试验一金属材料的拉伸与压缩试验

1.1概  述

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/P7314-1987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。

1.2拉伸实验

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σ—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、实验步骤：

1．量度试件尺寸：

1）量度直径d₀。对于圆试件，在计算长度的两端及中部三处用卡尺测量，每一处都要在两个互相垂直的方向上量出直径，取其直径最小值，测量精度到±0.1mm。

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）。然后用刻线机（记号笔等）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。但刻线时，应尽量轻微。

建议使用下列表格表1.3。

表1.3  拉伸试件原始尺寸数据记录         

以拉伸试验为例，电子万能试验机的主要操作步骤如下：

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“清零”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，输入试样尺寸，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)     将断裂后试样尺寸输入

15)     点击“Print Protocol”图标，打印测试报告

16)     保存测试结果文件，另存为*.zse格式的文件

17)     退出程序

18)     关闭主机电源，清理工作台

4．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。

5．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3.3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）根据拉伸图的比例，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3.4）。

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3.5）。

例如在图3.5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＝

1.3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、试件步骤：

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。

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、试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3.9，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。

σ_sc＝

图3.9 低碳钢压缩      图3.10  铸铁压缩

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3.11）。

σ_bc＝

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。

1.4 电子万能材料试验机简介

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，下面以国产CMT5105型100kN电子万能试验机为例做一简要介绍。

图3.13 电子万能材料试验机

一、电子万能材料试验机的结构与工作原理

图3.13是Zwick电子万能试验机的照片，图3.14是电子万能试验机的结构及工作原理示意图。电子万能试验机的机械加载架一般为“门式”结构，有单空间和双空间两种形式，由立柱、滚珠丝杠、上横梁、下横梁、移动横梁构成。单空间是指试验机的拉伸和压缩共用同一个加载空间，而双空间是指试验机设有拉伸和压缩两个加载空间。单空间试验机在拉伸试验转换为压缩试验或由压缩试验转换为拉伸试验时，需要更换夹具，而双空间试验机不存在这个问题，因此使用比较方便。Zwick型试验机是单空间式的。在拉伸时安装有拉伸夹具，在压缩时安装有压缩夹具和弯曲夹具。测力传感器、引伸计、光电编码器、数据采集电路（与控制系统集成在一起）组成测量系统，测力传感器用于测量试验载荷，引伸计用于测量试样的变形，光电编码器用于测量横梁移动的位移。各个测量信号均经过数据采集电路送入计算机储存、处理和显示。伺服电机的输出功率经减速器、同步齿形带传递给滚珠丝杠，然后滚珠丝杠带动移动横梁升降将试验载荷施加到试样上。伺服控制器与伺服电机和光电编码器组成闭环控制系统，控制移动横梁的运动。伺服控制器向上经过控制电路与计算机联系，最终由计算机实现对可移动横梁的运动进行控制，包括位置、速度等。

由于电子万能试验机采用了闭环控制，加载过程和数据采集都是在计算机的控制下完成的，因此可以选择不同的参数控制方式进行试验。参数控制方式是指以应力（或载荷）、位移、应变等诸试验参数中的某一个作为加载控制因素。例如，“位移控制”就是设定横梁的运动速度（通常是恒定速率），让试验机按照设定的横梁速度和方向对试样进行加载。

三、电子万能试验机的使用注意事项：

1、由于电气参数初始化的原因，开机、关机时要注意顺序，开机顺序为主机－计算机－打印机，关机顺序为试验机－打印机－计算机。

2、安装试样前要注意将横梁限位调整好，以防止损坏机器。

1.5思考题：

1、  试述低碳钢拉伸过程的四个阶段的力学特性。

2、  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？

3、  当有契尔诺夫滑移线出现时，利用力学概念解释此现象。

4、  比较低碳钢与铸铁拉伸破坏时的端口形状有什么不同，为什么？

5、  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？

6、  低碳钢为什么得不到抗压极限强度？

7、  对铸铁受压破坏的端口进行力学受力分析。

 

第二篇：实验讲义 材料的压缩实验

实验三 材料的压缩实验

概述

实验表明，工程中常用的塑性材料，其受压与受拉时所表现出的强度、刚度和塑性等力学性能是大致相同的。但广泛使用的脆性材料，其抗压强度很高，抗拉强度却很低。为便于合理选用工程材料，以及满足材料成型工艺的需要，测定材料受压时的力学性能是十分重要的。因此，压缩实验同拉伸实验一样，也是测定材料在常温、静载、单向受力下的力学性能的最常用、最基本的实验之一。

一、金属的压缩实验

（一）实验目的

1. 观测低碳钢压缩时的屈服荷载PS。

2. 测定铸铁压缩时的抗压强度σb 。

3. 观察并比较低碳钢和铸铁在压缩时的变形和破坏现象。

（二）实验原理

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，如图1所示。

塑性材料在压缩过程中的弹性模量、屈服点与拉伸时相同，但在到达屈服阶段时不像拉伸试验时那样明显，因此要仔细观察才能确定屈服载荷Ps。当继续加

载时，试样越压越扁，由于横截面面积不断增大，试样抗压能力也随之提高，曲线持续上升，如图2所示。除非试样过分鼓出变形，导致柱体表面开裂，否则塑性材料将不会发生压缩破坏。因此，一般不测塑性材料的抗压强度，而通常认为抗压强度等于抗拉强度。

以铸铁为代表的脆性金属材料，由于塑性变形很小，所以尽管有端面摩擦，鼓胀效应却并不明显，而是当应力达到一定值后，试样在与轴线大约成450～550的方向上发生破裂，如图3所示。这是由于脆性材料的抗剪强度低于抗压强度，从而使试样被剪断。其压缩曲线图如图4所示。

图1 低碳钢压缩时的鼓胀效应 图2 低碳钢压缩曲线

图3 铸铁压缩破坏示意图 图4 铸铁压缩曲线

（三）实验设备

1. 液压式万能材料试验机

2. 游标卡尺

（四）实验步骤

1. 用游标卡尺在试样两端及中间处两个相互垂直的方向上测量直径，并取其算术平均值，选用三处测量最小直径来计算横截面面积。

2. 根据低碳钢屈服载荷和铸铁抗压强度的估计值, 选择试验机的示力盘和摆锤。

3、调整好平衡锤、自动绘图装置；调整指针对正零位。

4. 准确地将试样置于试验机活动平台的支承垫板中心处。

5. 调整试验机夹头间距，当试样接近上支承板时，缓慢开启送油阀，均匀缓慢加载。

6. 对于低碳钢试样，将试样压成鼓形即可停止试验。对于铸铁试样，加载到试样破坏时（主针回摆150左右）立即停止试验，以免试样进一步被压碎；或试样压缩超过80%时停止试验，防止超量程。

（五）实验结果处理

1．详细记录实验现象，观察试样的变形、破坏情况。

2．作出载荷-位移压缩曲线。

3．根据试验记录及曲线，计算应力值。

（1） 低碳钢的屈服强度：

（1）

（2） 铸铁的抗压强度：

（2）

4．分析比较塑性材料和脆性材料在压缩时的力学行为的差异。

（六）思考题

1. 为什么铸铁试样压缩时，破坏面常发生在与轴线大致成450～550的方向上？

2. 试比较塑性材料和脆性材料在压缩时的变形及破坏形式有什么不同？

3．将低碳钢压缩时的屈服强度与拉伸时的屈服强度进行比较；将铸铁压缩时的抗压强度与拉伸时的抗拉强度进行比较。

二、高分子材料的压缩实验

（一）实验目的

1．测定高分子材料的压缩性能，确定材料的压缩强度，压缩应变，压缩模量。

2．掌握高聚物的压缩性能实验方法。

（二）实验原理

本实验是在一定的实验温度、湿度、加力速度下，于试样上沿纵轴方向施加静态压缩载荷，以测定高分子材料的压缩力学性能。

压缩性能实验是最常用的一种力学实验，压缩性能实验是把试样置于实验机的两压板之间，并在沿试样两个端面的主轴方向，以恒定速率施加一个可以测量的大小相等而方向相反的力，使试样沿轴向方向缩短，而径向方向增大，产生压缩变形，直至试样破裂或变形达到一定标准规定为止。施加的压缩负荷由实验机上直接读取，并按下式计算压缩应力和压缩应变。

压缩应力计算公式σ=P/F

式中：σ——压缩应力；单位：MPa

P——压缩负荷；单位：N

F——试样原始横截面积；单位：mm2

试样在压缩负荷作用下高度的改变量称为压缩形变。

压缩形变计算公式 ΔH = H0-H

式中：ΔH——试样压缩形变；单位：mm

H0——试样原始高度；单位：mm

H——压缩过程中试样任何时刻的高度；单位：mm

试样的压缩形变除以试样的原始高度，即单位原始高度的试样变形量，为压缩应变。

压缩应变计算公式ε=ΔH/H0

式中：ε——试样的压缩应变；

H0——试样原始高度；单位：mm

ΔH——试样压缩形变；单位：mm

在应力-应变曲线范围内压缩应力与压缩应变的比值成为压缩模量，取应力-应变直线上两点的应力差与应变之比，计算压缩模量。

压缩模量的计算公式E=（σ2-σ1）/（ε2-ε1）

式中：E——试样的压缩模量；单位：MPa

（三）影响高分子材料压缩强度的因素

1．试样的尺寸

压缩实验所用的试样，可以用注塑、模塑或机械加工方法制备。

试样的形状可以是正方棱柱，矩形棱柱，圆柱体，圆管形。

在测定高分子材料的压缩强度的实验中，试样的尺寸对其测试结果有很重要的影响。其中，在试样的尺寸影响中，影响压缩强度大小是试样的细长比（试样的高度与试样横截面的最小回转半径之比），由于试样受压时，其上下端面与压机压板之间产生较大的摩擦力，阻碍试样上下两端面的横向变形，试样高度越小，其影响越大。因此为减少这种摩擦力的影响，试样的高度应适当高些，但又不宜太高，以避免试样在受压过程中，因失稳而出现扭曲。规定一般的试样细长比为

10，对易于出现扭曲的韧性材料，其细长比可降低为6。

2．试样的质量要求

当试样两端面不平行时，实验过程中将不能使试样沿轴线均匀受压，形成局部应力过大，而使试样过早产生裂纹和破坏，压缩强度必将降低。为此本实验所采用的试样的端面各点的高度差不大于0.1 mm，表面平整，无气泡、裂纹、分层、伤痕等缺陷，否则将影响试样结果。

3．实验速度

随着实验速度的增加，压缩强度与压缩应变值均有所增加。实验速度在1～5mm/ min之间变化较小；速度在大于10mm/ min时变化较大。因此规定压缩实验的同一试样必须在同一实验速度下进行，并且要选用较低的实验速度进行压缩实验。

（四）实验设备及试样

1．.实验设备为WD-100型万能材料试验机，由试样夹持部分、加力部分、测力部分和自动绘图部分四部分组成。

2．游标卡尺一把。

3．试样。标准压缩聚氯乙烯和聚丙烯试样，要求表面平整，无气泡、裂纹、分层、伤痕等缺陷。

（五）实验步骤

1．熟悉万能材料试验机的结构，操作规程和注意事项。

2．用游标卡尺测量试样的长、宽和高，精确至0.02mm；

3.电子式万能实验机先预热半小时，调整机器，设定相应的实验参数，静态压缩最大载荷选用25KN的档位；下压速度选用5mm/min。

4．测试条件的各项参数设定完毕之后，放上已经准备好的标准样品，确定实验所用样品放在两压板之间，使试样的中心线与两压板表面的中心线重合，使压板表面与试样的端面相接触，并确保试样端面与压板表面相平行，作为测试压缩变形的零点；启动下降按钮，实验机压头以5mm/min的速度下移，当压头接触到试样后，计算机开始自动记录试样所受的实际载荷及其产生的位移数据；直至试样断裂为止，停机。

5．处理数据，作压缩载荷-位移曲线图。

（六）实验报告要求

1．简述实验原理。

2．明确操作步骤和注意事项。

3．做好原始记录。详细记录压缩过程中观察到的现象，结合学到的理论分析现象产生原因（包括试样变形情况，表面和颜色的变化，断裂情况及断面特征等）。

4．作压缩载荷-位移曲线图；计算压缩应力、压缩应变、压缩模量；分析试样的压缩行为。