机械学基础实验

指导书

力学实验中心

金属材料的拉伸与压缩实验

1.1 金属材料的拉伸实验

拉伸实验是材料力学实验中最重要的实验之一。任何一种材料受力后都要产生变形，变形到一定程度就可能发生断裂破坏。材料在受力——变形——断裂的这一破坏过程中，不仅有一定的变形能力，而且对变形和断裂有一定的抵抗能力，这些能力称为材料的力学机械性能。通过拉伸实验，可以确定材料的许多重要而又最基本的力学机械性能。例如：弹性模量E、比例极限R_p、上和下屈服强度R_eH和R_eL、强度极限R_m、延伸率A、收缩率Z。除此而外，通过拉伸实验的结果，往往还可以大致判定某种其它机械性能，如硬度等。

我们以两种材料——低碳钢，铸铁做拉伸试验，以便对于塑性材料和脆性材料的力学机械性能进行比较。

这个实验是研究材料在静载和常温条件下的拉断过程。利用电子万能材料试验机自动绘出的载荷——变形图，及试验前后试件的尺寸来确定其机械性能。

试件的形式和尺寸对实验的结果有很大影响，就是同一材料由于试件的计算长度不同，其延伸率变动的范围就很大。例如：

对45^#钢：当L₀＝10d₀时（L₀为试件计算长度，d₀为直径），延伸率A₁₀＝24~29%，当L₀＝5d₀时，A₅＝23~25%。

为了能够准确的比较材料的性质，对拉伸试件的尺寸有一定的标准规定。按国标GB/T228-20##、GB/P7314-2005的要求，拉伸试件一般采用下面两种形式：

图1-1

1.  10倍试件；

圆形截面时，L₀＝10d₀            矩形截面时，L₀＝11.3

2.  5倍试件

圆形截面时，L₀＝5d         矩形截面时, L₀＝5.65=

d₀——试验前试件计算部分的直径；

S₀——试验前试件计算部分断面面积。

此外，试件的表面要求一定的光洁度。光洁度对屈服点有影响。因此，试件表面不应有刻痕、切口、翘曲及淬火裂纹痕迹等。

一、实验目的：

1．研究低碳钢、铸铁的应力——应变曲线拉伸图。

2．确定低碳钢在拉伸时的机械性能（比例极限R_p、下屈服强度R_eL、强度极限R_m、延伸率A、断面收缩率Z等）。

3. 确定铸铁在拉伸时的力学机械性能。

二、实验原理：

拉伸实验是测定材料力学性能最基本的实验之一。在单向拉伸时F——ΔL（力——变形）曲线的形式代表了不同材料的力学性能，利用：

       

可得到R—ε曲线关系。

三、实验所用的设备、仪器和工具

1、Zwick电子万能材料试验机           一台

2、游标卡尺                                         一支

3、记号笔                                            一支

4、低碳钢、铸铁试件                           各一个

四、试件尺寸测量

1．量度试件尺寸：

1）试验前在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d_u。

2）确定计算长度L₀。

在试件中间等粗的细长部分内，量取计算长度L₀（按10倍或5倍试件确定）。然后用记号笔把计算长度L₀分成若干等分（通常是以5mm或10mm为一等分）。以便当试件断裂不在中间时进行换算，从而求得比较正确的延伸率。建议使用下列表格表1.1。

表1.1  拉伸试件原始尺寸数据记录          

五、实验步骤

参见1.3中的Zwick电子万能试验机操作步骤

六．试验注意事项：

随时注意观察试件在拉伸过程中的形状变化和应力——应变曲线的变化情况。

1）当试件拉伸过程中，当应力——应变曲线出现平台时载荷即到达屈服阶段，在试件表面可能出现契尔诺夫滑移线。

2）过了屈服阶段后，观察冷作硬化现象。

3）当载荷到达最大值（F_m）时，曲线开始回落下降，密切注意试件形状的变化，此时可看到颈缩现象。

4）试件拉断后，立即停机存盘。打印出所得的拉伸图，取下试件并量度此时的断后标距长度L_u（如果试件是断在计算长度之外的作废）和颈缩处的最小直径d_u。量度时将试件的两半接在一起，使其尽量紧贴。

七．试验结果整理和计算：

1）对拉伸曲线的修正。

拉伸曲线得到后，往往在开始处形成如图1-2中所示的不规则的曲线。这是由于试验开始时，握紧器、夹具和试件之间尚未紧密相接。并非完全由于试件变形所致。因此对此曲线要进行修正，即将拉伸图直线部分往下延长，它与横座标相交，交点即为原点。

2）根据拉伸图，找出相应的R_eL，R_m。并求出：

下屈服点                                   R_eL＝

强度极限                            R_m＝

3)计算延伸率：

A＝100%

试件拉断后的残余变形在整个长度的分布是非均匀的。在颈缩部分大，而非颈缩部分残余变形小一些（见图1-4）。

由此看出，断在中间时，试件残余变形最大，延伸率也最大。为了对同一种材料只得出一个相对稳定的值，不因断裂的位置而异，可以将试验所得到的残余变形换算成相当于试件在中间断裂时的“标准数值”此方法叫“断处移中法”（见图1-5）。

例如在图1.5中，其延伸率应换算为

A＝100%

其中：m及n的小格数目依具体情况而选定。

4) 断面收缩率：

Z＝100%

S_u——颈缩处的最小面积。

5) 拉断时颈缩处的实际应力：

R_m＝

1.2金属材料的压缩试验

一、试验目的

研究和比较塑性材料与脆性材料在室温下单向压缩时的力学性能。

二、压缩试件与试验所用机器、仪器和工具：

    1、压缩试件

取两种不同材料的试件——低碳钢和铸铁。金属试件一般采用圆柱形，其高与直径之比应为l＜L₀/d₀＜2。其它材料的试件一般都采用立方体。

2、试验所用机器、仪器和工具：与拉伸试验相同，采用压缩夹具。

三、实验步骤：

1、量试件尺寸（长、宽、高、直径）。

2、把试件放在试验机上。

3、开机动器，进行试验，一直到试件破坏。

4、卸去载荷，取出破坏的试件。

5、打印出实验报告。

具体可参见1.3中的Zwick电子万能试验机操作步骤

四、实验注意事项：

1、低碳钢不能压到破坏，压到45kN时即停止试验。

2、为了能很好地观察铸铁的破坏裂纹，在试验中，一但发现载荷值上升缓慢时，需及时停止加载。

五、实验结果的整理和计算

1．低碳钢：

低碳钢为塑性材料，其压缩图见图1-6，开始时遵守胡克定律沿直线上升，比例极限以后变形加快，但无明显屈服阶段。相反地，图形逐渐向上弯曲。这是因为在过了比例极限后，随着塑性变形的迅速增长，而试件的横截面积逐渐增大，因而承受的载荷也随之增大。

从实验我们知道，低碳钢试件可以被压成极簿的平板而一般不破坏。因此，其强度极限一般是不能确定的。我们只能确定的是压缩的屈服极限应力。

R_sc＝.

2．铸铁：

铸铁为脆性材料，其压缩图在开始时接近于直线，与纵轴之夹角很小，以后曲率逐渐增大，最后至破坏，因此只确定其强度极限（见图1-7）。

R_m＝

图1-6 低碳钢压缩         图1-7 铸铁压缩

铸铁试件受压力作用而缩短，表明有很少的塑性变形的存在。当载荷达到最大值时，试件即破坏，并在其表面上出现了倾斜的裂缝（裂缝一般大致在与横截面成45°的平面上发生）铸铁受压后的破坏是突然发生的，这是脆性材料的特征。

从试验结果与以前的拉伸试验结果作一比较，可以看出，铸铁承受压缩的能力远远大于承受拉伸的能力。抗压强度远远超过抗拉强度，这是脆性材料的一般属性。

1.3 电子万能材料试验机简介

图1-8 电子万能材料试验机

电子万能材料试验机简称电子万能试验机，是材料力学性能测试的专用设备，主要用于材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等力学性能试验。电子万能试验机是机械技术、传感器技术、电子（计算机）测量、控制及数据处理技术结合的新型试验机。与以往的机械式和液压式试验机相比，近年来生产的电子万能试验机最突出的特点是利用计算机控制试验过程，并完成测量数据的自动采集和处理。不同厂家生产的电子万能试验机虽然在结构形式、操作界面、使用功能及技术性能上存在差异，但基本结构和工作原理是类似的，一般都包括机械加载架、试样夹持装置、测量系统、动力系统、传动系统、控制系统、计算机系统等基本工作单元。常见电子万能试验机按照最大载荷划分为10kN、20 kN、50 kN、100 kN、200 kN、250 kN等不同的规格。

一、电子万能材料试验机的结构与工作原理

试验机主要由机械加载、控制系统、测量系统等部分组成（如图1.9所示）。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。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。

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，通过安装在步进电机上的脉冲编码器将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1.2  试验机的基本参数

表1.3  力传感器的基本参数

二、Zwick电子万能试验机的基本参数

本实验室主要仪器设备是德国Zwick/Roell公司生产的6台电子万能试验机，其中在Z010和Z100试验机配有目前国际先进的Longstroke （大变形）和Macro（小变形）引伸计。该室可执行拉伸、压缩、弯曲剥离、裂纹扩展等试验，并能实现循环加载及材料的松弛、蠕变等试验，满足金属、塑料、橡胶、纸张、食品、纺织品以及生物力学方面的测试要求。其测试软件testXpert II灵活性强、使用方便，配备强大的数据处理和分析功能，以及灵活的测试报告编辑功能；还具有独一无二的多媒体测试功能，可以将实验过程同步拍摄下来，并在试验结束后将测试过程和测试曲线同步回放、分析。其主要工作参数见表1.2、表1.3、表1.4。

表1.4  引伸计的基本参数

三、Zwick 电子万能试验机操作软件简介

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TestXpertⅡ，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：设定加载方式（可采用位移加载、恒应变加载、恒应力加载）；设定实验机的环境参数；选择测试结果；编辑、打印实验报告等。

四、Zwick 电子万能试验机的操作步骤

1.         打开主机及计算机电源

2.          静候数秒，以待机器系统检测

3.          打开TestXpertII测试软件，选取相应测试程序 （金属材料伸测试.ZP2、本科生教学用压缩测试. ZP2）（见图1-10、图1-11）

4.         按主机“ON”按钮，以使主机与程序相连

5.         顺利后，点击“起始位置”图标以使夹具恢复到设定值（见图1-11）

6.         输入测量的试样尺寸（见图1-10）

7.         摆放试样于试样台，用夹具夹持试样一端

8.         点击“力清零”图标，使力值清零（见图1-11）

9.         用夹具夹持试样另一端

10.     点击“开始”图标，开始测试（见图1-11）

11.     测试终止后，取出试样

12.     测量试样的相关尺寸，输入后，点击“确定”，程序自动计算测试结果并作出图表（见图1-12）

13.     按“起始位置”按钮，使横梁自动恢复到初始位置

14.     所有测试结束后，点击“向导”、“测试报告中的参数”，输入个人相关信息（见图1-13）

15.     点击“打印”图标，打印测试报告（见图1-13）

16.     保存测试结果文件，另存为*.ZS2格式的文件（见图1-14）

17.     开始其它试件测试

18.     完成实验后，退出程序

19.     清理工作台，将废试样放到废品箱里

图1-10

图1-11

图1-12

图1-13

图1-14

1.4思考题：

一、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。

二、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？

7、名义应力——应变曲线的定义是什么？如何得到真实的应力——应变曲线？

8、讨论环境条件（温度、加载速率、受力状态）对屈服强度有何影响？

 

第二篇：金属材料的压缩实验参考资料

  金属材料的压缩实验(电拉)

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、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。此时试验机力值显示窗口显示力值迅速下降，而而峰值力窗口记录了试件最大载荷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，但不要与试件接触。

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，在下拉菜单中选择对应的试验方案。

b. 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。

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