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1、南京理工大学工程力学实验报告姓 名： 李翔 学 号： 913108670132 专 业： 新能源科学与工程院 系： 能源与动力学院 指导老师： 石杏喜 2015 年 6 月 14 日金属材料的拉伸实验实验日期 2015.5.12拉伸实验是测定材料在常温静载下机械性能的最基本和重要的实验之一。这不仅因为拉伸实验简便易行，便于分析，且测试技术较为成熟。更重要的是，工程设计中所选用的材料的强度、塑形和弹性模量等机械指标，大多数是以拉伸实验为主要依据。实验目的 （二级标题左起空两格，四号黑体，题后为句号）1、验证胡可定律，测定低碳钢的 E。2、测定低碳钢拉伸时的强度性能指标：屈服应力 Rel 和抗拉强
2、度 Rm。3、测定低碳钢拉伸时的塑性性能指标：伸长率 A 和断面收缩率 Z4、测定灰铸铁拉伸时的强度性能指标：抗拉强度 Rm5、绘制低碳钢和灰铸铁拉伸图，比较低碳钢与灰铸铁在拉伸树的力学性能和破坏形式。实验设备和仪器万能试验机、游标卡尺，引伸仪实验试样试件原始尺寸原始尺寸 mm截面 1 截面 2 截面 3材料标距mm1 2 平均 1 2 平均 1 2 平均最小横截面积 mm2低碳钢100 10.02 10.04 10.03 9.98 10.02 10.00 9.97 10.03 10.00 311.03铸铁 100 10.04 10.06 10.05 10.00 10.02 10.01 9.9
3、8 10.00 9.99 313.53实验原理按我国目前执行的国家 GB/T 2282002 标准金属材料 室温拉伸试验方法的规定，在室温 1035的范围内进行试验。将试样安装在试验机的夹头中，固定引伸仪，然后开动试验机，使试样受到缓慢增加的拉力（应根据材料性能和试验目的确定拉伸速度），直到拉断为止，并利用试验机的自动绘图装置绘出材料的拉伸图（图 22 所示）。应当指出，试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形 L 主要是整个试样（不只是标距部分）的伸长，还包括机器的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素。由于试样开始受力时，头部在夹头内的滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。1.低碳钢（典型的塑性材料
4、）当拉力较小时，试样伸长量与力成正比增加，保持直线关系，拉力超过 FP后拉伸曲线将由直变曲。保持直线关系的最大拉力就是材料比例极限的力值 FP 。在 FP 的上方附近有一点是 Fc，若拉力小于 Fc 而卸载时，卸载后试样立刻恢复原状，若拉力大于 Fc 后再卸载，则试件只能部分恢复，保留的残余变形即为塑性变形，因而 Fc 是代表材料弹性极限的力值。当拉力增加到一定程度时，试验机的示力指针（主动针）开始摆动或停止不动，拉伸图上出现锯齿状或平台，这说明此时试样所受的拉力几乎不变但变形却在继续，这种现象称为材料的屈服。低碳钢的屈服阶段常呈锯齿状，其上屈服点 B受变形速度及试样形式等因素的影响较大，而下
5、屈服点 B 则比较稳定（因此工程上常以其下屈服点 B 所对应的力值 FeL 作为材料屈服时的力值）。确定屈服力值时，必须注意观察读数表盘上测力指针的转动情况，读取测力度盘指针首次回转前指示的最大力 FeH（上屈服荷载）和不计初瞬时效应时屈服阶段中的最小力 FeL（下屈服荷载）或首次停止转动指示的恒定力 FeL（下屈服荷载），将其分别除以试样的原始横截面积（S0）便可得到上屈服强度 ReH 和下屈服强度 ReL。即ReH= FeH/S0 ReL = FeL/S0屈服阶段过后，虽然变形仍继续增大，但力值也随之增加，拉伸曲线又继续上升，这说明材料又恢复了抵抗变形的能力，这种现象称为材料的强化。在强化
6、阶段内，试样的变形主要是塑性变形，比弹性阶段内试样的变形大得多，在达到最大力 Fm 之前，试样标距范围内的变形是均匀的，拉伸曲线是一段平缓上升的曲线，这时可明显地看到整个试样的横向尺寸在缩小。此最大力 Fm 为材料的抗拉强度力值，由公式 Rm=Fm/S0 即可得到材料的抗拉强度 Rm。如果在材料的强化阶段内卸载后再加载，直到试样拉断，则所得到的曲线如图 23 所示。卸载时曲线并不沿原拉伸曲线卸回，而是沿近乎平行于弹性阶段的直线卸回，这说明卸载前试样中除了有塑性变形外，还有一部分弹性变形；卸载后再继续加载，曲线几乎沿卸载路径变化，然后继续强化变形，就像没有卸载一样，这种现象称为材料的冷作硬化。显
7、然，冷作硬化提高了材料的比例极限和屈服极限，但材料的塑性却相应降低。当荷载达到最大力 Fm 后，示力指针由最大力 Fm 缓慢回转时，试样上某一部位开始产生局部伸长和颈缩，在颈缩发生部位，横截面面积急剧缩小，继续拉伸所需的力也迅速减小，拉伸曲线开始下降，直至试样断裂。此时通过测量试样断裂后的标距长度 Lu 和断口处最小直径 du，计算断后最小截面积（Su），由计算公式、 %10LAu %100SZu即可得到试样的断后伸长率 A 和断面收缩率 Z。2 铸铁（典型的脆性材料）脆性材料是指断后伸长率 A5 的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都很小。而且，大多数脆性材料在拉伸时的应力应变曲线上
8、都没有明显的直线段，几乎没有塑性变形，也不会出现屈服和颈缩等现象（如图22b 所示），只有断裂时的应力值强度极限。铸铁试样在承受拉力、变形极小时，就达到最大力 Fm 而突然发生断裂，其抗拉强度也远小于低碳钢的抗拉强度。同样，由公式 Rm=Fm/S0 即可得到其抗拉强度 Rm，而由公式 则可求得其断后伸长率 A。%10LuA 实验结果与截图低碳钢：项目 最大力 抗拉强度屈服力 弹性模量断后伸长断后伸长率屈服强度单位 KN N/mm2 KN N/mm2 mm % N/mm2数值 34.192 435.000 21.350 2066 16.41 64 270.000铸铁：项目 最大力 抗拉强度单位
9、KN N/mm2数值 22.632 324.000小结与讨论1、我们将低碳钢和灰铸铁拉断后的试样放在一起比较如图 2-7 所示，可以很清楚的看到上述的结论低碳钢的断口是杯锥状而灰铸铁的比较平整。同时我们也会发现灰铸铁的断口在过度部分和工作部分相交处，因为那里有截面的变化，应力集中，对于脆性材料来说，它对应力集中比较敏感。2、低碳钢和灰铸铁在常温静载下力学性能的差异：低碳钢是典型的塑性材料，在断裂前变形较大，塑性指标较高，抵抗拉断的能力较好，其常用的强度指标是屈服极限，而且，一般来说，在拉伸和压缩时的屈服极限值相同。灰铸铁是脆性材料，在断裂前的变形较小，塑性指标较低，其强度指标是强度极限，而且其
10、拉伸强度远低于压缩强度。但是材料是塑性的还是脆性的， 将随材料所处的温度，应变 率和应力状态等条件的变化而不同。铸铁和低碳钢二，弯扭组合变形实验实验目的1用电测法测定平面应力状态下主应力的大小及方向；2测定薄壁圆管在弯扭组合变形作用下，分别由弯矩、剪力和扭矩所引起的应力。实验仪器和设备1弯扭组合实验装置；2YJ-4501A/SZ 静态数字电阻应变仪。实验原理薄壁圆管受力简图如图 1 所示。薄壁圆管在 P 力作用下产生弯扭组合变形。薄壁圆管材料为铝合金，其弹性模量 E 为 72 , 泊松比 为 0.33。薄2mGN壁圆管截面尺寸、如图 2 所示。由材料力学分析可知，该截面上的内力有弯矩、剪图 2
11、 图 3 图 4力和扭矩。-截面现有 A、B、C、D 四个测点，其应力状态如图 3 所示。每点处已按 45 0、0 0、+45 0方向粘贴一枚三轴 450应变花，如图 4 所示。 实验内容及方法1. 指定点的主应力大小和方向的测定 薄壁圆管 A、B、C、D 四个测点，其表面都处于平面应力状态，用应变花测出三个方向的线应变， 然后运用应变-应力换算关系求出主应力的大小和方向。若测得应变 -45、 0、 45 ，则主应力大小的计算公式为 245024545231 21E主应力方向计算公式为或 0450tg 450452tg2. 弯矩、剪力、扭矩所分别引起的应力的测定a. 弯矩 M 引起的正应力的测
12、定只需用 B、D 两测点 00方向的应变片组成图5（a）所示半桥线路，就可测得弯矩 M 引的正应变 2Md然后由虎克定律可求得弯矩 M 引起的正应力 2MdMEb. 扭矩 Mn引起的剪应力的测定 图 5用 A、C 两被测点-45 0、45 0方向的应变片组成图 5（b）所示全桥线路，可测得扭矩 Mn在 450方向所引起的线应变 4nd由广义虎克定律可求得剪力 Mn引起的剪应力 21ndnGEc. 剪力 Q 引起的剪应力的测定用 A、C 两被测点-45 0、45 0方向的应变片组成图 5（c）所示全桥线路，可测得剪力 Q 在 450方向所引起的线应变 4Qd由广义虎克定律可求得剪力 Q 引起的剪
13、应力 21QdGE进行试验1. 接通测力仪电源，将测力仪开关置开。2. 将薄壁圆管上 A、B、C、D 各点的应变片按单臂（多点）半桥测量接线方法接至应变仪测量通道上。3. 预加 50N 初始载荷，将应变仪各测量通道置零；分级加载，每级 100N，加至 450N，记录各级载荷作用下应变片的读数应变，然后卸去载荷。4. 按图 5 各种组桥方式，从复实验步骤 3，分别完成弯矩、扭矩、剪力所引起应变的测定。通过上述实验步骤得到了一系列数据A B 应变读数载荷 -450（R 1） 00（R 2） 450（R 3） -450（R 4） 00（R 5） 450（R 6）F (kN)F(kN)()()()()
14、()()()()()()()()0.05 0 0 0 0 0 00.10 71 1 70 104 133 160.15 71 -1 -70 104 133 -160.250.1014372-109-14070207103265132-32160.10 72 1 71 104 139 160.35 215 -11 -211 311 404 -480.10 71 1 70 104 132 160.45 286 -12 -281 415 536 -64()均d71.5 -3 -70.25 103.75 134 -16据此计算出各点主应力大小：位置主应力 A B 1 （MPa） 3.8 10.28 3
15、 （MPa） -3.67 -1.11三，金属材料压缩实验（一）实验目的1、测定低碳钢压缩时的屈服极限 s和铸铁压缩时的强度极限 b。2、观察比较两种材料压缩破坏现象。（二）实验仪器及试样1、万能材料试验机。2、游标卡尺。3、压缩试样。压缩试样通常为圆柱形，也分短、长两种（图 4a 和 b）。短试样用于测定材料抗压强度，通常规定 ；长试样多用于测310dh定钢、铜等材料的弹性常数 E、 等。图 4 压缩试样 （三）实验原理1、测量试样尺寸 测定试样的初始高度和直径，并记录到表 3 中。测定直径时，需在试样中部量取互相垂直的两个方向的数据取平均值。2、调整试验机 选择合适的摆锤和示力度盘，自动绘图装置上安装好纸和笔，开动油泵电机。3、低碳钢压缩
