材料力学实验指导书 (机设、车辆专业) 兰州交通大学工程力学实验室 This document is generated by trial version of Prin2Flash(www.print2flash.com)
第一节金属材料拉伸与压缩实验 常温、静载、单向受力下的拉伸和压缩实验是研究材料力学性能的最基本的一种实验 方法，由于方法简单，数据可靠，易于分析，广泛应用于工矿企业、研究所。一般通过测试下 屈服强度R、抗拉强度Rm,伸长率A、断面收缩率Z等指标来评定材质、选择材料、进行 强度计算、刚度分析。因此，对材料进行轴向拉伸和压缩实验具有很大的工程实际意义。 不同材料在轴向拉伸和压缩过程中表现出不同的力学性质和破坏现象。本实验将选用两 种典型的材料一低碳钢(Q235)和铸铁，作为塑性材料和脆性材料的代表，分别做常温、静 载下轴向拉伸和压缩实验。 材料的力学性质与被检测试样的形状、尺度、加我速度和方式、温度、压力等因素有 关，为保证测试数据的准确一致，国家制订了相应的国家标准和行业标准。常温、静载下 低碳钢和铸铁的拉伸实验和压缩实验分别按照国家标准《金属材料室温拉伸实验方法》 (GB/T228-2002)和《金属材料室温压缩实验方法》(GB/T73142005)执行。 一、实验目的 1.通过观察低碳钢和铸铁在拉伸实验和压缩实验的破环过程，分析实验数据、断口特征 了解它们的力学性能特点。 2.测定低碳钢材料在拉伸的下屈服强度R,、抗拉强度Rm、伸长率A、断面收缩率乙 压缩时的下屈服强度Re:铸铁拉伸的抗拉强度Rm及压缩时的抗压强度Rc。 3.了解万能材料实验机的构造原理和正确操作使用方法。 二、实验设备及仪器 1。液压式万能材料实验机 2.游标卡尺、钢板尺。 三、拉伸和压缩试样 拉伸试样截面可以为圆形、矩形、多边形、环形，特殊情况下可以为某些其他形状。 拉伸实验的试样分为比例试样和非比例试样两种。比例试样是指原始标距L6与试样横截面 积平方根、√S。有一定的比例关系，即有L。二k√S,关系的试样。国际上使用的比例系数k取 5.65,原始标距应不小于15mm。当试样横裁面太小，以致采用比例系数k=5.65不能符合 最小原始标距要未时，可以采用k=113或采用非比例试样。k=5.65的试样称短比例试 This document is generated by trial version of Print2Flash(www.print2flash.com)
样，k=11.3的试样称长比例试样，最后将原始标距Lo修约到5mm、I0mm的整数倍长。 因此，对于圆形截面的长、短比例试样，两者的原始标距如与横截面直径函的关系则分别 为Lo-10d和L,=5d的关系。非比例试样的Lo与横截面积S不必满足前述关系，其原始标 距与其原始横截面积无关 本拉伸实验取长比例圆形截面试样，形状如图1-1所示， o品 32/ 闲11国形酸陶教伸试料 图1-住形第试 R过发到死半径，小一橘裁面直轻 L一原的鞭：1平行长度 通常，试样进行机加工而成。夹持部分与平行长度之间应以过渡圆弧连接，为减少应 力集中，过波要缓和。过渡圆弧半径应为R≥0.75。试样夹持部分形状根据实验机夹头 形式而定，但要保证拉力通过试样轴线，不产生附加弯矩，试样总长度L,取决于夹持方 法，原则上L>L。+4d。工作部分平行长度L.≥Lo+d62,仲粮实验L。≥Lo2d。为测定 伸长率A,实验前要在试样平行长度中间部分标记出原始标距L。,将原始标距L。平均分 成10等份格，每个等份格采用划线或打点标出一系列等分格标记，判断断后位置。 压缩试样通常为柱状，横截面分为圆形、方形两种。本实验取圆形截面，如图12 所示。压缩实验通常是两端平压法，试样受压时，两端面与实验机压头间的摩擦力很大， 使端面附近的材料处于三向压应力状态，约束了试样的横向变形，试样越短 影响越大，导致抗压强度较实际值偏高，实验结果不准确。当试样的长度相对增加时， 摩擦力对试样中部的影响就会相应减小。因此，试样应有一定的长度。但是，压缩实验 试样难免有微弯，且力难免有偏心。因此，试样太长又容易产生纵向弯曲而失稳甚至有蹦 出的危险，存在安全隐患。为此，国标根据金属材料压缩实验所测不同性能指标，规定 了试样的长度L和横截面直径d山的关系。本实验仅测抗压强度，取试样的长度L=(1~2) 山。为防止偏心受力引起的弯曲影响，对两端面的平行度及端面与轴线的垂直度也有 2 This document is generated by trial version of Print2Flash(www.print2flash.com)
定要求，具体见图1-2所示 四、万能材料实验机结构原理 万能实验机有机械螺杆加载和液压加载等类型。本实验采用液压式万能实验机，其 外型和构造如图13所示。其结构分二个系统 1.加载系统 如图13，底座1、两个固定立柱2、大横梁3构成刚性很大的机架。大横梁上固定 者工作油缸4，当加力时，液压推动活塞向上顶起小横梁1儿，并通过两个活动立柱12， 带动活动平台13上升，于是，在活动平台上部形成缩小的加力空间，可做压缩实验： 在活动平台下部形成增大的加力空间，可做拉伸实验。可见，实验机的基本加载方式是 拉和压，若要做其他形式的加载实验，如弯曲、剪切、拨出、压入等，可通过增加附属 装置完成。在拉伸空间，有上下两个夹头15和16，用来夹持拉伸试样。夹头有各种形 式，常用的夹头是在梯形开口的上下夹座内，各有两块楔形夹块，楔面与梯形斜面接触 两夹块相对端上有硬齿，以抓紧试样两端。当施加分离上下夹头的垂直力下时，F被倾 斜接触面分解成对夹块的水平夹持力5，随着F增大，s亦增大，保证夹紧试样而不滑 动 为了调整两夹头之间的拉伸空间，可通过蜗轮蜗杆机构调节下夹头上下移动，或提升 活动平台增大空间距离。压缩空间的调整，可通过加垫块或提升活动平台完成。注意活动 平台不要靠液压提升过高，否则，会使活塞过量伸出，使油红工作状态恶化：而且，对拉 伸实验来说，可能出现变形余地不够的情况 操作部分由进油阀、回油阀和油泵开关等组成。进油阀打开，油缸进油加载，开得越 大，加载速度越快。回油阀打开，回油卸载。操作时，注意开机实验前要关闭进、回油阀， 开机后，再平缓地打开进油阀，逐渐增大进油量。否则，若在进油开口较大时开机，荷载 突然增大，会引起冲击，甚至冲过屈服点或使试样迅速破环，影响测读力值。 2.测力系统 测力油缸23和工作油缸连通，这样两个密闭体的油压随时相等。当油压增大（即荷 载增大)时，测力油缸活塞向下顶，使拉杆25向下拉，通过杠杆机构拉动摆锤26摆起 This document is generated by trial version of Print2Flash(www.print2flash.com)
附13液压式万徒材制试验机 液压式万使料试验外形：)液式万能材料试拿帆构图 油阀：101作语寨，11-一小横袋：2两个话动立杆，3一蒂通平台：1读样：1位上共头 16一-下夹头，17-下求服座：8一上派乐座：1自支座：下火头电机：21精经 22第杆：28测力，21测力活法：25拉杯：6层睡：27-支点：28搭行 29水平传杯：3测轮，31-上湖针：2测方腹量：3对平商蛇： 3别一自动脸图：药些开关：G一指针 This document is generated by trial version of Print2Flash(www.print2flash.com)
油压越大，摆得起高，即力臂越长，平衡力矩亦越大。捏锤上部推动水平齿杆29移 动正比于力臂长度的距离，齿杆带动齿轮30使主动针31转过正比于力臂长度的角度。以 上各量，均成正比，将测力盘按力值比例刻度，主动针的位置即指示出荷载读数。 通过改变摆锤重量（有些机器还可改变摆锤杆长度），可得到不同的测力范围量程， 并分别按相应比例刻度在测力盘上。根据试样尺寸和强度极限计算极限荷载选择适当的力 值量程（太大测量精度不能保证，太小量程不够），根据测量量程调整好对应的摆锤重量 (或摆杆长度). 测力盘除主动针另有被动针，它由主动针带动向前。当试样破坏后，荷载为零，主动 针回到零位，被动针仍停留在被坏位置，我们就能方便地保留峰值。实验前，要拨动被动 针向主动针靠拢。 测力部分还有绘图器装置34，它有与活动平台联动的记录纸，和与主动针联动的记录 笔，两者运动方向垂直。当记录笔与记录纸接触就位后，在实验过程中，就能定性地自动 绘出荷载F和变形△L的关系曲线，即F△L曲线 五、实验原理 1,低碳钢拉伸的下-△L曲线 低碳钢是工程上最广泛使用的材料，同时，低碳钢在拉伸实验中所表现的受力与变形 的关系也比较典型。以拉力F为纵坐标，伸长量△L为横坐标，所绘出的荷载F和变形△ L实验曲线图形称为拉伸图。普通实验机绘出的曲线图形星然精度不足以定量，但能定性 地反映出材料的力学特性。典型的低碳钢的拉伸图F△L曲线，可明显分为四个阶段如图 1-4所示。 (1)弹性阶段 拉伸初始阶段(OA段)为弹性阶段。在此阶段试样的变形完全是弹性的，若全部卸 除荷载，记录笔将沿原路返回到原点O,变形完全消失，试样将恢复其原长，即弹性变 形是可恢复的变形，特别是其前段。因OA为线力F与变形△L成正比关系，服从胡 克定律，即有： (1-1) 式中：F一荷载，N: 5 This document is generated by trial version of Print2Flash(www.print2flash.com)
L一试样长度，mm: E一材料弹性模量，GPax S一试样横载面积，mm2。 弹性阶段、 ,屈服所段 强化输投上圳除段 图1~4低碳钢拉伸F△曲线 (2)屈服阶段 实验进行到A点以后，试样的伸长量急刷地增加，而实验机测力盘的荷载读数却在 很小的范围内波动。在持续变形情况下，力下却不再增加，或呈下降，甚至反复多次下 降，使曲线是锯齿形。此时若试样表面加工光洁，可看到大约与轴线成45方向的滑移线 这种现象称为屈服，这一阶段称为屈服阶段（即AB段）。其特征值屈服强度R,表征材料 抵抗水久变形的能力，是材料重要的力学性能指标。这时如果卸载记录笔将不能返回到 原点O,材料产生了塑性变形，卸载后不能消失的变形，也既永久变形，残余变形 (3)强化阶段 过了屈服阶段(B点)，力又开始继续增加，曲线亦趋上升，说明材料结构组织发生变 化，材料在塑性变形中不断得到强化，需要增加荷载，才能使材料继缤变形。这一阶段称 为强化阶段(BC段)。从曲线中看到随着荷载增加，曲线斜率逐渐减小，直到C点，达到 峰值，该点为抗拉极限荷载，即试样能承受的最大荷载。其特征值抗拉强度R是又一表征 材料强度的重要力学性能指标。在强化阶段中试样的变形主要是塑性变形，所以要比在弹 This document is generated by trial version of Print2Flash(www.print2flash.com)
性阶段内试样的变形大得多。在此阶段中可以较明显地看到整个试样的横向尺寸在缩小。 ,(4)颈缩阶段 实验达到D点后，试样伸长达到一定程度，出现不均匀的轴线伸长，荷载读数反而逐渐 降低。此时在试样某一段内的横截面面积显著地收缩，这一现象称颈缩现象。随者颈缩处 的裁面面积急副减小削弱，承载力减小，荷载读数继续减小，曲线呈下降趋势，直到试样 被拉断（即断裂点E),该阶段(CE段）称为颈缩阶段。颈缩现象是材料内部品格剪切滑 移的表现。断裂后，试样的弹性变形消失，塑性变形则永久保留在破断的试样上，形成杯 口状断口， 2.冷作硬化 如图1-4，若在强化阶段(BC段)中某点D停止加线，并逐渐卸除荷载，可看到记录 笔沿与弹性阶段(OA)近似平行的直线(DK)降到K点：若再立即继续加载，它又沿原 直线(DK)升到D点，说明卸载时荷载与伸长量之间遵循直线关系的规律，只是直线段比 原弹性阶段有所提高。D点的变形可分为两部分，即可恢复的弹性变形(KM段)和残余 (永久)的塑性变形(O水段)。这种在常温下对试样预先施加轴向拉力，使之达到强化阶 段，然后卸载，再加载时，试样在线弹性范围内所承受的最大荷载将增大，而试样所能经 受的塑性变形降低。这一现象称作材料的冷作硬化。冷作硬化常作为一种工艺手段，用于 工程中提高金属材料如钢筋和钢缆绳等构件在线弹性范围内的最大荷载，但值得注意的 是：此工艺同时削弱了材料的塑性，使试样所能承受的塑性变形有所降低。如图14所示 冷拉后的断后伸长KN,比原来的断后伸长ON减少了。另外这种冷作硬化现象，只有经过 退火处理，才能消失。 3.低碳钢拉伸时的下尼服强度R和压缩时的屈服强度Rt 低碳钢拉伸实验中，屈服阶段，第一个波谷后的最小标称应力为下屈服强度R 可以在测力指针移动的特定位置（第一个波谷后的屈服阶段中最小荷载值）读取对应下 屈服强度的荷载F,再计算出下屈服强度R·第一个波谷不是材料屈服的结果，它 受实验系统和记录系统的动惯性守恒影响，被称为“初始瞬时效应”，与加载速度等因素 有关，故不计在内。 This document is generated by trial version of Print2Flash(www.print2flash.com)
拉下强度儿是 (12) 武中：ReL一拉伸下屈服强度，MP: FL一对应下屈服强度的荷载，N: S。一原始横截面积，mm2 对于呈现明显屈服（不连续屈服）现象的金属材料，相关产品标准规定测定上压缩屈 服强度或下压缩屈服强度或两者。如未具体规定，仅测下压缩屈服强度。低碳钢压缩时， 仅测下屈服强度，可以在测力指针移动的特定位置（第一个波谷之后屈服阶段中最小荷载 值或屈服平台的恒定荷载值)读取对应下屈服强度的荷载F,直接测定屈服强度R。 压莲因强安儿一专 (1-3) 式中：Fae一对应压缩下屈服强度的荷载，N: S一原始横截面积，mm2。 4.抗拉强度R。 试样拉伸过程中最大荷载对应的标称应力为抗拉强度R,应为最大荷载除以原始 截面积得到。最大荷载℉。可从试样破坏后，被动指针停留位置读取。 (1.4) 式中：下m一最大荷载，N。 S.抗压强度Rme 试样受压至被坏前承受的最大标称应力称为抗压强度R。不发生破裂的材料，如 低碳绑则没有抗压强度，铸铁的抗压强度为： 执压器收人一专 (1-5) 式中：Rac一铸铁的抗压强度，MPa Fe一被坏前承受的最大压缩荷载，N, 6.低碳钢的断后伸长率A 试样拉断后，标距内残余的伸长(L。一L)与原始标距L0之比的百分率称为断后伸 This document is generated by trial version of Prin2Flash(www.print2flash.com)
长事A。L,是将试样斯裂的两段对齐并尽量靠找对接后量取的标距长 A-L-Lx100% (1-6) 式中：A一断后伸长率： L一断后标距，m: Lo一原始标距，m。 7,低碳钢的断面收缩率 试样拉断后，试样横截面积的最大缩减量(S。一S如)与原始横截面积S0之比的百分率 称为截面收缩率乙，则 z=8-x100 (1-7) S。 式中：Z一酸面收缩率 S一试样断后颈缩处最小横裁面积，mm2 六、实验步骤及实验注意事项 【.低碳钢、铸铁拉伸实验 (1)量测试样尺寸 用游标卡尺在拉伸试样的标距两端和中间部位，任意取三个横截面，在每一个横裁 面上分别沿相互垂直的两个方向各测量一次直径，并计算这两个直径的平均值，最后取 三处直径的平均值的最小者作为试样直径d。 低碳钢拉伸试样，采用长比例试样(Lg-10d,).量取原始标距长度Lo一100mm,将 L。等分成10份，用笔标识出，以便观察变形沿轴向分布的情况和计算伸长率。 本实验用游标卡尺精度为0.02mm。 (2)安装试样 先把试样夹持在实验机的上夹头，再调节下夹头，移动到试样所需位置，将上下夹 头夹紧。试样安装应尽最大努力确保夹持的试样受轴向拉力的作用，防止偏斜和夹入 部分过短的现象。 (3)开机准备 选择合适的测力量程，并配以相应的摆每。将缓冲器调至合适位置，调整测力指针 9 This document is generated by trial version of Print2Flash(www.print2flash.com)