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1、金属材料的压缩试验实验目的1、测定低碳钢的压缩屈服极限sc。2、测定铸铁的抗拉强度bc。3、观察并分析两种材料在压缩过程中的各种现象（主要是变形和破坏形式）。4、比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）压缩机械性能的特点。使用设备图31 侧向无约束圆柱体试样万能试验机、游标卡尺等。试样本试验我们采用机加工的侧向无约束的1020的圆柱体低碳钢试样和1015的圆柱体铸铁试样（见图31）。实验原理将试样放在试验机的两压板之间，开动试验机缓慢进行加载，使试样受到缓慢增加的压力作用，示力指针缓慢匀速转动，并利用试验机的绘图装置自动绘出压缩图（见图32）。（a）低碳钢压缩图 （b）铸铁压缩图 图33 压缩
2、试验时图32试验机绘出的压缩图 的球形承垫由于试样两端不可能理想的平行，试验时必须使用球形承垫（见图33），并且试样应置于球形承垫中心，藉以球形承垫的自动调节作用实现试样的轴向受压。1、低碳钢的压缩试样开始变形时服从虎克定律，压缩曲线呈直线（见图32a）。在开始出现变形增长很快的非线性小段时，表示材料到达了屈服，但这时并不象拉伸那样有明显的屈服阶段，只是示力指针暂停转动或稍有返回，这暂停或返回的最小值即为压缩屈服荷载Psc。此后，图形呈曲线上升，材料产生显著的残余变形，试样长度显著缩短，而直径增大。由于试验机压板与试样两端面之间的摩擦力，使试样两端的横向变形受到阻碍，因而试样被压成鼓形。随着荷
3、载的逐渐增加，塑性变形迅速增长，试样的横截面面积也随之增大，而增大的面积又能承受更大的荷载，因此试样愈压愈扁，甚至可以压成薄饼状而不破裂，所以无法测出其最大荷载Pbc和抗压强度bc。根据测出的压缩屈服荷载Psc，由公式sc=Psc/S0即可求出材料的压缩屈服极限。2、铸铁的压缩图34 铸铁试样压缩下的破坏铸铁试样在压缩时与拉伸明显不同，其压缩曲线上虽然仍没有明显的直线阶段和屈服阶段，但曲线明显变弯（见图32b），表明试样在达到最大荷载Pbc前就出现了明显的塑性变形，而其最大荷载Pbc也要比拉伸时的Pb大很多倍。当荷载达到最大荷载Pbc后稍有下降，然后破裂，并能听到沉闷的破裂声。铸铁试样破裂后呈
4、鼓形，并在与轴线大约成450角的斜面上破裂（见图34），此破坏主要是由剪应力引起的。由公式bc= Pbc/S0即可求出材料的抗压强度。实验步骤 1、样尺寸测量：用游标卡尺在试样标距中点处两个相互垂直的方向上测量直径，取其算术平均值，并计算其截面面积S0。2、试验机准备：估计试验所需的最大荷载，选择合适的量程，配以相应的砝码砣，然后指针调零，并调整上下压板间距离合适，检查绘图装置工作是否正常。3、安装试样：将试样准确地置于下垫板中心（要注意试样纵轴中心线应与压头轴线重合）。4、进行试验：上升活动平台，使试样与上压板缓慢接触，并保证匀速加载。根据国标规定，在弹性（或接近弹性）范围，采用控制应力速率
5、的方法，其速率控制在110 MPa/s范围内；在明显塑性变形范围，采用控制应变速率的方法，其速率控制在0.00050.0001/s范围内。对于低碳钢试样，在加载过程中要注意观察示力指针的转动情况和绘图纸上的压缩图（同时注意控制送油阀使送油速率合适，若送油速率太快就观察不到屈服时指针的停顿或返回，若送油速率太慢则在材料尚未屈服时指针也会停顿，无法准确地判断真实的屈服），以便及时而正确地测定屈服荷载Psc，并记录下来。超过屈服阶段后，继续加载，使试样稍压扁即可停止试验。对于铸铁试样，加载至试样破坏为止，并记录最大荷载Pbc。5、归整实验设备：取下试样，观察试样破坏后的形状和断口形貌，并测量其尺寸。
6、6、结束试验：完成全部测量后，将试验数据记录、试验机所绘的曲线图和实验卡片一并交指导教师检查验收、签字认可后方可离开实验室。数据记录表31、试样原始尺寸材 料长 度L0/mm直 径 d0/mm横截面积S0/mm212平 均低 碳 钢铸 铁表32、 试验数据记录及处理材 料屈服荷载 Psc/KN屈服极限sc/MPa最大荷载Pbc/KN抗压强度bc/MPa低碳钢铸 铁表33、试样破坏后尺寸材 料长度L1/mm最 大 直 径 d1/mm断面角度/12平 均铸 铁实验报告要求1、按要求进行数据处理。2、按标准格式书写出完整的实验报告（内容要完整全面）。3、实验报告中要画出试样破坏后形状示意图（特殊断面
7、的正视图，按试样破坏后尺寸取一定比例画，并标出裂纹位置）。4、分析说明为什么低碳钢压缩时测不出Pbc，而铸铁压缩时会在与轴线大约成450角的斜面上破坏？思考题*1、在压缩试验中，对压缩试样有何要求？为什么？2、分别比较低碳钢和铸铁在轴向拉伸和压缩下的力学性能。3、根据低碳钢和铸铁的拉伸及压缩试验结果，比较塑性材料与脆性材料的力学性能以及它们的破坏形式，并说明它们的适用范围。4、为什么铸铁试样在压缩时沿着与轴线大致成450角的斜截面破坏？其破坏形式说明了什么？5、低碳钢拉伸时有Pb，而压缩时测不出Pbc ，为什么还说它是拉压等强度材料，而说铸铁是拉压不等强度材料？2-2 轴向拉、压机械性能的测定
8、材料的机械性能通常是指材料在外力或能量作用下所表现的行为。材料在静载轴向外力作用下的行为，由拉伸、压缩试验来揭示，它是了解材料机械性能最全面、最方便的实验，实验设备和测试技术也较成熟，已成为确定材料机械性能的基本方法，在实际工程建设和科研中广泛使用。对于相应的材料机械性能测试，各个国家以及国际上都有相关的试验规范和标准。一、轴向拉伸机械性能的测定材料在静载轴向拉伸作用下的行为，由拉伸试验来揭示，其测试原理是用拉力拉伸试样，一般拉至断裂，测定材料的一项或几项力学性能。此以金属材料的拉伸试验为例来介绍材料的拉伸机械性能测定方法。对于金属材料室温拉伸性能的测定，我国规定有金属材料 室温拉伸试验方法的
9、标准。目前执行的是GB/T 2282002标准，这是我国根据国际标准ISO 6892：1998金属材料 室温拉伸试验又修订的标准。此部分内容就是根据GB/T 2282002标准编写的。（一）试样要求实验表明，试样的尺寸和形状对实验结果具有一定的影响。为了避免这种影响和便于各种材料机械性能指标的数值能互相比较，所以对试样的尺寸和形状国家定出了统一的标准规定。拉伸试样分比例试样和非比例试样两种，一般为经机加工的试样和不经机加工的全截面试样，其横截面通常为圆形、矩形、异形以及不经机加工的全截面形状。1、形状与尺寸 一般要求试样的形状与尺寸取决于要被试验的金属产品的形状与尺寸。通常从产品、压制坯或铸锭
10、切取样坯经机加工制成试样，但具有恒定横截面的产品（如型材、棒材、线材等）和铸造试样（铸铁和铸造非铁合金）可以不经机加工而进行试验。试样的横截面可以为圆形、矩形、多边形、环形，特殊情况可以为某些其他形状。试样原始标距L0与原始横截面积S0有L0 = k关系者称为比例试样。国际上使用的比例试样的比例系数k为5.65。原始标距应不小于15mm（国际标准规定为“不小于20mm”，改成为“不小于15mm”以便扩宽到使用机加工的3mm直径比例试样。规范中注）。当试样横截面积太小，以致采用比例系数k为5.65的值不能符合这一最小标距要求时，可以采用较高的值（优先选用11.3的值）或采用非比例试样。对于非比例
11、试样其原始标距（L0）与其原始横截面积（S0）无关。试样的尺寸公差应符合被试验产品的相应要求（规范中有明确的规定）。 机加工的试样通常，试样要进行机加工。如试样的夹持端与平行长度的尺寸不相同，它们之间应以过渡弧连接（见图221和图222）。此弧的过渡半径的尺寸可能很重要，应符合相应的规定（如：机加工的圆形横截面比例试样，r0.75d。机加工的矩形横截面试样，r20 mm 对于厚度0.1 mm3 mm的薄板和薄带；r12 mm 对于厚度3 mm的板材和扁材以及直径或厚度4 mm的线材、棒材和型材）。试样夹持端的形状应适合试验机夹头的夹持，试样轴线应与力的作用线重合。试样的平行长度（Lc）、或试样
12、不具有过渡弧时夹头间的自由长度应大于原始标距（L0）。对于圆形横截面试样：LcLO+d/2；仲裁试验，Lc=L0+2d，除非材料尺寸不足够。对于矩形横截面试样，LcLO+1.5 ；仲裁试验，Lc=L0+2 ，除非材料尺寸不足够。图221 机加工的矩形截面试样（试样头部形状仅为示意性）注：图222 机加工的比例试样（试样头部形状仅为示意性） 不经机加工的试样如试样为未经机加工的产品或试棒的一段长度（见图223），两夹头间的长度应足够，以使原始标距的标记与夹头有合理的距离。对于厚度等于或大于3 mm的板材和扁材以及直径或厚度等于或大于4 mm的线材、棒材和型材，其不经机加工试样的平行长度应保证试验
13、机两夹头间的自由长度足够，以使试样原始标距的标记与最接近夹头间的距离不小于1.5 d或1.5 b。对于直径或厚度小于4 mm的线材、棒材和型材试样，通常为产品的一部分，不经机加工，其原始标距（L0）为200 mm和100 mm。除小直径线材在两夹头间的自由长度可以等于L0的情况外，其他情况， 试验机两夹头间的自由长度应至少为L0+50 mm。如不测定断后伸长率，两夹头间的最小自由长度可以为50 mm。 铸造试样图223 产品一部分的不经机加工试样铸造试样应在其夹持端与平行长度之间以过渡弧连接，此弧的过渡半径的尺寸可能很重要，应符合相关产品标准的规定。试样夹持端的形状应适合于试验机的夹头，平行长
14、度（Lc）应大于原始标距（L0）。2、试样的制备应按照相关产品标准或GB/T 2975的要求切取样坯和制备试样。（二）试样原始尺寸的测定1、原始横截面积（S0）的测定试样原始横截面积的测定方法和准确度应符合标准规定的要求，测量时建议按表221选用量具或测量装置。应根据测量试样的原始尺寸计算原始横截面积，并至少保留4位有效数字。试样的原始尺寸应在试样标距的两端及中间三处测量，取用三处测得的最小横截面积。对试样每个原始尺寸的测量都应满足相应规定的测量准确度（规范中要求原始横截面积测定的准确度，根据试样的形状和尺寸不同而不同，其范围在1%2%；对试样每个原始尺寸测定的准确度要求范围在0.2%0.5%）。表221 量具或测量装置的分辨率 mm试样横截面尺寸分辨率 不大于0.10.50.52.02.010.010.00.0010.0050.010.05说明：国际标准未规定此表的要求，增加此要求以保证原始横截面积的测定准确度符合规定要求（规范中注）。对于圆形横截面试样，应在标距的两端及中间三处分别沿两个相互垂直的方向测量直径d，取其算术平均值，取用三处测得的最小平均直径计算原始横截面积：S0 =d2/4对于矩形横截面试样，应在标距的两端及中间三处测量宽度b和厚度a，取用三处测得的最小值计算原始横截面积：S0 =ab对于恒定横截面试样，可以根据测量试样的长度Lt、试样质量m和材料密度确定
