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1、实验一 金属材料拉伸、压缩实验实验简介：金属材料常温、静载下的轴向拉伸与压缩试验是材料力学实验中最基本且应用广泛的实验。通过实验，可以全面测定材料的力学性能指标。这些指标对材料力学的分析计算及工程设计有极其重要的作用。本次试验将参照国家标准GB/T228-2002金属材料室温 拉伸试验方法选用低碳钢和铸铁作为塑性材料和脆性材料的代表，分别进行拉伸和压缩试验。预习要求：学生在上实验课之前，必须复习课堂上讲过的有关材料在拉伸、压缩时力学性能的内容。根据上述试验目的，写出确定各个力学性能参数的计算公式，明确在试验前应测量哪些初始数据，在试验过程中需要记录哪些数据，合理列出本次试验所需的数据记录与表格
2、，画在实验记录纸上。试验前交指导教师检查。一实验目的：1测定低碳钢下列力学性能指标：拉伸时的屈服极限、强度极限、延伸率、截面收缩率；压缩时的屈服极限。2测定铸铁下列力学性能指标：拉伸时的强度极限；压缩时的强度极限。3观察上述两种材料在拉伸和压缩的全过程中所出现的各种变形现象。4比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）的力学性能特点与试件的断口情况，分析各自的破坏原因。二实验设备仪器：1电子万能材料试验机。2画线机、力传感器、位移传感器和游标卡尺等。3符合国标规定的圆形截面拉伸和压缩试件。三实验原理 ：进行拉伸试验时，外力必须通过试样轴线,以确保材料处于单向应力状态。一般试验机都设有自动绘图装置
3、，用以记录试样的拉伸图即P-L曲线，形象地体现了材料变形特点以及各阶段受力和变形的关系。但是P-L曲线的定量关系不仅取决于材质而且受试样几何尺寸的影响。因此，拉伸图往往用名义应力-应变曲线(即-曲线)来表示： 试样的名义应力 试样的名义应变A0和L0分别代表初始条件下的面积和标距。-曲线与P-L曲线相似，但消除了几何尺寸的影响。因此，能代表材料的属性。单向拉伸条件下的一些材料的机械性能指标就是在-曲线上定义的。如果试验能提供一条精确的拉伸图，那么单向拉伸条件下的主要力学性能指标就可精确地测定。不同性质的材料拉伸过程也不同，其-曲线会存在很大差异。低碳钢和铸铁是性质截然不同的两种典型材料，它们的
4、拉伸曲线在工程材料中十分典型，掌握它们的拉伸过程和破坏特点有助于正确、合理地认识和选用材料。低碳钢具有良好的塑性，由-曲线（如图)可以看出，低碳钢断裂前明显地分成四个阶段：弹性阶段（oa）试件的变形是弹性的。在这个范围内卸载，试样仍恢复原来的尺寸，没有任何残余变形。习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律，其应力、应变为正比关系，即 （其中，比例系数E代表直线的斜率，称作材料的弹性模量）。屈服阶段(bc)：-曲线上出现明显的屈服点。这表明材料暂时丧失抵抗继续变形的能力。这时，应力基本上不变化，而变形快速增长。通常把下屈服点作为材料屈服极限s ()。s是材料开始进入塑性的标志。结构、零件的应力一旦
5、超过s，材料就会屈服，零件就会因为过量变形而失效。因此强度设计时常以屈服极限s作为确定许可应力的基础。从屈服阶段开始，材料的变形包含弹性和塑性两部分。如果试样表面光滑，材料杂质含量少，可以清楚地看到表面有45方向的滑移线。强化阶段（ce)：屈服阶段结束后，-曲线又开始上升，材料恢复了对继续变形的抵抗能力，载荷就必须不断增长。如果在这一阶段卸载，弹性变形将随之消失，而塑性变形将永远保留下来。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后若重新加载，加载线仍与弹性阶段平行，但重新加载后，材料的弹性阶段加长、屈服强度明显提高，而塑性却相应下降。这种现象称作为形变强化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料极为宝贵的
6、性质之一。塑性变形和形变强化二者联合，是强化金属材料的重要手段。例如喷丸，挤压，冷拨等工艺，就是利用材料的冷作硬化来提高材料强度的。强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布的。随塑性变形的增长，试样表面的滑移线亦愈趋明显。e点是-曲线的最高点，定义为材料的强度极限又称作材料的抗拉强度记作b ()。对低碳钢来说b是材料均匀塑性变形的最大抗力，是材料进入颈缩阶段的标志。颈缩阶段（ef)：应力达到强度极限后，塑性变形开始在局部进行。局部截面急剧收缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直到断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在破断的试样上。材料的塑性通常用试样断裂后的残余变形来衡量，单拉
7、时的塑性指标用断后伸长率和断面收缩率来表示。 8070605040302010020 15 10 5 0 颈缩试样各分格的伸长 其中 L1，A1分别代表试样拉断后的标距和断口的面积。低碳钢颈缩部分的变形在总变形中占很大比重如图所示。测试断后伸长率时，颈缩局部及其影响区的塑性变形都应包含在L1之内。这就要求断口位置应在标距的中央附近。若断口落在标距之外则试验无效。工程上通常认为，材料的断后伸长率 5%属于韧断， 5%则属于脆断。韧断的特征是断裂前有较大的宏观塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状组织。低碳钢断裂时有很大的塑性变形，断口为杯状周边为45的剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状，因此是一种典型的韧
8、状断口。铸铁是典型的脆性材料，其拉伸曲线如图所示。其拉伸过程较低碳钢简单，可近似认为是经弹性阶段直接过渡到断裂。其破坏断口沿横截面方向，说明铸铁的断裂是由拉应力引起，其强度指标只有b。由拉伸曲线可见，铸铁断后伸长率甚小，所以铸铁常在没有任何预兆的情况下突然发生脆断。因此这类材料若使用不当，极易发生事故。铸铁断口与正应力方向垂直，断面平齐为闪光的结晶状组织，是典型的脆状断口。P00（a）P（b） 不同类型材料的拉伸图L L 多数工程材料的拉伸曲线介于低碳钢和铸铁之间，常常只有两个或三个阶段如图。但强度、塑性指标的定义和测试方法基本相同。所以，通过拉伸破坏试验，分析比较低碳钢和铸铁的拉伸过程，确定
9、其机械性能，在机械性能试验研究中具有典型意义。 低碳钢试件压缩时，在屈服前P-L关系曲线与拉伸时相似，但无明显的屈服阶段，当指针转动暂停或稍有退回时的载荷即为屈服载荷。此后，由于塑性变形试件面积随载荷增加而逐渐增大，最后试件被压成饼状而不破裂，故无法求得最大载荷及强度极限，只能测取屈服点s即： （式中：Ps屈服时的载荷；A0试件原始横截面面积）。进行压缩试验时，由于试验机装有球形承垫，球形承垫位于试件下端。当试件端面略有不平行时，球形承垫可以自动调节，使压力趋于均匀分布。为了减少试件两端面与支承座之间的摩擦力，可在试件端面涂上石墨、润滑油等。但仍不可避免地存在摩擦力而阻止试件的横向变形，以致试
10、件被压成鼓形。 铸铁试件受压时，在很小的塑性变形下发生了破坏，如图，因此只能测出它的破坏抗力Pb由b=Pb/A0。可得铸铁的强度极限。铸铁受压呈微鼓形破坏，试件表面将出现与试件横截面成45 50的倾斜裂纹，这是因为铸铁受压时，实际上是先达到剪力极限而破坏。四实验步骤：1试件：采用国家标准GB228-87所规定的圆棒试件，拉伸试件如图2-1所示，其直径D和试验段L0满足L0/D=10或5。压缩试件如图2-2所示，一般规定为 图2-22测量试件尺寸：在试件标距L0范围内，用游标卡尺分别测量试件两端及中部三个横截面直径，每处在相互垂直的两个方向各测一次，取平均值为该截面直径，以三处测量结果中的最小截
11、面的直径作为D，计算试件的横截面积。3确定标距长度L0，填入数据记录表内，在试件中间截取标距长度L0，把标距长度分为10等份并用笔画上标记，以便于当试件断裂不在中间部位时进行换算。从而求得比较准确的延伸率。4开机实验：电子材料试验机可以做拉伸、压缩、剪切、弯曲等试验，故习惯上称它为万能材料试验机，万能材料试验机有机械、液压和电子等多种类型。目前普遍采用电子材料试验机，试验机主要由加力部分和测力部分组成。电子材料试验机的构造、工作原理及操作规程介绍详见电子材料试验机指南。开机前必须认真阅读操作说明，并经过指导教师检查后方可开机进行实验。5.安装试件:根据试样长度调整试验机的上、下夹头的位置，达到
12、适当的位置后，试件先安装在试验机的下夹头内。试样安装必须正确，试样的轴线应与上、下夹头的轴线重合，防止出现试样偏斜和夹持部分过短的现象。试验机调零后，再把试件上夹头夹紧。6.电子试验机操作流程:1）测试前的准备工作：（限位及过载保护的设置）1. 限位保护：本机配有上下机械限位保护，每一级同时配有程控和机械位置保护，当程控失效后，机械保护起作用，系统断电，当出现此情况时，说明程控限位有故障，排除故障后，方可进行测试；在试验开始测试之前，必须调整好限位紧固螺钉，程控保护有效时，十字头只能向相反方向移动。 警告! 在试验开始之前，必须调整限位位置，无误后，方可进行试验，否则有可能损坏设备。l 过载保
13、护：超过满量程的5%时进行保护，伺服断电，同时十字头移动停止。警告！ 过载时严禁快速移动十字头，只能慢速卸载。2）开机：l 打开显示器及计算机电源开关。l 打开主机电源开关。l 按控制器上的电源按钮，若计算机控制，控制器的工作方式必须为“PC-CTRL”（单机工作为“MC-CTRL”）。l 待控制器出现计算机控制界面后，双击桌面上的“试验软件”图标。软件启动后点击主界面上的“伺服启动”按钮，之后可以进行移动横梁和试验等操作。3）试验条件输入与选择：（测试前用户必须输入与测试相关的试验参数以及试验选择，具体过程如下：）l 设置选项：选择负荷传感器（若配置两个以上）。l 设置选项：选择负荷单位、强
14、度、长度单位。l 设置选项：选择引伸计（或X轴）处理方式。l 设置选项：选择试验类型（如拉伸、压缩等）及报告模板。l 设置选项：选择需要输出的数据项与之相应的修约间隔。l 设置选项：输入相关的规定值（若需要）。l 试样参数：根据的试样特性进行计算面积处理选择；试样尺寸、试验数量等参数输入。l 试验控制：确定过程控制阶段，并输入相关的数据，设置试验结束控制l 图形设置：依材料的力学性能指标，输入坐标轴显示最大值，最小值通常设为0，若最大值无法确定，通常设置小一些，在测试过程中自动调整大小。l 主界面：正确输入存储文件名（试验编号），系统在测试结束后自动按该编号存储数据。建议最好以年月日为字符串，以便追溯。l 装卡试件：在夹持试样（第一个试样）前必须点击负荷【调零】按钮进行负荷调零 ，以后可以不再调零。测试时伸长、位移、时间自动调零。l 选择控制方式：若为负荷控制（或应力控制），按【开始测试】按钮，开始预加载，待预加载值达到后进行以下操作。l 夹持引伸计（若使用引伸计），最好夹持在试样的中间部分。l 测试开始：等上述工作全部完成后可进行以下操作：菜单操作，除用鼠标在主界面上菜单操作外还可用键盘操作。热键:Alt+T+T 快捷键:F5；便捷按钮操作：用鼠标点击【开始测试】按
