实验四  金属材料的拉伸实验（二）

一．实验目的

1．测定低碳钢材料在常温、静载条件下的屈服极限σ_s，强度极限σ_b，延伸率δ和断面收缩率ψ。

2．测定铸铁材料在常温静载下的强度极限σ_b。

3．观察低碳钢﹑铸铁在拉伸过程中出现的各种现象，分析P-△L图的特征。

4．比较低碳钢与铸铁力学性能的特点和试件断口情况分析其破坏原因。

5．了解微机控制电子万能材料试验机的构造原理，学习其使用方法。

二．仪器设备

1．微机控制电子万能材料试验机

2．数显游标卡尺

三．试件

    在测试某一力学性能参数时，为了避免试件的尺寸和形状对实验结果的影响，便于各种材料力学性能的测试结果的互相比较，采用国家标准规定的比例试件。国家标准规定比例试件应符合以下关系：L₀=K。对于圆形截面试件，K值通常取5.65或11.3。即直径为d₀的圆形截面试件标距长度分别为5d₀和10d₀。本试验采用L₀=10d₀的比例试件。

图3-4-1

四．测试原理

实验时，实验软件能够实时的绘出实验时力与变形的关系曲线，如图3-4-2所示。

图3-4-2

1．低碳钢拉伸

⑴．弹性阶段

弹性阶段为拉伸曲线中的OB段。在此阶段，试件上的变形为弹性变形。OA段直线为线弹性阶段，表明载荷与变形之间满足正比例关系。接下来的AB段是一非线弹性阶段，但仍满足弹性变形的性质。

⑵．屈服阶段

 过弹性阶段后，试件进入屈服阶段，其力与曲线为锯齿状曲线BC段。此时，材料丧失了抵抗变形的能力。从图形可看出此阶段载荷虽没明显的增加，但变形继续增加；如果试件足够光亮，在试件表面可看到与试件轴线成45°方向的条纹，即滑移线。在此阶段试件上的最小载荷即为屈服载荷P_s.

⑶．强化阶段

材料经过屈服后，要使试件继续变形，必须增加拉力，这是因为晶体滑移后增加了抗剪能力，同时散乱的晶体开始变得细长，并以长轴向试件纵向转动，趋于纤维状呈现方向性，从而增加了变形的抵抗力，使材料处于强化状态，我们称此阶段为材料的强化阶段（曲线CD部分）。强化阶段在拉伸图上为一缓慢上升的曲线，若在强化阶段中停止加载并逐步卸载，可以发现一种现象——卸载规律，卸载时载荷与伸长量之间仍遵循直线关系，如果卸载后立即加载，则载荷与变形之间基本上还是遵循卸载时的直线规律沿卸载直线上升至开始卸载时的M点。我们称此现象为冷作硬化现象。从图可知，卸载时试件的伸长不能完全恢复，还残留了OQ一段塑性伸长。

⑷．颈缩阶段

当试件上的载荷达到最大值后，试件的变形沿长度方向不再是均匀的了，在试件某一薄弱处的直径将显著的缩小，试件出现颈缩现象，由于试件截面积急剧减小，试件所能承受的载荷也随之下降，最后，试件在颈缩处断裂。试件上的最大载荷即为强度极限载荷。

2．铸铁拉伸

铸铁在拉伸时没有屈服阶段，拉伸图为一接近直线的曲线，在变形极小时就达到最大载荷而突然发生破坏，因此，只测最大载荷P_b并计算σ_b=P_b/A₀.

图3-4-3

五、实验步骤                                              

（1）低碳钢的拉伸

1、 试件准备；

2、尺寸测量

a.用游标卡尺测量试件标距部分的原始直径d₀。在试件标距范围内，取中间和两端处三个截面作为测试试件直径的位置，每个截面在两个相互垂直的方向上各测量一次，取其平均值作为该截面的平均直径，然后取三个平均值中的最小值作为d₀的大小来计算试件的原始横截面面积A₀；

b.测量试件的原始标距L₀。用游标卡尺测量试件标距部分两标距点之间的距离一次，以此作为原始标距L₀的大小。

3、试验准备

a.依次打开试验机主机，计算机，打印机；

b.设置限位保护。将限位杆上的挡圈调整到合适位置。

c. 打开计算机内试验软件，进入试验软件主窗口界面；

d.装夹试件。先将试件的一端夹入试验机下夹具的钳口内；然后在试验软件中将力传感器清零，利用手动控制盒调整移动横梁到合适位置，使上钳口夹牢试件的另一端；

e.点击试验软件主窗口界面上方工具栏内的“实验方案”按扭，设置好实验方案和实验参数。

4、进行实验

a.点击试验软件主界面上方工具栏内的“试验”按钮，在弹出的对话框内选择正确的试验方案名，按“确认”键进入试验操作界面。

b. 在弹出的实验操作界面上，点击“运行”键，开始实验。

c. 试件破坏后，关闭试验窗口，进行数据处理，编写打印实验报告。

d. 结束实验，退出试验软件，依次关闭打印机、计算机、试验机。清理实验现场。

e. 测量拉断后试件的标距L₁和最小截面直径d₁。

【标距L₁的测量】将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线，拉断以后试件的标距L₁大小的测量采用下述方法之一来测定。

首先在实验前用刻线机在试件标距范围内内的表面上刻出十格等分线。

直测法：若断口到最近的标距点的距离大于，则以直接测得的两标距点间的距离为

L₁；

移位法：若断口到最近的标距点的距离小于，则可按下法确定L₁：在长段上从拉断处O取基本等于短段格数得到B点，当较长段所余格数为偶数时（如图3-4-4（a）所示）取长段所余格数的一半得出C点，相当于将BC段长度移到试件的左端，则移位后的L₁为

L₁=

当较长段所余格数为奇数时（如图3-4-4（b）所示）取长段所余格数减1的一半得出C点，再取长段所余格数加1的一半得出C₁点，则移位后的L₁为

L₁=

                                                            (a)

(b)

 图3-4-4

【截面直径d₁的测量】将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线，在试件颈缩处选择一最小截面，在此截面的两个互相垂直的方向各测量一次直径，取其平均值作为拉断以后截面直径d₁的值；

（2）铸铁的拉伸

铸铁的拉伸实验可参照低碳钢拉伸实验进行。铸铁的尺寸测量还可进一步简化，只需测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直径d₀的值；铸铁无需测量标距L₀、L₁和拉断后的直径d₁。

六、实验注意事项

1、任何时候都不能带电插拔电源线和信号线；

2、试验开始前，一定要调整好限位挡圈；

3、试验过程中，不能远离试验机；

4、试验过程中，除停止键和急停开关外，不要按控制盒上的其他按键；

5、试验结束后，一定要关闭所有电源；

6、计算及要严格按照系统要求一步一步退出，正常关机。

7、不要使用来历不明或与本机无关的存储介质在试验机控制用计算机上写盘或读盘。

实验五   金属材料的压缩实验(二)

一、实验目的

1、测定铸铁材料在常温、静载条件下压缩时的强度极限σ_b；

2、观察铸铁材料在压缩时的变形和试件断口情况，并分析其破坏原因；

二、仪器设备

1、微机控制电子万能材料试验机；

2、数显游标卡尺。

三、试件制备

金属材料的压缩试件一般制成如图3-5-1 所示的圆柱形。且试件不宜过长（过长容易被压弯），也不宜过于粗短（过于粗短则试件两端面受摩擦力影响的范围过大）。所以，国家标准一般规定

h₀=（1~2）d₀                                    （1）

式中       h₀——压缩试件的高度

       d₀——压缩试件的原始横截面直径

图3-5-1

四、实验原理

铸铁在压缩过程中，试验机的自动绘图器将描绘出一条与其拉伸时相似的P-△L压缩曲线（如图3-5-2），所不同的是铸铁压缩到强度极限载荷P_b之前要产生较大的变形。试件由圆柱形被压缩成微鼓形直至破裂。此时试验机主动指针迅速倒退，而从动指针记录了最大载荷P_b。铸铁破坏时，由于剪应力的作用，破坏面出现在与试件轴线约成45º-50º的斜面上。

图3-5-2

五、实验步骤

1、 试件准备：准备工作由实验室老师事先完成；

2、尺寸测量

a.  用数显游标卡尺测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为

试件原始直径d₀的值；

b.测量试件原始高度h₀的值一次；

3、试验准备

a.依次打开试验机主机，计算机，打印机；

b.设置限位保护。将限位杆上的挡圈调整到合适位置。

c. 打开计算机内试验软件，进入试验软件主窗口界面；

d. 安装试件。将试件尽量准确地放在下压板的中心处，调整上压板至接近试件上截面位置。

e.点击试验软件主窗口界面上方工具栏内的“实验方案”按扭，设置好实验方案和实验参数。

4、进行实验

a.点击试验软件主界面上方工具栏内的“试验”按钮，在弹出的对话框内选择正确的试验方案名，按“确认”键进入试验操作界面。

b.试件破坏后，关闭试验窗口，进行数据处理，编写打印实验报告。

c.结束实验，退出试验软件，依次关闭打印机、计算机、试验机。清理实验现场。

六、实验注意事项

1、任何时候都不能带电插拔电源线和信号线；

2、试验开始前，一定要调整好限位挡圈；

3、试验过程中，不能远离试验机；

4、试验过程中，除停止键和急停开关外，不要按控制盒上的其他按键；

5、试验结束后，一定要关闭所有电源；

6、计算及要严格按照系统要求一步一步退出，正常关机。

7、不要使用来历不明或与本机无关的存储介质在试验机控制用计算机上写盘或读盘。1、

七、实验数据处理与分析

强度极限            σ_b=                            

八、实验报告

1、写出正规的实验报告（具体要求参考实验报告册）；

2、讨论下列问题

a.铸铁压缩试件的制备有什么要求为什么?

b.描述铸铁压缩破坏断口形状，分析其破坏原因。

实验数据记录表

 

第二篇：金属材料压缩实验

金属材料压缩实验

一、实验目的

1．测定低碳钢压缩时的下屈服强度R_eL（或屈服极限σ_s）；

2．测定铸铁压缩时的抗压强度R_m（或抗压强度极限σ_b）；

3．观察并比较低碳钢和铸铁在压缩时的缩短变形和破坏现象。

二、预习思考要点

1．用短圆柱状低碳钢和铸铁试样做压缩实验时，怎样才能做到使其轴向（心）受压？放置压缩试样的支承垫板底部为什么制作成球形？

2．圆柱状低碳钢试样被压缩成饼状而不破碎，而圆柱状铸铁试样被压破裂面常发生在与轴线大致成45°～55°方向上，二者的变形特征与破坏形式为什么不同？

三、实验仪器和设备

1．万能材料试验机；

2．游标卡尺。

四、实验试样

对于低碳钢和铸铁类金属材料，按照GB 7314—1987《金属压缩试验方法》的规定，金属材料的压缩试样多采用圆柱体如图1-9所示。试样的长度L一般为直径d的2.5～3.5倍，其直径d = 10mm～20mm。也可采用正方形柱体试样如图1-10所示。要求试样端面应尽量光滑，以减小摩阻力对横向变形的影响。

  

图1-9  圆柱体试样                        图1-10  正方形柱体试样

五、实验原理

Ⅰ低碳钢：以低碳钢为代表的塑性材料，轴向压缩时会产生很大的横向变形，但由于试样两端面与试验机支承垫板间存在摩擦力，约束了这种横向变形，故试样出现显著的鼓胀效应如图1-11所示。为了减小鼓胀效应的影响，通常的做法是除了将试样端面制作得光滑以外，还可在端面涂上润滑剂以利最大限度地减小摩擦力。低碳钢试样的压缩曲线如图1-12所示，由于试样越压越扁，则横截面面积不断增大，试样抗压能力也随之提高，故曲线是持续上升为很陡的曲线。从压缩曲线上可看出，塑性材料受压时在弹性阶段的比例极限、弹性模量和屈服阶段的屈服点（下屈服强度）同拉伸时是相同的。但压缩试验过程中到达屈服阶段时不像拉伸试验时那样明显，因此要认真仔细观察才能确定屈服荷载F_eL，从而得到压缩时的屈服点强度（或下屈服强度）R_eL = F_eL/S₀。由于低碳钢类塑性材料不会发生压缩破裂，因此，一般不测定其抗压强度（或强度极限）R_m，而通常认为抗压强度等于抗拉强度。

             

图1-11  低碳钢压缩时的鼓胀效应               图1-12  低碳钢压缩曲线

Ⅱ铸铁：对铸铁类脆性金属材料，压缩实验时利用试验机的自动绘图装置，可绘出铸铁试样压缩曲线如图1-13所示，由于轴向压缩塑性变形较小，呈现出上凸的光滑曲线，压缩图上无明显直线段、无屈服现象，压缩曲线较快达到最大压力F_m ,试样就突然发生破裂。将压缩曲线上最高点所对应的压力值 F_m 除以原试样横截面面积S₀，即得铸铁抗压强度R_m = F_m / S₀。在压缩实验过程中，当压应力达到一定值时，试样在与轴线大约45°～55°的方向上发生破裂如图1-14所示，这是由于铸铁类脆性材料的抗剪强度远低于抗压强度，从而使试样被剪断所致。

                    

图1-13  铸铁压缩曲线               图1-14  铸铁压缩破坏示意图

六、实验步骤

1．用游标卡尺在试样两端及中间三处两个相互垂直方向上测量直径，并取其算术平均值，选用三处中的最小直径来计算原始横截面面积S₀。

2．根据低碳钢屈服荷载和铸铁最大实际压力的估计值（它应是满量程的40%～80%），选择试验机及其示力度盘，并调整其指针对零。对试验机的基本要求，经国家计量部门定期检验后应达到1级或优于1级准确度，实验时所使用力的范围应在检验范围内。

3．调整好试验机上的自动绘图装置。

4．将试样端面涂上润滑剂后，再将其准确地置于试验机活动平台的支承垫板中心处。对上下承压垫板的平整度，要求100mm应小于0.01mm。

5．调整好试验机夹头间距，当试样端面接近上承压垫板时，开始缓慢、均匀加载。在加载实验过程中，其实验速度总的要求应是缓慢、均匀、连续地进行加载，具体规定速度为0.5～0.8MPa/S。

6．对于低碳钢试样，若将试样压成鼓形即可停止实验。对于铸铁试样，加载到试样破裂时（可听见响声）立即停止实验，以免试样进一步被压碎。

7．做铸铁试样压缩时，注意在试样周围安放防护网，以防试样破裂时碎碴飞出伤人。

七、实验结果处理

根据实验测定的数据，可分别计算出低碳钢和铸铁的强度性能指标，并按前述拉伸实验中表1-6规定进行修约。

1．低碳钢的下屈服强度（或屈服极限σ_s）指标

R_eL = F_eL/S₀                                      （1-22）

2．铸铁的抗压强度指标

R_m = F_m/S₀                                      （1-23）