1、实验一 低碳钢、铸铁的拉伸实验 拉压实验是材料的力学性能实验中最基本最重要的实验，是工程上广泛使用的测定材料力学性能的方法之一。 一、实验目的： 1、了解万能材料试验机的结构及工作原理，熟悉其操作规程及正确使用方法。 2、通过实验，观察低碳钢和铸铁在拉伸时的变形规律和破坏现象，并进行比较。 3、测定低碳钢拉伸时的屈服极限 s、强度极限 b、延伸率和截面收缩率，铸铁拉伸时的强度极限 b。 二、实验设备及试样 1、万能材料试验机 2、游标卡尺 3、钢直尺 4、拉伸试样： 图 2.7 拉伸试样 由于试 样的形状和尺寸对实验结果有一定影响，为便于互相比较，应按统一规定加工成标准试样。图 2.7 分别表
2、示横截面为圆形和矩形的拉伸试样。 L0 是测量试样伸长的长度，称为原始标距。按现行国家 GB6397-86 的规定，拉 伸试样分为比例试样和非比例试样两种。比例试样的标距 L0 与原始横截面 A0 的关系规定为 00 AkL （ 2.2） 式中系数 k 的值取为 5.65 时称为短试样，取为 11.3 时称为长试样。对直径 d0 的圆截面短试样，00 65.5 AL =5d0 ；对长试样， 000 103.11 dAL 。本实验室采用的是长试样。非比例试样的 L0和 A0 不受上列关系的限制。试样的表面粗糙度应符合国标规定。在图 2.7 中，尺寸称为试样的平行长度，圆截面试样不小于 0 d0；
3、矩形截面试样不小于 0 b0/2。为保证由平行长度到试样头部的缓和过渡，要有足够大的过渡圆弧半径。试样头部的形状和尺寸，与试验机的夹具结构有关，图 2.7 所示适用于楔形夹具。这时，试样头部长度不小于楔形夹具长 度的三分之二。 三、实验原理及方法 常温下的拉伸实验是测定材料力学性能的基本实验。可用以测定弹性和，比例极限 p，屈服极限 s（或规定非比例伸长应力），抗拉强度 b，断后伸长率和截面收缩率等。这些力学性能指标都是工程设计的重要依据。 1、低碳钢拉伸实验 1）、屈服极限 s 及抗拉强度 b 的测定 对低碳钢拉伸试样加载，当到达屈服阶段时，低碳钢的曲线呈锯齿形（图 2.8）。与最高载荷 s
4、u 对应的应力称为上屈服点，它受变形速度和试样形状的影响，一般不作为强度指标。同样，载荷首次下降的最低点（初 始瞬时效应）也不作为强度指标。一般将初始瞬时效应以后的最低载荷 sl，除以试样的初始横截面面积 0，作为屈服极限 s，即 s0APsl （ 2.3） 若试验机由示力度盘和指针指示载荷，则在进入屈服阶段 后，示力指针停止前进，并开始倒退，这时应注意指针的波动情况， 捕捉指针所指的最低载荷 Psl。 屈服阶段过后，进入强化阶段，试样又恢复了抵抗继 续变形的能力（图 2.8）。载荷到达最大值 Pb 时，试样某一局部 的截面明显缩小，出现“缩颈”现象。这时示力度盘的从 动针停 留在 Pb不动，
5、主动针则迅速倒退，表明载荷迅速下降，试样即将被拉断。以试样的初始横截面面积 Ao 除 Pb 得抗拉强度 b，即 0APbb （ 2.4） 2）伸长率及截面收缩率的测定 试样的标距原长为 0，拉断后将两段试样紧密地对接在一起，量出拉断后的标距长为 1，断后伸长率应为 001LLL (2.5) 图 2.9 图 2.9 图 2.9 低碳钢拉伸时的 P- L 曲线 图 2.8 低碳钢拉伸时的 P- L 曲线 断口附近塑性变 形最大，所以 1 的量取与断口的部位有关。如断口发生于 0 的两端或在 0 之外，则实验无效，应重做。若断口距 0 的一端的距离小于或等于 30L （图 2.9），则按下述断移中法
6、测定 0。在拉断后的长段上，由断口处取约等于短段的格数得点，若剩余格数为偶数（图 2.9b），取其中一半得点，设长为 a，长为 b，则 1 a 2b。当长段剩余格数为奇数时（图 2.9c），取剩余格数减后的一半得点，加后的一半得 1 点，设、和 1 的长度分别为 a、 b1 和 b2，则 1 a b1 b2。试样拉断后，设缩颈处的最小横截面面积为 1，由于断口不是规则的圆形，应在两个相互垂直的方向上量取最小截面的直径，以其平均值计算 1，然后按下式计算断面收缩率： 010AAA (2.6) 2、铸铁拉伸实验 铸铁属于脆性材料，拉伸过程中，没有屈服和“颈缩”现象，它的曲线近似一条斜直线（如图 2
7、.10），本实验我们只测铸铁的抗拉强度极限，所以实验结束后，主动针退回零位，从动针所指示的载荷即是 b，代入式 (2.4)计算得出 b。 四、实验步骤 1、测量试样直径 在标距 0 的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算各横截面面积，再以三个横截面面积中的最小值为 0。 图 2.9 断口移中法测 L1 2、试验机准备 根据试样尺寸和材料，估计最大载荷，选择相适应的示力度盘和摆锤重量，需要自动绘图时，事先应将滚筒上的纸和笔装妥。先关闭送油阀和回油阀，再开动油泵电机，待油泵工作正常后，开启送油阀将活动平台上升约 cm，以消除其自重。然后关闭送油阀，调零。 3、安
8、装试样 安装拉伸试样时，对型试验机，可开动下夹头升降电机 以调整下夹头的位置，但不能用下夹头升降电机给试样加载；对型试验机，用横梁升降按钮调整拉压空间。 4、加载 缓慢开启送油阀，给试件平稳加载。应避免油阀开启过大，进油太快。试验进行中，注意不要触动摆杆和摆锤。 5、试验完毕，关闭送油阀，停止油泵工作。 破坏性试验先取下试样，再缓慢打开回油阀将油液放回油箱。非破坏性试验，自然应先开回油阀卸载，才能取下试样。 五、实验数据处理 按有关公式，将实验数据计算出来，其数值遵守表 2.1 的修约规定。有效数以后的数字进位规则见附录。 六、数据分析 对你所得出的数据，作出合理 的分析。 表 2.1 性能指
9、标数值的修约规定 性能 范围 修约到 p s、 p0.2 b 200Mpa 以下 1MPa 200Mpa1000MPa 5MPa 1000 MPa 10MPa 0.5% 0.5% 六、问题讨论 试比较低碳钢和铸铁拉伸时的力学性能有什么不同。 实验二 低碳钢、铸铁压缩演示实验 一、实验目的： 1、进一步了解万能材料试验机的结构及工作原理，熟悉其操作规程及正确使用方法。 2、通过演示，观察低碳钢和铸铁在压缩时的变形规律和破坏现象，并 进行比较。 3、测定低碳钢压缩时的屈服极限 s；铸铁压缩时的强度极限 b。 二、实验设备及试样 1、万能材料试验机 2、游标卡尺 3、钢直尺 4、压缩试样： 压缩试样
10、通常为圆柱形，也分短、长两种（图 2.11示）。试样受压时，两端面与试验机垫板间的摩擦力约束试样的横向变形，影响试样的强度。随着比值 h0/d0的增大，上述摩擦力对试样中部的影响减弱。但比值h0/d0 也不能过大，否则将引起失稳。测定材料抗压强度的短试样（图 2.11a 示），通常规定 h0/d0 3。至于图2.11b 所示长试样，多用于测定钢 、铜等材料的弹性常数、及比例极限和屈服极限等。 三、实验原理及方法 3、铸铁的压缩实验 ： 铸铁的压缩实验与拉伸实验的试验曲线形状很相似（如图 2.10）。铸铁压缩时，破坏断口会沿 450550 左右斜截面断裂，此时，主动针会回到零点，从动针停在原位置
11、不动，记录下载荷 b，代入式 (2.4)计算得出铸铁的抗压强度极限 b。 4、低碳钢的压缩实验： 低碳钢压缩时，其曲线如 图 2.12，到达屈服时，主动针会停顿甚至倒退，此时记录下屈服载荷 s，则有： 0APss 此即低碳钢 压缩时的屈服极限。继续施加载荷，试样会越压越扁，但始终测不到 P b 。 四、实验步骤 图 2.12 低碳钢压缩 P- L 曲线 图 2.11 压缩试样 1、测量试样直径 在试样中部位置上，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算其横截面面积 0。 2、试验机准备 根据试样尺寸和材料，估计最大载荷，选择相适应的示力度盘和摆锤重量，需要自动绘图时，事先应将滚筒上的
12、纸和笔装妥。先关闭送油阀和回油阀，再开动油泵电机，待油泵工作正常后，开启送油阀将活动平台上升约 cm，以消除其自重。然后关闭送油阀，调零。 3、安装试样 直接将压缩试样放于工作台上，上升工作台，使试样与上 、下垫板几乎接触为止。 4、加载 缓慢开启送油阀，给试件平稳加载。应避免油阀开启过大，进油太快。试验进行中，注意不要触动摆杆和摆锤。 5、试验完毕，关闭送油阀，停止油泵工作。 应先开回油阀回油、卸载，才能取下试样。 五、实验数据处理及分析 参照拉伸实验 六、问题讨论 1、铸铁压缩时沿 450550斜面断裂，表明导致破坏的原因是什么？ 2、低碳钢压缩时能否得到强度极限 b？ 实验三 低碳钢弹性
13、模量 E 的测定 一、实验目的 1、进一步熟练掌握万能材料试验机的操作规程及使用方法。 2、验 证胡克定律，测定低碳钢的弹性模量。 3、熟悉球铰式引伸仪的使用方法。 二、设备及试样 1、万能材料试验机 2、球铰式引伸仪 3、游标卡尺 4、低碳钢拉伸试样（倍试样） 三、实验原理及方法 弹性模量是应力低于比例极限时应力与应变的比值，即 LAPLE 0 0（ 2.7） 可见，在比例极限内，对试样施加拉伸载荷，并测出标距 o 的相应伸长，即可求得弹性模量。在弹性变形阶段内试样的变形很小，测量变形需用放大倍数为 2000 倍（分度值为 1/2000mm）的球铰式引伸仪 。 为检查载荷与变形的关系是否符合
14、胡克定律，减少测量误差，试验一般采用等增量法加载，即把载荷分成若干相等的加载等级（图 2.13），然后逐级加载。为保证应力不超出比例极限，加载前先估算出试样的屈服载荷，以屈服载荷的作为测定弹性模量的最高载荷 n。此外，为使试验机夹紧试样，消除引伸仪和试验机机构的间隙，以及开始阶段引伸仪刀刃在试样上的可能滑动，对试样应施加一个初载荷 0，可取为 n 的。从 0 到 n将载荷分成 n 级，且不小于，于是 nPPn 0 （ n 5） 例如，若低碳钢的屈服极限 s=235MPa，试样直径 do=10mm，则 Pn=41 do s 80%=14800N（取为 15KN） P0=Pn 10%=1.5KN
15、实验时，从 P0 到 Pn 逐级加载，载荷的每级增量为 P。对应着每个载荷 Pi（ I=1,2,3, ,n），记录下相应的伸长 Li， Li+1 与 Li 的差值即为变形增量 ( L)i,它是 P 引起的伸长增量。在逐级加载中，若得到的图 2.13 图 2.13 各级 ( L)i 基本相等 ,就表明 L 与 P 成线性关系，符合 胡克定律 .完成一次加载过程 ,将得到 Pi 和 Li的一组数据，按 线性拟合法 求得 0022)( AlLPnLP PnPEiiiiii (2.8) 上式的推导详见附录 ,这里不再复述。 除用线性拟合法确定 E 外 ,还可用下述 弹性模量平均法 .对应于每一个 (
16、L)i ,由公式 可以求得相应的 Ei为 ， 21)(0 0 iLA LPE ii ,n (2.9) n 个 Ei的算术平均值 E=iEn1(2.10) 即为材料的弹性模量。 四、实验步骤 1、测量试样尺寸 在标距为 Lo 的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算每个横截面面积，取三者中的最小值计算公式中的 Ao。 2、试验机准备 根据估计的最大载荷，选择合适的示力度盘和相应的摆锤，并按试验机的操作规程进行操作。 3、安装试样及引伸仪。 4、进行预拉 为检查机器和仪表是否处 于正常状态，先把载荷预加到测定 E 的最高载荷 Pn，然后卸载到 0Po 之间。 5、
17、加载 加载按等增量法进行，应保持加载的均匀、缓慢，并随时检查是否符合胡克定律。载荷增加到 Pn 后卸载。测定 E 的试验应重复三次。 6、实验完毕，卸载取下引伸仪。 五、实验数据处理 1、用直线拟合法测定 E 在测定弹性模量所得的几组数据中，选取线性相关性较好的一组数据 Pi、 Li，拟合为直线。按附录的公式（ .6）和（ .7）计算相关系数，并按公式（ 2.8）计算弹性模量 E。 2、用弹性模量平均法测定 E 利用上述数据组 ，按公式（ 2. 9）求出 Ei，然后由公式（ 2.10）计算E。 3、弹性模量一般取三位有效数。 六、思考题 1、测定 E 时，为何要加初载荷 Po?并限制最高载荷
18、Pn? 2、使用增量法加载的目的是什么？ 图 2.18 扭转试样 实验四 扭转实验 工程实际中，有很多构件，如各种机器的轴类零件、弹簧、钻杆等都承受扭转变形。材料在扭转变形下的力学性能，如切变模量 G、剪切屈服极限 s 和剪切强度极限 b 等，都是进行扭转强度和刚度计算的重要依据。此外，由扭转变形得到的纯切应力状态，是拉伸以外的又一重要应力状态，对研究材料的强度有着重要意义。 一、 实验目的 1、了解扭转试验机的结构和工作原理，掌握其正确使用方法。 2、测定低碳钢的剪切屈服极限 s，低碳钢和铸铁的剪切强度极限 b 3、比较低碳钢和铸铁受扭时的变形规律及其破坏特征。 二、设备及试样 1、扭转试验
19、机 2、游标卡尺 3、试样 扭转试样一般为圆截面试样（图 2.18）。 L 为平行长度。在低碳钢试样表面上画上两条纵向线和两圈圆周线，以便观察扭转变形。 三、实验原理及方法 1、低碳测定钢剪切屈服极限 s 和剪切强度极限 b 在比例极限内 ， T 与成线性关系。横截面上切应力沿半径线性分布如图 2.19a 所示。随着 T 的增大，横截面边缘处的切应力首先到达剪切屈服极限 s，而且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区（图 2.19b）。但中心部分仍然是弹性的，所以 T 仍可增加， T 和 的关系成为曲线。直到整个截面几乎都是塑性区（图 2.19 c ），在 上出现屈服平台（图 .），示力度盘的指
20、针基本不动或轻微摆动，相应的扭矩为 Ts。如认为这时整个圆截面皆为塑性区，则 Ts 与 s 的关系为 tsssts WTWT 4334 或 （ 2.11） 式中 163dWt 为抗扭截面系数。 过屈服阶段后，材料的强化使扭矩又有缓慢上升（如图 2.20），但变形非常显著，试样的纵向画线变成螺旋线。直到扭矩到达极限值 Tb，试样被扭断。与 Tb相应的剪切强度极限 b 仍约定由公式（ 2.11）计算，即 tbb WT43 图 2.19 图 2.20 低碳钢扭转 T 曲线 图 2.21 铸铁 扭转 T 曲线 图 . 低碳钢扭转时横截面的切应力分布规律 2、铸铁剪切强度极限 b 的测定 铸铁试样受扭时，变形很小即突然断裂。其 T-图接近直线 如图2.21 所示。如把它作为直线， b 可按线弹性公式计算，即 tbb WT 四、问题讨论 比较低碳钢和铸铁两种试样受扭时的破坏断口，并分析其导致破坏的原因。 实验五 弯曲正应力实验
