

变形的测量由装在试样上的位移传感器7通过变形测量系统将试样的变形转换成电信号，经放大后输入函数记录仪或数字电压表显示。[2]

应用编辑

拉伸试验机广泛应用于计量质检；橡胶塑料；冶金钢铁；机械制造；电子电器；汽车生产；纺织化纤；电线电缆；包装材料和食品；仪器仪表；医疗器械；民用核能；民用航空；高等院校；科研实验所；商检仲裁、技术监督部门；建材陶瓷；石油化工及其它行业。拉伸夹具作为仪器的重要组成部分，不同的材料需要不同的夹具，也是试验能否顺利进行及试验结果准确度高低的一个重要因素。 拉力试验机普遍应用于各类五金、金属、橡塑胶、鞋类、皮革、服装、纺织、绝缘体、电线、电缆、端子等各类资料，测试其拉伸，撕裂，剥离，抗压，弯曲等资料研发，检验测试，功用其全，用处普遍。拉伸试验机有电子式的、液压式的和电液伺服式的。

高温拉伸试验高温拉伸试验是在室温以上的高温下进行的拉伸试验。高温拉伸试验时，除考虑应力和应变外，还要考虑温度和时间两个参量。温度对高温拉伸性能影响很大，因此对温度的控制要求很严格。试样一般采用电炉加热，炉子工作空间要有足够的均热带，用仪表进行自动控制温度。

基本性质编辑

如果某金属材料在高温下工作，而这个温度还不致于使材料发生蠕变现象，或者虽然该温度已可能发生蠕变现象，但由于工作时间很短，蠕变现象并没有起决定性的作用。在以上两种情况下，高温下短时拉力所测得的性能就成为衡量材料力学性能的重要指标。有时为了确定热加工的工艺，也需要测定材料在热加工温度下的短时拉伸性能力。

高温拉伸试样为了保证轴向加力和减小夹头尺寸便于安装引伸计。圆柱形试样头部应采用螺纹联接；平板状试样头部应采用销钉联接。高温引伸计通常有三个部分，即与试样凸肩相连的夹持部分、将试样变形传到炉外的引伸杆和在炉外进行变形测量的变换器。

变量控制编辑

高温拉伸试验时，试样施力的时问，即拉伸速度对拉伸性能有显著影响。为此，高温拉伸试验时必须将试样的拉伸速度控制在规定范围内。在国家标准中规定，测定非比例抗拉强度和屈服强度时，屈服期间试样标距内应变速率应在（0.001~0.005）/min范围内，尽量保持某个恒定值。在不能控制应变速率的情况下应调节应力速率，使在弹性范围内应变速率保持于0.003/min之内，但应力速率不应超过300MPa/min。仲裁试验采用中间应变速率。屈服后或不测规定非比例拉伸强度和屈服强度时，应变速率在（0.02～0.20)/min之间保持恒定。[1]

通常采用热电偶作为温度传感器检测试样温度。热电偶的热端用石棉绳捆绑紧贴试样工作表面。冷端引出炉外而置于冰水中或零点补偿装置内，其温度偏差不应超过±0.5摄氏度。高温拉伸试验时温度测量仪器的精度不应低于0.1级，温度记录仪的精度不应低于0.5%。

试验分析编辑

金属材料的高温拉伸试验所规定的性能指标与常温拉伸试验时基本相同，但一般是测定抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率四大性能指标。由于做高温短时拉伸试验时，负荷持续时间的长短，对拉伸性能有显著影响。快速拉断短时高温拉伸试样时，抗拉强度值明显提高。如下图：[2]

负荷持续时间影响

屈服点或规定非比例伸长应力的情况也类似。因此国家标准中对高温短时拉伸试验时的拉伸速度作了严格限制。试样的最大允许应变速度只及常温拉伸试验时的1/20。通常估计，做一次拉伸试验，其负荷持续的时间不应小于15~20min。这在试验时必须严加注意的。

高温下短时拉伸试验几大指标的测定方法与常温下的测定方法基本类同。随温度的变化，四大指标的变化趋势如图所示：

低合金钢的力学性能随试验温度的变化

从图中看出，低合金钢约在200~300℃出现抗拉强度的高峰，相应地，塑性指标δ和ψ也在同一温度区域出现一个低谷。这与材料在这个区域发生蓝脆现象有关。随着合金元素的提高，这个峰值将会右移，发生在温度更高的区域。

相关扩展编辑

低温拉伸试验是在室温以下的低温下进行的拉伸试验。低温拉伸试验时，试样及上、下夹头均浸入充满气态或液态制冷剂的低温拉伸槽中，也可采用细孔喷射制冷法使试样冷却。试验时试样应在相应的冷却温度下保持足够长的时间，使用液体冷却介质时，保持时间应不少于5min；采用气体冷却介质时，保持时间应不少于15min。测量低温介质温度通常采用低温温度计、低温热电偶及相关的自动记录指示仪。

低温拉仲试验时的制冷剂通常有冰、固体二氧化碳（干冰）、液氮、液氦、液氢等，调温剂通常采用氯化钠、氯化钙、氯化按、乙醇、三氯甲烷、石油醚等1。

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学