《工程力學(xué)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 上海海洋大學(xué) 金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)定低碳鋼（如Q235鋼這種典型塑性材料）的下列力學(xué)性能指標(biāo)：下屈服強(qiáng)度Rec（或稱屈服極限、屈服點(diǎn)s）、抗拉強(qiáng)度Rm（或強(qiáng)度極限b）、斷后伸長(zhǎng)率A和斷面收縮率z。2測(cè)定鑄鐵（典型脆性材料）的抗拉強(qiáng)度Rm（或強(qiáng)度極限b）。3觀察塑性與脆性兩種材料在拉伸過程中的各種現(xiàn)象。4比較并分析低碳鋼和鑄鐵的力學(xué)性能特點(diǎn)與斷口破壞特征。二、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備1萬能材料試驗(yàn)機(jī)，拉力試驗(yàn)機(jī)，電子式拉力試驗(yàn)機(jī)。2電子引伸計(jì)。3游標(biāo)卡尺。4試樣劃線器。三、實(shí)驗(yàn)試樣大量實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)時(shí)所用試樣的形狀、尺寸、取樣位置和方向、表面粗糙度等因素，對(duì)其性能測(cè)試結(jié)果都

2、有一定影響。為了使金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果具有符合性與可比性，國(guó)家制訂有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)按照GB/T228-2002 eqv ISO68921998金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法第六章試樣的要求制備試樣。拉伸試樣系由夾持、過渡和平行三部分構(gòu)成。試樣兩端較粗段為夾持部分，其形狀和尺寸可依實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有使用試驗(yàn)機(jī)夾頭情況而定；試樣兩夾持段之間的均勻部分為實(shí)驗(yàn)測(cè)試的平行部分；而夾持與平行二部分之間為過渡部分，通常用圓弧進(jìn)行光滑連接，以減少應(yīng)力集中。拉伸試驗(yàn)可分為機(jī)加工試樣和不經(jīng)機(jī)加工的原狀全截面試樣。通常采用機(jī)加工的圓形截面試樣如圖1（a）所示，亦可采用矩形截面試樣如圖1（b）所示。圖中Lc為試樣平行段長(zhǎng)度，

3、L0為試樣原始標(biāo)距（或稱測(cè)量伸長(zhǎng)變形的工作長(zhǎng)度），d為圓形試樣平行部分的原始直徑，a為矩形試樣平行部分的原始厚度，b為矩形試樣平行部分的原始寬度，S0為試樣平行部分原始橫截面面積，r為過渡弧半徑。拉伸試樣分為比例和非比例標(biāo)距兩種。比例試樣系按公式計(jì)算確定的試樣，式中系數(shù)K通常為5.65或11.3，前者稱為短試樣，后者稱為長(zhǎng)試樣。短試樣的標(biāo)距或L0 = 5d，長(zhǎng)試樣的標(biāo)距為或L0 = 10d，一般都采用短比例標(biāo)距試樣。對(duì)非比例標(biāo)距試樣的原始標(biāo)距L0與原始橫截面面積S0之間無上述公式表達(dá)的比例關(guān)系，可根據(jù)GB-T 29751998和ISO 3771997鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置和試樣制備的要

4、求或金屬產(chǎn)品供需雙方商訂的協(xié)議要求來確定。這里摘錄國(guó)標(biāo)中有關(guān)拉伸比例試樣的尺寸參數(shù)和加工尺寸允許偏差分別列入表1、表2、表3中，供讀者參考。圖1 拉伸試樣圖表1 比例試樣試 樣原始標(biāo)距L0/mm原始橫截面積S0/mm2圓形試樣原始直徑d/mm斷后伸長(zhǎng)率%圓形截面長(zhǎng)10078.5410A10.3短50A5.65矩形截面或 其 他長(zhǎng)11.3任意A11.3短5.65A5.65表2 圓形截面比例試樣尺寸（單位：mm）一般尺寸短試樣長(zhǎng)試樣drminL0LcL0Lc2055dL0+d10dL0+d15410463表3 試樣尺寸允許偏差（單位：mm）圓形截面試樣直徑d標(biāo)距部分內(nèi)允許偏差矩形試樣寬度標(biāo)距部分內(nèi)

5、允許偏差d最大與最小直徑bb最大與最小寬度5<10±0.10.021015±0.20.1>10±0.20.052030±0.50.2本實(shí)驗(yàn)采用圓形截面短比例試樣，即L0=5d；亦可采用圓形截面長(zhǎng)比例試樣，即L0=10d。四、實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)GB-T 2282002和ISO 68921998金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法的基本要求，分別簡(jiǎn)要敘述如下： 低碳鋼（Q235鋼）拉伸實(shí)驗(yàn)原理做拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)繪圖裝置及拉伸過程各特征點(diǎn)的示力度盤讀數(shù)或電子拉力試驗(yàn)機(jī)的XY函數(shù)記錄儀，可測(cè)繪出低碳鋼試樣的拉伸圖，即圖2所示的拉力F與伸長(zhǎng)LuL0之

6、間關(guān)系曲線。圖中起始階段呈曲線，是由于試樣頭部在試驗(yàn)機(jī)夾具內(nèi)有輕微滑動(dòng)及試驗(yàn)機(jī)各部分存在間隙等原因造成的。分析時(shí)可將其忽略直接把圖中的直線段延長(zhǎng)與橫坐標(biāo)相交于O點(diǎn)，作為其坐標(biāo)原點(diǎn)。拉伸圖形象地描繪出鋼材的受力變形特征以及各階段受力與變形之間的關(guān)系，但同一種鋼材的拉伸曲線會(huì)因試樣尺寸不同而異。為了使同一種鋼材不同尺寸試樣的拉伸過程及其特性點(diǎn)便于比較，以消除試樣幾何尺寸的影響，可將拉伸曲線圖的縱坐標(biāo)（拉力F）除以試樣的原始橫截面面積S0，并將橫坐標(biāo)（伸長(zhǎng)L）除以試樣的原始標(biāo)距L0，這樣得到的曲線便與試樣尺寸無關(guān)，此曲線稱為應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1-3所示。從曲線上可以看出，它與拉伸圖曲線相似，更清晰表征

7、了鋼材的力學(xué)性能。拉伸實(shí)驗(yàn)過程分為四個(gè)階段如圖2和圖3所示。 Rp比例極限Re彈性極限；ReH上屈服強(qiáng)度；ReL下屈服強(qiáng)度；Rm抗拉強(qiáng)度；Rk斷裂應(yīng)力；A斷裂后伸長(zhǎng)；Ae彈性延伸率Fp比例伸長(zhǎng)力；Fr彈性伸長(zhǎng)力；FeH上屈服力；FeL下屈服力；Fm最大力；Fk斷裂力；Lk斷裂后塑性伸長(zhǎng)；Lc彈性伸長(zhǎng)圖2 低碳鋼試樣拉伸圖 圖3 低碳鋼應(yīng)力延伸率圖（1）彈性階段OA：在此階段中的OP段，其拉力F和伸長(zhǎng)L成正比關(guān)系，表明鋼材的應(yīng)力R與延伸率（或稱應(yīng)變）為線性關(guān)系，完全遵循虎克定律，則OP段稱為線彈性階段。故點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的應(yīng)力RF稱為材料的比例極限，如圖3所示。在此彈性階段內(nèi)可以測(cè)定材料的彈性模量E，它

8、是材料的彈性性質(zhì)優(yōu)劣的重要特征之一。實(shí)驗(yàn)時(shí)如果當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增加達(dá)到A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力Re時(shí)，則應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系不再是線性關(guān)系，但變形仍然是彈性的，即卸除拉力后變形完全消失，這呈現(xiàn)出非線性彈性性質(zhì)。故A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力Re稱為材料的彈性極限，把PA段稱為非線性彈性階段。工程上對(duì)材料的彈性極限（非線性階段）和比例極限（線彈性階段）并不嚴(yán)格區(qū)分，而是把拉力卸掉后，用精密儀器測(cè)定其不能恢復(fù)的塑性應(yīng)變約為0.02%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值界定為規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力（或稱條件彈性極限）Re0.02，它是控制鋼材在彈性變形范圍內(nèi)工作的有效指標(biāo)，在工程上很有實(shí)用價(jià)值。（2）屈服階段AS：當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限繼續(xù)增加達(dá)到鋸齒狀曲

9、線SS時(shí)，示力度盤上的指針暫停轉(zhuǎn)動(dòng)或開始稍微回轉(zhuǎn)并往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)在試樣表面上可看到表征金屬晶體滑移的跡線，大約與試樣軸線成45°方向的螺旋線。這種現(xiàn)象表征試樣在承受的拉力不繼續(xù)增加或稍微減小的情況下卻繼續(xù)伸長(zhǎng)達(dá)到塑性變形發(fā)生，這種現(xiàn)象稱為試樣材料的屈服，其相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力（或屈服強(qiáng)度）。示力度盤的指針首次回轉(zhuǎn)前的最高應(yīng)力ReH稱為上屈服強(qiáng)度，在屈服階段不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低應(yīng)力ReL稱為下屈服強(qiáng)度。由于上屈服強(qiáng)度受試驗(yàn)速率、試樣變形速率和試樣形式等因素的影響不夠穩(wěn)定，而下屈服強(qiáng)度則比較穩(wěn)定，故工程中一般要求準(zhǔn)確測(cè)定下屈服強(qiáng)度ReL作為材料的屈服極限s。其計(jì)算公式為ReL(s

10、) = FeL/S0。如果材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象時(shí)，工程上常用產(chǎn)生規(guī)定殘余延伸率為0.2%時(shí)的應(yīng)力Rr0.2作為規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度，又稱條件屈服極限r(nóng)0.2。屈服強(qiáng)度（或屈服極限）是衡量材料強(qiáng)度性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)要求準(zhǔn)確測(cè)定其屈服強(qiáng)度。（3）強(qiáng)化階段SB：當(dāng)過了屈服階段后，試樣材料因發(fā)生明顯塑性變形，其內(nèi)部晶體組織結(jié)構(gòu)重新得到了排列調(diào)整，其抵抗變形的能力有所增強(qiáng)，隨著拉力的增加，伸長(zhǎng)變形也隨之增加，故拉伸曲線繼續(xù)上凸升高形成SB曲線段，稱為試樣材料的強(qiáng)化階段。在該階段中試樣隨著塑性變形量累積增大，促使材料的力學(xué)性能也發(fā)生變化，即材料的塑性變形性能劣化，材料抵抗變形能力提高，這種特征稱

11、為形變強(qiáng)化或冷作硬化。當(dāng)拉力增加達(dá)到拉伸曲線頂點(diǎn)B時(shí)，示力度盤上的主動(dòng)針開始返回，而被動(dòng)針?biāo)傅淖畲罄镕m，依它求得材料抗拉強(qiáng)度Rm = Fm/S0，它也是衡量材料強(qiáng)度性能優(yōu)劣的又一重要指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)也要準(zhǔn)確測(cè)定其抗拉強(qiáng)度。（4）頸縮和斷裂階段BK：對(duì)于低碳鋼類塑性材料來說，在承受拉力達(dá)Fm以前，試樣發(fā)生的變形在各處基本上是均勻的。但在達(dá)到Fm以后，則變形主要集中于試樣的某一局部區(qū)域，在該區(qū)域處橫截面面積急劇縮小，這種特征就是所謂頸縮現(xiàn)象。試驗(yàn)中圖4 低碳鋼試樣斷口試樣一旦出現(xiàn)“頸縮”，此時(shí)拉力隨即下降，示力度盤上的主動(dòng)針繼續(xù)回轉(zhuǎn)，直至試樣被拉斷，則拉伸曲線由頂點(diǎn)B急劇下降至斷裂點(diǎn)K，故稱曲

12、線BK階段為頸縮和斷裂階段。試樣拉斷后，彈性變形消失，而塑性變形則保留在拉斷的試樣上，其斷口形貌成杯錐狀如圖4所示。利用試樣原始標(biāo)距內(nèi)的殘余變形來計(jì)算材料的斷后伸長(zhǎng)率A和斷面收縮率Z，其計(jì)算公式為：斷后伸長(zhǎng)率 ；斷面收縮率 。式中L0為原始標(biāo)距長(zhǎng)度，S0為原始橫截面面積，Lu為試樣斷裂后標(biāo)距長(zhǎng)度，Su為試樣斷裂后頸縮處最小橫截面面積。圖5 鑄鐵試樣拉伸圖圖6 鑄鐵試樣斷口 鑄鐵拉伸實(shí)驗(yàn)原理對(duì)鑄鐵試樣做拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)繪圖裝置可繪出鑄鐵試樣的拉伸圖，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)表明，在整個(gè)拉伸過程中試樣變形很小，無屈服和頸縮現(xiàn)象，拉伸圖上無明顯直線段，拉伸曲線很快達(dá)到最大拉力Fm，試樣突然發(fā)生斷

13、裂，其斷口平齊粗糙，是一種典型的脆性破壞斷口如圖6所示。其抗拉強(qiáng)度（或強(qiáng)度極限）Rm = Fm/S0，它遠(yuǎn)小于低碳鋼材料的抗拉強(qiáng)度。五、實(shí)驗(yàn)步驟1根據(jù)試樣的形狀、尺寸和預(yù)估材料的抗拉強(qiáng)度來估算最大拉力，并使此力位于試驗(yàn)機(jī)示力度盤量程的40%80%內(nèi)，以選擇合適的示力度盤和相應(yīng)的擺錘。然后選用與試樣頭部相適應(yīng)的夾具，以使試樣安裝在試驗(yàn)機(jī)上時(shí)夾持牢固。2用細(xì)砂紙打磨低碳鋼試樣表面，使之光亮潔凈。在試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度L0范圍內(nèi)，用試樣劃線器細(xì)劃等分10個(gè)分格線，標(biāo)距端點(diǎn)可做上顏色標(biāo)記，對(duì)原始標(biāo)距的標(biāo)記應(yīng)準(zhǔn)確到±1%，以便觀察標(biāo)距范圍內(nèi)沿軸向變形和晶體滑移跡線的情況，也便于試樣斷裂后測(cè)定斷后

14、伸長(zhǎng)率。3根據(jù)GB/T 2282002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法中第7章的規(guī)定，測(cè)定試樣原始橫截面面積。本次實(shí)驗(yàn)采用圓形截面試樣，應(yīng)在標(biāo)距的兩端及中間處的兩個(gè)相互垂直的方向上各測(cè)一次橫截面直徑d，取其算術(shù)平均值，選用三處中平均直徑最小值，并以此值計(jì)算橫截面面積S0，其S0 =d2/4。該計(jì)算值修約到四位有效數(shù)字（取五位有效數(shù)字）。4安裝試樣，可快速調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的夾頭位置，將試樣先夾持在上夾頭中，再把測(cè)力指針調(diào)零，隨動(dòng)指針靠上；再升起下夾頭，將試樣夾牢并使之鉛直；并將試驗(yàn)機(jī)上自動(dòng)繪圖裝置及繪圖紙調(diào)整好，使試樣處于完好待實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后即可開始實(shí)驗(yàn)。5在加載實(shí)驗(yàn)過程中，總的要求應(yīng)是緩慢、均勻

15、、連續(xù)地進(jìn)行加載。對(duì)低碳鋼試樣，測(cè)定下屈服強(qiáng)度ReL，在試樣平行長(zhǎng)度的屈服期間其應(yīng)變速率應(yīng)在0.00025/S0.0025/S之間，試驗(yàn)中平行長(zhǎng)度內(nèi)的應(yīng)變速率應(yīng)盡可能保持恒定；測(cè)定抗拉強(qiáng)度Rm時(shí)，試樣平行長(zhǎng)度的應(yīng)變速率不應(yīng)超過0.008/S。在上述規(guī)定的應(yīng)變速率的范圍內(nèi)選擇確定一適宜的試驗(yàn)速率。對(duì)于鑄鐵試樣，測(cè)定抗拉強(qiáng)度Rm時(shí)，試樣平行長(zhǎng)度的應(yīng)力速率不應(yīng)超過6N/mm2·S-1。6在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)低碳鋼試樣，要注意觀察拉伸過程四個(gè)特征階段中的各種現(xiàn)象，記下示力度盤上指針首次停止時(shí)的上屈服點(diǎn)力FeH值、主動(dòng)針往復(fù)回轉(zhuǎn)所指示下屈服點(diǎn)力FeL值和最大力Fm值。對(duì)于鑄鐵試樣，記下示力度盤上最大力

16、Fm值。當(dāng)試樣被拉斷后立即停機(jī)，并取下試樣觀測(cè)。7對(duì)于拉斷后的低碳鋼試樣，要分別量測(cè)斷裂后的標(biāo)距Lu和頸縮處的最小直徑du。按照GB/T 2282002中的規(guī)定測(cè)定Lu時(shí)，將試樣斷裂后的兩段在斷口處緊密地對(duì)接起來，盡量使其軸線位于一條直線上，直接測(cè)量原始標(biāo)距兩端的距離即得Lu值。如果斷口處到最鄰近標(biāo)距端點(diǎn)的距離小于或等于（1/3）L0時(shí)，則需要用GB/T 2282002中附錄F移位方法測(cè)定斷后伸長(zhǎng)率的方法來計(jì)算試樣斷后伸長(zhǎng)率。如圖7所示，試驗(yàn)前將試樣原始標(biāo)距L0細(xì)分為N（例如10）等分，在試驗(yàn)后，以符號(hào)X表示斷裂后試樣短段的標(biāo)距標(biāo)記，以符號(hào)Y表示斷裂試樣長(zhǎng)段的等分標(biāo)記，此標(biāo)記與斷裂處的距離最接

17、近于斷裂處至標(biāo)距標(biāo)記X的距離。如X與Y之間的分格數(shù)為n，可按下述情況分別測(cè)定斷后伸長(zhǎng)率：圖7 移位方法的圖示說明（1）若N-n為偶數(shù)時(shí)如圖7a所示，測(cè)量X與Y之間的距離和測(cè)量從Y至距離為（Nn）個(gè)分格的Z標(biāo)記之間的距離，則計(jì)算斷裂伸長(zhǎng)率公式為（2）若N-n為奇數(shù)時(shí)如圖7b所示，測(cè)量X與Y之間的距離，和測(cè)量從Y至距離分別為（Nn1）和（Nn + 1）個(gè)分格的Z和Z標(biāo)記之間的距離，則計(jì)算斷裂伸長(zhǎng)率公式為8拉伸實(shí)驗(yàn)的記錄表格形式如表4和表5所示。表4 試驗(yàn)前試樣尺寸材 料原始標(biāo)距L0/mm原始直徑d/mm原始橫截面面積S0/mm2截面截面截面（1）（2）平均（1）（2）平均（1）（2）平均低碳鋼鑄

18、鐵表5 試驗(yàn)后試樣尺寸斷裂后標(biāo)距長(zhǎng)度Lu/mm斷口（頸縮）處最小直徑du/mm斷口處最小橫截面面積Su/mm2（1）（2）平均試樣斷裂后簡(jiǎn)圖低碳鋼鑄 鐵六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的數(shù)據(jù)，可分別計(jì)算出材料的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)。1低碳鋼強(qiáng)度指標(biāo)：上屈服強(qiáng)度：ReH = FeH/S0， 下屈服強(qiáng)度：ReL = FeL/S0， 抗拉強(qiáng)度：Rm = Fm/S0。 塑性指標(biāo)：斷后伸長(zhǎng)率： 斷面收縮率： 2鑄鐵強(qiáng)度指標(biāo)抗拉強(qiáng)度：Rm = Fm/s0 3繪出拉伸過程中的F-L曲線，對(duì)實(shí)驗(yàn)中觀察到的各種現(xiàn)象進(jìn)行分析比較，并寫入實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。對(duì)于上述實(shí)驗(yàn)中的原始數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)要進(jìn)行修約，以便使整理出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

19、資料簡(jiǎn)明、清晰。具體修約的數(shù)據(jù)內(nèi)容按照GB/T 81701987數(shù)值修約規(guī)則的規(guī)定處理。對(duì)于試樣原始橫截面面積的計(jì)算應(yīng)修約到四位有效數(shù)字；對(duì)于短比例試樣的原始標(biāo)距計(jì)算值應(yīng)修約到最接近5mm的倍數(shù)；對(duì)于長(zhǎng)比例試樣的原始標(biāo)距計(jì)算值應(yīng)修約到最接近10mm的倍數(shù)，如為中間數(shù)值則向較大一方修約；對(duì)于所測(cè)定性能數(shù)值的修約按表6規(guī)定執(zhí)行。表6 性能數(shù)值修約測(cè) 試 項(xiàng) 目范 圍修約到RF、Re、Rr、ReH、ReL、Rm200N/mm2>2001000N/mm2>1000N/mm21N/mm25N/mm210N/mm2A10%>10%0.5%1.0%Z25%>25%0.5%1.0%金屬

20、材料壓縮實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)定低碳鋼壓縮時(shí)的下屈服強(qiáng)度ReL（或屈服極限s）；2測(cè)定鑄鐵壓縮時(shí)的抗壓強(qiáng)度Rm（或抗壓強(qiáng)度極限b）；3觀察并比較低碳鋼和鑄鐵在壓縮時(shí)的縮短變形和破壞現(xiàn)象。二、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備1萬能材料試驗(yàn)機(jī)；2游標(biāo)卡尺。三、實(shí)驗(yàn)試樣對(duì)于低碳鋼和鑄鐵類金屬材料，按照GB 73141987金屬壓縮試驗(yàn)方法的規(guī)定，金屬材料的壓縮試樣多采用圓柱體如圖8所示。試樣的長(zhǎng)度L一般為直徑d的2.53.5倍，其直徑d = 10mm20mm。也可采用正方形柱體試樣如圖9所示。要求試樣端面應(yīng)盡量光滑，以減小摩阻力對(duì)橫向變形的影響。 圖8 圓柱體試樣 圖 9 正方形柱體試樣四、實(shí)驗(yàn)原理低碳鋼：以低碳鋼為代

21、表的塑性材料，軸向壓縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的橫向變形，但由于試樣兩端面與試驗(yàn)機(jī)支承墊板間存在摩擦力，約束了這種橫向變形，故試樣出現(xiàn)顯著的鼓脹效應(yīng)如圖10所示。為了減小鼓脹效應(yīng)的影響，通常的做法是除了將試樣端面制作得光滑以外，還可在端面涂上潤(rùn)滑劑以利最大限度地減小摩擦力。低碳鋼試樣的壓縮曲線如圖11所示，由于試樣越壓越扁，則橫截面面積不斷增大，試樣抗壓能力也隨之提高，故曲線是持續(xù)上升為很陡的曲線。從壓縮曲線上可看出，塑性材料受壓時(shí)在彈性階段的比例極限、彈性模量和屈服階段的屈服點(diǎn)（下屈服強(qiáng)度）同拉伸時(shí)是相同的。但壓縮試驗(yàn)過程中到達(dá)屈服階段時(shí)不像拉伸試驗(yàn)時(shí)那樣明顯，因此要認(rèn)真仔細(xì)觀察才能確定屈服荷載FeL，

22、從而得到壓縮時(shí)的屈服點(diǎn)強(qiáng)度（或下屈服強(qiáng)度）ReL = FeL/S0。由于低碳鋼類塑性材料不會(huì)發(fā)生壓縮破裂，因此，一般不測(cè)定其抗壓強(qiáng)度（或強(qiáng)度極限）Rm，而通常認(rèn)為抗壓強(qiáng)度等于抗拉強(qiáng)度。 圖10 低碳鋼壓縮時(shí)的鼓脹效應(yīng) 圖11 低碳鋼壓縮曲線鑄鐵：對(duì)鑄鐵類脆性金屬材料，壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)利用試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)繪圖裝置，可繪出鑄鐵試樣壓縮曲線如圖12所示，由于軸向壓縮塑性變形較小，呈現(xiàn)出上凸的光滑曲線，壓縮圖上無明顯直線段、無屈服現(xiàn)象，壓縮曲線較快達(dá)到最大壓力Fm ,試樣就突然發(fā)生破裂。將壓縮曲線上最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓力值 Fm 除以原試樣橫截面面積S0，即得鑄鐵抗壓強(qiáng)度Rm = Fm / S0。在壓縮實(shí)驗(yàn)過程中，

23、當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，試樣在與軸線大約45°55°的方向上發(fā)生破裂如圖13所示，這是由于鑄鐵類脆性材料的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，從而使試樣被剪斷所致。 圖12 鑄鐵壓縮曲線 圖13 鑄鐵壓縮破壞示意圖五、實(shí)驗(yàn)步驟1用游標(biāo)卡尺在試樣兩端及中間三處兩個(gè)相互垂直方向上測(cè)量直徑，并取其算術(shù)平均值，選用三處中的最小直徑來計(jì)算原始橫截面面積S0。2根據(jù)低碳鋼屈服荷載和鑄鐵最大實(shí)際壓力的估計(jì)值（它應(yīng)是滿量程的40%80%），選擇試驗(yàn)機(jī)及其示力度盤，并調(diào)整其指針對(duì)零。對(duì)試驗(yàn)機(jī)的基本要求，經(jīng)國(guó)家計(jì)量部門定期檢驗(yàn)后應(yīng)達(dá)到1級(jí)或優(yōu)于1級(jí)準(zhǔn)確度，實(shí)驗(yàn)時(shí)所使用力的范圍應(yīng)在檢驗(yàn)范圍內(nèi)。3調(diào)整好試驗(yàn)機(jī)上

24、的自動(dòng)繪圖裝置。4將試樣端面涂上潤(rùn)滑劑后，再將其準(zhǔn)確地置于試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)平臺(tái)的支承墊板中心處。對(duì)上下承壓墊板的平整度，要求100mm應(yīng)小于0.01mm。5調(diào)整好試驗(yàn)機(jī)夾頭間距，當(dāng)試樣端面接近上承壓墊板時(shí)，開始緩慢、均勻加載。在加載實(shí)驗(yàn)過程中，其實(shí)驗(yàn)速度總的要求應(yīng)是緩慢、均勻、連續(xù)地進(jìn)行加載，具體規(guī)定速度為0.50.8MPa/S。6對(duì)于低碳鋼試樣，若將試樣壓成鼓形即可停止實(shí)驗(yàn)。對(duì)于鑄鐵試樣，加載到試樣破裂時(shí)（可聽見響聲）立即停止實(shí)驗(yàn)，以免試樣進(jìn)一步被壓碎。7做鑄鐵試樣壓縮時(shí)，注意在試樣周圍安放防護(hù)網(wǎng)，以防試樣破裂時(shí)碎碴飛出傷人。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的數(shù)據(jù)，可分別計(jì)算出低碳鋼和鑄鐵的強(qiáng)度性能指

25、標(biāo)，并按前述拉伸實(shí)驗(yàn)中表1-6規(guī)定進(jìn)行修約。1低碳鋼的下屈服強(qiáng)度（或屈服極限s）指標(biāo) ReL = FeL/S0 2鑄鐵的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)Rm = Fm/S0 圓軸扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)定碳鋼的切變屈服點(diǎn)（剪切屈服極限）s或下屈服點(diǎn)ST、抗扭強(qiáng)度（剪切強(qiáng)度極限）b。2測(cè)定鑄鐵的抗扭強(qiáng)度b。3觀察、比較和分析上述兩種典型材料受扭轉(zhuǎn)時(shí)的變形和破壞等現(xiàn)象。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)；2游標(biāo)卡尺。三、試樣制備根據(jù)GB10128-88金屬室溫扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法中的規(guī)定，金屬扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)所用試樣為圓形截面，推薦采用直徑為10mm，標(biāo)距L0分別為50mm和100mm，平行長(zhǎng)度Lc分別為70mm和120mm的試樣。其頭部形狀

26、和尺寸應(yīng)按試驗(yàn)機(jī)夾頭要求制備。如采用其他直徑的試樣，其平行長(zhǎng)度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍直徑。扭轉(zhuǎn)試樣的形狀和尺寸以及加工精度見圖14。圖14 圓形截面扭轉(zhuǎn)試樣四、實(shí)驗(yàn)原理圓軸承受扭轉(zhuǎn)時(shí)，材料處于純剪應(yīng)力狀態(tài)。因此常用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)來研究不同材料在純剪作用下的力學(xué)性質(zhì)，這對(duì)于工程中的構(gòu)件的合理設(shè)計(jì)和選材是十分重要的。1低碳鋼試樣的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)全過程，由試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)繪圖器繪出其扭矩T和扭轉(zhuǎn)角ø的關(guān)系曲線，如圖15所示。由該圖知，在彈性變形OA直線段，試樣橫截面上的扭矩與扭轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系，其上的剪應(yīng)力亦呈線性分布，即截面最外緣的剪應(yīng)力最大，中心的剪應(yīng)力幾乎為零，如圖16（a）所示，在這個(gè)階段材料服從切變虎克定

27、律，并可測(cè)定切變模量G。AB段為曲線部分。它表明這階段扭矩和扭轉(zhuǎn)角不再成正比關(guān)系，橫截面上剪應(yīng)力的分布也不再是線性的，最外緣的剪應(yīng)力首先達(dá)到剪切屈服極限，塑性區(qū)由外向里擴(kuò)展，而形成環(huán)狀塑性區(qū)和截面中部未屈服的彈性區(qū)，如圖16（b）所示。隨著試樣繼續(xù)扭轉(zhuǎn)變形，塑性區(qū)不斷向圓心擴(kuò)展，T-ø曲線稍微上升，直至B點(diǎn)趨于平坦，這時(shí)塑性區(qū)幾乎占據(jù)了全部截面，剪應(yīng)力趨于均勻分布如圖16（c）所示。扭矩度盤上的指針幾乎不動(dòng)，此時(shí)與之對(duì)應(yīng)的扭矩為屈服扭矩Ts如圖15（a）；另一種情況，屈服階段為鋸齒狀曲線。度盤指針首次下降前的最大扭矩為上屈服扭矩Tsu，屈服階段中最小扭矩為下屈服扭矩TSL，如圖15（

28、b）本次試驗(yàn)測(cè)定屈服扭矩或下屈服扭矩。根據(jù)測(cè)定的屈服扭矩或下屈服扭矩按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算剪應(yīng)力，即屈服點(diǎn)或下屈服點(diǎn)為：s = Ts/WT或SL = TSL/WT，其中WT為抗扭截面模量。試樣再繼續(xù)變形，材料進(jìn)一步強(qiáng)化，到達(dá)T-ø曲線上的C點(diǎn)，試件發(fā)生斷裂。由扭矩度盤上的隨動(dòng)指針讀出試樣扭斷前所承受的最大扭矩Tb，按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算抗扭強(qiáng)度b = Tb/WT。若要測(cè)定真實(shí)規(guī)定非比例扭轉(zhuǎn)應(yīng)力tp與真實(shí)抗扭強(qiáng)度tb按劉德維克-卡曼公式計(jì)算。具體方法見GB10128-88標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。 圖15 低碳鋼的T-ø曲線圖（a）Tn<Tp的剪應(yīng)力分布（b）Ts>Tn>Tp時(shí)

29、的剪應(yīng)力分布（c）Tn=Ts時(shí)的剪應(yīng)力分布圖16 低碳鋼圓軸在不同扭矩下剪應(yīng)力分布圖2鑄鐵試樣扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，其扭矩T和扭轉(zhuǎn)角ø關(guān)系如圖18所示。從該圖可以看出，試樣從開始受扭直至破壞，近似為一斜直線，即無屈服現(xiàn)象，扭轉(zhuǎn)角很小，破壞是突然發(fā)生的，破壞處在與試樣軸線約成45°角的螺旋面上。其最大扭矩為Tb，按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算抗扭強(qiáng)度b = Tb/WT。上述扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)要求在室溫1035條件下進(jìn)行。3試樣受扭時(shí)，材料處于純剪應(yīng)力狀態(tài)如圖18所示。在與試樣軸線成45°角的螺旋面上分別有主應(yīng)力1=和2=的作用，由于低碳鋼的抗扭強(qiáng)度小于抗拉強(qiáng)度，所以沿其橫截面被剪斷，斷口平齊。而鑄

30、鐵的抗拉強(qiáng)度小于抗扭強(qiáng)度，故沿其45°方向被拉斷，斷口成一螺旋面。如圖1-24所示。圖17 鑄鐵的T-ø圖 圖18 純剪應(yīng)力狀態(tài) 圖19 受扭試樣斷口五、試驗(yàn)步驟1測(cè)量試樣直徑。在標(biāo)距兩端及其中間處兩個(gè)相互垂直方向上各測(cè)一次直徑，并取其算術(shù)平均值，取三處測(cè)得直徑的算術(shù)平均值中的最小值計(jì)算試樣截面模量WT。2估計(jì)試樣的最終扭矩Tp，選擇合適的扭矩度盤，調(diào)整扭矩度盤指針對(duì)零點(diǎn)，裝好繪圖紙并選擇扭轉(zhuǎn)速度：屈服前應(yīng)在（6°30°）/min范圍內(nèi)，屈服后不大于360°/min，速度的改變應(yīng)無沖擊。3安裝試樣，用粉筆在試樣表面劃一條平行于試樣軸線的直線，以

31、便觀察受扭時(shí)的變形。4進(jìn)行試驗(yàn)，觀察試樣在扭轉(zhuǎn)過程中的各種現(xiàn)象。并記下試樣扭轉(zhuǎn)屈服時(shí)的扭矩Ts和破壞時(shí)的最大扭矩Tb，直至試樣斷裂。5取下試樣。觀察比較斷口，分析破壞原因。6將試驗(yàn)機(jī)復(fù)原，結(jié)束試驗(yàn)。六、試驗(yàn)結(jié)果整理1根據(jù)測(cè)定碳鋼和鑄鐵的扭矩，按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算切應(yīng)力，并將試驗(yàn)結(jié)果填入表7。碳鋼切變強(qiáng)度指標(biāo)：s = Ts/W或SL = TSL/WT， b = Tb/WT。 鑄鐵切變強(qiáng)度指標(biāo)：b = Tb/WT。 表7 試驗(yàn)結(jié)果材料直徑d0/mm抗扭截面模量WT/mm3屈服扭矩Ts/kN·m屈服點(diǎn)s/MPa最大扭矩Tb/kN·m抗扭強(qiáng)度b/MPa截面I截面II截面III低碳鋼鑄

32、 鐵七、思考題1低碳鋼拉伸或扭轉(zhuǎn)的斷裂形式是否一樣？分析其破壞原因。2鑄鐵在壓縮和扭轉(zhuǎn)時(shí)，其斷口都與試樣軸線成45°左右，破壞原因是否相同？3試根據(jù)拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)三種試驗(yàn)結(jié)果，綜合分析低碳鋼與鑄鐵的力學(xué)性能。4為什么用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)來測(cè)定材料在純剪應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)而不用直接剪切試驗(yàn)？純彎曲梁的正應(yīng)力電測(cè)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?用電測(cè)法測(cè)量單一材料的矩形截面梁在純彎曲狀態(tài)時(shí)其橫截面上正應(yīng)力的大小及分布規(guī)律，并與理論計(jì)算值比較，從而驗(yàn)證梁的彎曲正應(yīng)力理論公式。2初步掌握電測(cè)法原理和靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的使用方法。二、實(shí)驗(yàn)裝置和儀器1純彎曲實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)采用低碳鋼或中碳鋼制成的矩形截面梁，測(cè)試其正應(yīng)力

33、分布規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置如圖20（a）所示，所加的砝碼重量通過杠桿以一定的放大比例作用于加載輔梁的中央，設(shè)作用于輔梁中央的載荷為F，由于載荷對(duì)稱，支承條件對(duì)稱，則通過兩個(gè)掛桿作用于待測(cè)梁上C、D處的載荷各為F/2。由待測(cè)梁的內(nèi)力圖可知CD段上的剪力Q=0，彎矩為一常量M=，即梁的CD段處于純彎曲狀態(tài)。圖20 彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)裝置及試樣貼片位置圖2靜態(tài)電阻應(yīng)變儀3游標(biāo)卡尺、鋼直尺三、實(shí)驗(yàn)原理由于矩形截面梁的CD段處于純彎曲狀態(tài)，當(dāng)梁發(fā)生變形其橫截面保持平面的假設(shè)成立，又可將梁視作由一層一層的縱向纖維疊合而成且假設(shè)縱向纖維間無擠壓作用，此時(shí)純彎曲梁上的各點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)，且彎曲正應(yīng)力的方向平行于梁的軸線方向，所以若要測(cè)量純彎曲狀態(tài)下梁的橫截面上的正應(yīng)力的分布規(guī)律，可在梁的CD段任一截面上沿不同高度處平行于梁的軸線方向布設(shè)若干枚電阻應(yīng)變計(jì)，為簡(jiǎn)便計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)的布片方案如圖20（b）所示，一枚布設(shè)在梁的中性層上，其余四枚分別布設(shè)在距中性層h/4或h/2處（h為梁矩形截面的高度），此外還布設(shè)了一枚溫度補(bǔ)償片。當(dāng)梁受載后，電阻應(yīng)變計(jì)隨梁的彎曲變形而產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短，使自身的電阻改變。通過力學(xué)量的電測(cè)法原理，利用電阻應(yīng)變儀即可測(cè)出梁橫截面上各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值實(shí)。由于本實(shí)驗(yàn)梁的變形控制在線彈性范圍內(nèi)，所以依據(jù)單向虎克定律即可求解相應(yīng)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，