金属材料的拉伸与压缩实验

一、实验目的

1、  了解电子万能材料试验机的工作原理，并测试低碳钢在拉伸与压缩过程中的力学性能。即拉伸时的屈服极限σ_s、强度极限σ_b、延伸率δ、截面收缩率Ψ。压缩时的屈服极限σ_s。

2、  测定铸铁在拉伸与压缩过程中的力学性能。即拉伸与压缩时的强度极限σ_b。

3、  观察拉伸与压缩时所表现的各种现象，并打印实验报告。

4、  对低碳钢与铸铁的力学性能进行比较，观察断口现象，分析引起破坏的原因。

二、实验设备、工具及试件

1、  Zwick电子万能材料试验机

2、  游标卡尺

3、  低碳钢与铸铁拉伸与压缩试件

三、电子式万能试验机的工作原理

Zwick电子万能材料试验机是由德国Zwick/Roell公司生产。试验机主要由机械加载、控制系统、测量系统等部分组成。加载是通过伺服电机带动丝杠转动而使活动横梁上下移动来实现的。在活动横梁和工作台上安装一对拉伸、压缩或弯曲卡具，组成了加载空间。伺服控制系统则控制伺服电机在给定速度下匀速转动，实现不同速度下横梁移动从而对试件加载。活动横梁的移动速度范围是0.0005~2000毫米/每分钟。

  测量系统包括负荷测量、试件变形测量和横梁位移测量。负荷和变形测量都是利用电测传感技术，通过传感器将机械信号转变为电信号。负荷传感器安装在活动横梁上，测量变形的传感器一般称作引伸计，并且安装在试件上。横梁位移的测量是采用光电转换技术，通过安装在丝杠顶部的脉冲编码器将丝杠转动信号转变为脉冲信号。三路信号均经过信号调理电路变为标准的信号。通过转换传给计算机，实施控制和数据采集。Zwick电子万能试验及的工作参数见表1、2、3。

表1  试验机的基本参数

表2   力传感器的基本参数

表3  引伸计的基本参数

四、Zwick电子式万能试验机测试软件简介

Zwick电子式万能试验机的控制和数据采集处理均可通过其功能强大的实验软件来实现。软件名称为TestXpert，可以实现对材料的拉伸、压缩、弯曲实验。

软件可实现的功能主要有：

1.       设定加载方式，可采用位移加载、恒应变加载、恒应力加载；

2.       设定实验机的环境参数；

3.       选择测试结果；

4.       编辑、打印实验报告。

软件的操作如下：

。打开程序

1、    计算机及控制箱上的电源

2、    双击图标

3、    单击open将会出现Load a test program or a series框，显示所有程序

4、    双击所选程序

5、    单击ok，进入machine configuration文本框

1)      选择Test environment name

2)      单击close

3)      打开控制面板上的电源on

。设置机器参数

1、 单击machine图标，将出现verification dialogue框。

    

10TN2SWN，14039（机器编号）和machine（机器）相连

crosshead travel monitor WN （横梁编号）和crosshead（横梁）相连

macro（引伸计的名称）和standard extensometer（标准引伸计）相连

Load Cell 10 kN（传感器的负荷）standard load cell（标准传感器）相连。

1）        双击crosshead travel monitor将出现option crosshead travel monitor WN146039框

 

Upper softened switch （在程序控制下，横梁所能到达的最高位置，可根据实际情况设定）

Lower softened switch （在程序控制下，横梁所能到达的最低位置，可根据实际情况设定）

Current LE  目前两夹具间的距离（每次更换夹具时，都要将实测的距离值输入这里）

 crosshead  position  确认当前横梁绝对位置

2、在Test environment里保存机器设置结果

。设置测试参数——Wizard

用户所有的测试参数都在wizard里设定和执行

1、    进入wizard，

单击wizard图标，再单击ok，出现wizard-machine configuration 文本框。

2、    做拉力试验时---wizard的内容

1)  verification的参数

 

 以上参数应注意：可根据实际情况设定Upper softened switch and Lower softened switch( 横梁最高和最低软限位)的数值，Test environment name(选择环境名)的选择，Upper force limit and Lower force limit为传感器的力值范围

2)  Result的参数

以上参数应注意:  这里可选择所需的测试参数，其中参数前口里打x 的为选择所需的测试参数，参数前口里打 为未选

3)    Tolerances（公差）的参数

以上参数应注意：可将已选参数的公差设为Without tolerance,

4)    specimen data（试样数据）的参数

以上参数应注意：specimen data里可输入试样宽度b和试样厚度a，在Request for entry before test(测试前的要求)里可选normal或none。选normal，在测试前会提示输入试样数据，选none，在测试前不会提示输入试样数据

5)    Pre-load（预载）的参数

以上参数应注意：Pre-load里Pre-load(预载力)一般为0.5---2N，Pre-load speed(预载测试速度)为10mm/min，可根据实际情况设定。Zero the force after pre-load(预载力值调零)不影响测试结果，只是将曲线沿y轴平移。

6)    E-modulus（E氏模量）的参数

以上参数应注意：Type of E-modulus determination(E氏模量)如是塑料等材料选secant， 如是钢铁等材料选Regression，E氏模量的开始和E氏模量的结束条件分别为stain 0.05%和stain 0.25%。speed E-modulus(E氏模量的测试速度) 可根据实际情况设定.

7)    Yield and proof stress（屈服应力）的参数

以上参数应注意：Yield and proof stress里各参数是根据标准设定，用户没有特殊要求可不必更改上面的设定

8)    Test / test end （测试及测试结束）的参数

以上参数应注意：Test speed（测试速度）可根据测试要求设定，Delay at speed switch（加速度）一般可设为1，Force threshold为判断试样断裂，Upper force limit（最大力值）.Max. Extension（最大伸长量）和Max test duration（最长测   试时间）均可作为测试结束的条件，可根据实际情况选择。

9)    Break investigation（断裂跟踪点）的参数

以上参数应注意：Break investigation里各参数是根据标准设定，用户没有特殊要求可不必更改上面的设定

10)  LE positions（夹具的距离）的参数

以上参数应注意：在Grip to Grip separation（夹具间的距离）这一栏里可设定夹具间的距离，在LE speed这一栏里可输入横梁移动速度。

11)  Actions after test(测试之后)的参数

以上参数应注意：在LE set after rest前口里大 ，测试完后回到LE位置。在LE set after rest前口里大 ，测试完后横梁停留在原地不动。

12)  Extensometer (strain)（引伸计）的参数

以上参数应注意：如没有引伸计，以上参数可不必设置，如果有引伸计，只须输入标距 。  

13)  test data memory（测试数据内存）的数据

以上参数应注意：test data memory为软件对断裂点的跟踪方法，用户没有特殊要求可不必更改上面的设定

14)  Parameters for protocol（报告参数）的参数

以上参数应注意：在这里可向报告里输入以上各参数。

15)  Control parameter（控制参数）的参数

。打印曲线

单击print protocol(打印)

。关于坐标

(一 )如何改变曲线坐标

1、 打开计算机和机器的电源

2、 进入程序

3、 将鼠标移到曲线上，右键单击

4、 选择series graphics configure，将出现series graphics框

      

例：如要y轴单位为N，x轴单位为mm，只要

1)   在Y-Axis方框里将units后面的单位改成N

2)   在X-Axis方框里将units后面的单位改成mm

3)   单击ok

4)   单击file，再单击save

（二）如何知道曲线上任一点的坐标

1)     打开计算机、打开以前所保存的曲线

2)     将鼠标移到曲线上，右键单击选择( layout next),将如图

3)     将鼠标移到曲线上，右键单击选择(Activate crosswires)

4)     将鼠标移到曲线上，可通过键盘上方向键获得曲线上任一点的坐标值。

七、保存结果

  1 做完测试，单击file，再单击save as(另存为)，如图

2         单击Series(*ZSE)(结果文件的后缀名)[*ZPV为测试程序的后缀名]，在Name(名称)里输入文件的名称.

3         再单击OK，这样测试结果保存完毕。

五、试验步骤

（一）   测量试件的尺寸：

拉伸试件：

1、试验前在低碳钢试件两端及中部选择三个截面，每个截面用游标卡尺分别相互垂直各测一次直径，取其三点平均值中的最小值作为试件的直径d₀。当低碳钢试件拉断后，用游标卡尺在颈缩段的最小截面处的互相垂直的两个方向各测量一次直径，取其平均值作为试件断口处的最小值d₁。

2、标距l₀=10d₀。确定试件中点，从中点分别向两侧各量取L₀/2,将两个端点定为标点，用画线机在标距内将试件平均分成10格，以便当试件不在中间部分拉断时进行换算，从而求得较为准确的延伸率。当试件拉断后，若断口在标距1/3区域内时，可把断裂试件拼合起来，直接测量试件拉断后的标距l₁。如果试件断口不在标距长度的中间1/3处，需采取“断口移中”的方法，推算出试件断后的标距长度L₁。

3、铸铁试件只需测出三个截面的直径，方法同上。

压缩试件：

用游标卡尺在试件互相垂直方向，两次测量低碳钢与铸铁试件的直径，取其平均值为d₀。

（二）   开机试验   

1.         打开主机电源

2.         静候数秒，以待机器系统检测

3.         打开TestXpert测试软件，选取相应测试程序 （或直接在电脑桌面上双击程序图标）

4.         按主机“ON”按钮，以使主机与程序相连

5.         顺利后，点击“LE”图标以使夹具恢复到设定值

6.         用游标卡尺测量试样尺寸，并输入

7.         摆放试样于试样台，用夹具夹持试样一端

8.         点击“Force 0”图标，使力值清零

9.         用夹具夹持试样另一端

10.     点击“Start”图标，开始测试

11.     弹出试样尺寸确认框，点击“OK”

12.     测试终止后，取出试样

13.     按“LE”按钮，使横梁自动恢复到初始位置，程序自动计算测试结果并作出图表

14.     开始下一次测试

15.     所有测试结束后，点击“Protocol”图标，输入测试报告台头

16.     点击“Print”图标，打印测试报告

17.     保存测试结果文件，另存为*.zse格式的文件

18.     退出程序

19.     关闭主机电源，清理工作台

六、试验结果比较

1、比较低碳钢与铸铁试件拉伸与压缩图的差异。

2、比较低碳钢与铸铁试件在拉伸与压缩时的力学性能。

3、比较低碳钢与铸铁试件在拉伸与压缩破坏时形状。

4、比较铸铁试件在拉伸与压缩时的强度。

七、思考题：

1、低碳钢和铸铁在拉伸实验中的性能和特点有什么不同？

2、低碳钢在拉伸过中可分为几个阶段，各阶段有何特征？

3、何谓“冷作硬化”现象？此现象在工程中如何运用。

4、分析低碳钢与铸铁试件在压缩过程中及破坏后有哪些区别？

5、为什么低碳钢压缩时测不出强度极限？

6、铸铁压缩时沿大约45^o斜截面破坏，拉伸时沿横截面破坏，这种现象说明了什么？