實驗一、二拉伸和壓縮實驗

1、實驗一 拉伸和壓縮實驗拉伸和壓縮實驗是測定材料在靜載荷作用下力學(xué)性能的一個最基本的實驗。工礦企業(yè)、研究所一般都用此類方法對材料進(jìn)行出廠檢驗或進(jìn)廠復(fù)檢，通過拉伸和壓縮實驗所測得的力學(xué)性能指標(biāo)，可用于評定材質(zhì)和進(jìn)行強(qiáng)度、剛度計算，因此，對材料進(jìn)行軸向拉伸和壓縮試驗具有工程實際意義。不同材料在拉伸和壓縮過程中表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì)和現(xiàn)象。低碳鋼和鑄鐵分別是典型的塑性材料和脆性材料，因此，本次實驗將選用低碳鋼和鑄鐵分別做拉伸實驗和壓縮實驗。低碳鋼具有良好的塑性，在拉伸試驗中彈性、屈服、強(qiáng)化和頸縮四個階段尤為明顯和清楚。低碳鋼在壓縮試驗中的彈性階段、屈服階段與拉伸試驗基本相同，但最后只能被壓扁而不能被壓斷

2、，無法測定其壓縮強(qiáng)度極限值。因此，一般只對低碳鋼材料進(jìn)行拉伸試驗而不進(jìn)行壓縮試驗。鑄鐵材料受拉時處于脆性狀態(tài)，其破壞是拉應(yīng)力拉斷。鑄鐵壓縮時有明顯的塑性變形，其破壞是由切應(yīng)力引起的，破壞面是沿4555的斜面。鑄鐵材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度。通過鑄鐵壓縮試驗觀察脆性材料的變形過程和破壞方式，并與拉伸結(jié)果進(jìn)行比較，可以分析不同應(yīng)力狀態(tài)對材料強(qiáng)度、塑性的影響。一、 實驗?zāi)康?1測定低碳鋼的屈服極限（包括、），強(qiáng)度極限，斷后伸長率和截面收縮率；測定鑄鐵拉伸和壓縮過程中的強(qiáng)度極限和。 2觀察低碳綱的拉伸過程和鑄鐵的拉伸、壓縮過程中所出現(xiàn)的各種變形現(xiàn)象，分析力與變形之間的關(guān)系，即P曲線的特征。 3掌握

3、材料試驗機(jī)等實驗設(shè)備和工具的使用方法。 二、 實驗設(shè)備和工具1 液壓擺式萬能材料試驗機(jī)。2 游標(biāo)卡尺(0.02mm)。三、 拉伸和壓縮試件材料的力學(xué)性能、）、和是通過拉伸和壓縮試驗來確定的，因此，必須把所測試的材料加工成能被拉伸或壓縮的試件。 試驗表明，試件的尺寸和形狀對試驗結(jié)果有一定影響。為了減少這種影響和便于使各種材料力學(xué)性能的測試結(jié)果可進(jìn)行比較，國家標(biāo)準(zhǔn)對試件的尺寸和形狀作了統(tǒng)一的規(guī)定，拉伸試件應(yīng)按國標(biāo)GBT63971986金屬拉伸試驗試樣進(jìn)行加工，壓縮試件應(yīng)按國標(biāo)GBT73141987金屬壓縮試驗方法進(jìn)行加工。拉伸試件分為比例的和非比例的兩種。比例試件應(yīng)符合如下的關(guān)系 式中稱為標(biāo)距，用

4、于測量拉伸變形試驗段的有效長度；為標(biāo)距部分的截面積，系數(shù)通常為5.65和11.3，前者稱為短試件，后者稱為長試件。因此，短、長圓形試件的標(biāo)距長度分別等于5和10。本試驗采用為10mm，為10的長比例試件(圖11)。試件兩端較粗的部分為裝入試驗機(jī)夾頭中的夾持部分，起傳遞拉力之用，它的形狀及尺寸可根據(jù)試驗機(jī)的夾頭形式而定。 圖11 拉伸試件壓縮試件通常為柱狀，橫截面為圓形，如圖1-2所示。試件受壓時，兩端面與試驗機(jī)壓頭間的摩擦力很大使端面附近的材料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，約束了試件的橫向變形，試件越短，影響越大，實驗結(jié)果越不準(zhǔn)確。因此，試件應(yīng)有一定的長度。但是，試件太長又容易產(chǎn)生縱向彎曲而失穩(wěn)。金屬材

5、料的壓縮試件通常采用圓試件。鑄鐵壓縮實驗時取。 圖12 圓柱體壓縮試件 四、實驗原理和方法 1低碳鋼拉伸實驗低碳鋼試件在靜拉伸試驗中，通?？芍苯拥玫嚼烨€，如圖13所示。用準(zhǔn)確的拉伸曲線可直接換算出應(yīng)力應(yīng)變曲線。首先將試件安裝于試驗機(jī)的夾頭內(nèi)，之后勻速緩慢加載(加載速度對力學(xué)性能是有影響的，速度越快，所測的強(qiáng)度值就越高)，試樣依次經(jīng)過彈性、屈服、強(qiáng)化和頸縮四個階段，其中前三個階段是均勻變形的。 圖13 低碳鋼拉伸曲線 (1)彈性階段 是指拉伸圖上的段，沒有任何殘留變形。在彈性階段，載荷與變形是同時存在的，當(dāng)載荷卸去后變形也就恢復(fù)。在彈性階段，存在一比例極限點A，對應(yīng)的應(yīng)力為比例極限，此部分載

6、荷與變形是成比例的。(2)屈服階段 對應(yīng)拉伸圖上的BC段。金屬材料的屈服是宏觀塑性變形開始的一種標(biāo)志，是由切應(yīng)力引起的。在低碳鋼的拉伸曲線上，當(dāng)載荷增加到一定數(shù)值時出現(xiàn)了鋸齒現(xiàn)象。這種載荷在一定范圍內(nèi)波動而試件還繼續(xù)變形伸長的現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象。屈服階段中一個重要的力學(xué)性能就是屈服點。低碳鋼材料存在上屈服點和下屈服點，不加說明，一般都是指下屈服點。上屈服點對應(yīng)拉伸圖中的B點，記為，即試件發(fā)生屈服而力首次下降前的最大力值。下屈服點記為，是指不計初始瞬時效應(yīng)的屈服階段中的最小力值，注意這里的初始瞬時效應(yīng)對于液壓擺式萬能試驗機(jī)由于擺的回擺慣性尤其明顯，而對于電子萬能試驗機(jī)或液壓伺服試驗機(jī)不明顯。 圖

7、14 常見屈服曲線 一般通過指針法或圖示法來確定屈服點，綜合起來具體做法可概括為：當(dāng)屈服出現(xiàn)一對峰谷時，則對應(yīng)于谷低點的位置就是屈服點；當(dāng)屈服階段出現(xiàn)多個波動峰谷時，則除去第一個谷值后所余最小谷值點就是屈服點。圖1-4給出了幾種常見屈服現(xiàn)象和、的確定方法。用上述方法測得屈服載荷，分別用式(1-1)、式(1-2)、式(13)計算出屈服點、下屈服點和上屈服點。 = (11) = (12) = (13) (3)強(qiáng)化階段 對應(yīng)于拉伸圖中的CD段。變形強(qiáng)化標(biāo)志著材料抵抗繼續(xù)變形的能力在增強(qiáng)。這也表明材料要繼續(xù)變形，就要不斷增加載荷。在強(qiáng)化階段如果卸載，彈性變形會隨之消失，塑性變形將會永久保留下來。強(qiáng)化階

8、段的卸載路徑與彈性階段平行。卸載后重新加載時，加載線仍與彈性階段平行。重新加載后，材料的比例極限明顯提高，而塑性性能會相應(yīng)下降。這種現(xiàn)象稱之為冷作硬化。冷作硬化是金屬材料的寶貴性質(zhì)之一。工程中利用冷作硬化工藝的例子很多，如擠壓、冷拔等。D點是拉伸曲線的最高點，載荷為，對應(yīng)的應(yīng)力是材料的強(qiáng)度極限或抗拉極限，記為，用式（14）計算 = (1-4) (4)頸縮階段 對應(yīng)于拉伸圖的DE段。載荷達(dá)到最大值后，塑性變形開始局部進(jìn)行。這是因為在最大載荷點以后，冷作硬化跟不上變形的發(fā)展，由于材料本身缺陷的存在，于是均勻變形轉(zhuǎn)化為集中變形，導(dǎo)致形成頸縮。頸縮階段，承載面積急劇減小，試件承受的載荷也不斷下降，直至

9、斷裂。斷裂后，試件的彈性變形消失，塑性變形則永久保留在破斷的試件上。材料的塑性性能通常用試件斷后殘留的變形來衡量。軸向拉伸的塑性性能通常用伸長率和斷面收縮率來表示，計算公式為 (1-5) (1-6)式中，、分別表示試件的原始標(biāo)距和原始面積；、分別表示試件標(biāo)距的斷后長度和斷口面積。塑性材料頸縮部分的變形在總變形中占很大比例，研究表明，低碳鋼試件頸縮部分的變形占塑性變形的80左右，見圖1-5。測定斷后伸長率時，頸縮部分及其影響區(qū)的塑性變形都包含在之內(nèi)，這就要求斷口位置到最鄰近的標(biāo)距線大于，此時可直接測量試件標(biāo)距兩端的距離得到。否則就要用移位法使斷口居于標(biāo)距的中央附近。若斷口落在標(biāo)距之外則試驗無效。

10、 圖 15 頸縮對伸長量的影響曲線 （5）斷口移位方法：當(dāng)試樣斷口到最鄰近標(biāo)距端線的距離小于或者等于時，必須用斷口移位法來計算。具體方法是，在進(jìn)行試驗前，先把試件在標(biāo)距內(nèi)n等份(一般十等份)，并打上標(biāo)記。拉斷試件后，在長段上從拉斷處O取基本等于短段格數(shù)得B點。若長段所余格數(shù)為偶數(shù)，則取其一半得C點，這時，見圖16a。若長段所余格數(shù)為奇數(shù)，則減1后的一半得到點、加1后的一半得到點，這時，見圖1-6b。 圖 16 斷口移中的方法 2鑄鐵拉伸實驗 鑄鐵是典型的脆性材料，拉伸曲線如圖17所示，可以近似認(rèn)為經(jīng)彈性階段直接斷裂。斷裂面平齊且為閃光的結(jié)晶狀組織，說明是由拉應(yīng)力引起的。其強(qiáng)度指標(biāo)也只有抗拉強(qiáng)度

11、，用實驗測得的最大力值，除以試件的原始面積，就得到鑄鐵的抗拉強(qiáng)度，即 =/ (1-7) 圖 17 鑄鐵拉伸曲線圖 3鑄鐵壓縮實驗 鑄鐵在壓縮實驗過程中，壓縮曲線有明顯的非線性。試件在到達(dá)最大壓縮載荷時有明顯的塑性變形，圓柱形被壓縮成鼓形，最后破壞。測出壓縮破壞載荷，同樣按式(17)計算鑄鐵的抗壓強(qiáng)度。進(jìn)行壓縮試驗時，常用球面支承加載，以保證試件端面與墊板均勻接觸、均勻受壓和壓力通過試件軸線。圖18給出了鑄鐵壓縮試驗的支承、曲線和斷口情況。 圖 18 鑄鐵壓縮的支承、曲線和斷口情況 五、實驗步驟 (1)試件準(zhǔn)備 在低碳鋼試件上用鉛筆或分規(guī)在平行試驗段中部劃出長度為的標(biāo)距線，并把分成十等份。對于拉

12、伸試件，在標(biāo)距的兩端及中部三個位置上，沿兩個相互垂直方向測量直徑，以其平均值計算各橫截面的面積，再取三者中的最小值為試件的Ao。對于壓縮試件，以試件中間截面相互垂直方向直徑的平均值計算Ao。 (2)試驗機(jī)準(zhǔn)備 對于液壓擺式萬能試驗機(jī)，根據(jù)試件的材料和尺寸選擇合適的讀數(shù)示力盤(12KN)和相應(yīng)的擺錘。安裝好自動繪圖器的傳動裝置、筆和紙等。檢查送油閥和回油閥是否處在關(guān)閉狀態(tài)，液壓泵電機(jī)啟動前送、回油閥應(yīng)在關(guān)閉狀態(tài)。 （3）開啟油泵電機(jī)，打開送油閥使活動臺上升到標(biāo)尺指針指示10mm左右時，關(guān)閉送油閥。并調(diào)整測力盤的主動指針和從動指針指零。 (4)安裝試件。拉伸試件應(yīng)啟動下夾頭電動機(jī)調(diào)整下夾頭的位置，

13、以適應(yīng)試件的長度后再夾緊，夾緊過程中及夾緊后千萬不可啟動下夾頭升降電動機(jī)。壓縮試件必須放在球形支承墊的中央，并一定要安裝好安全防護(hù)罩，再啟動上升電動機(jī)使試件上升到距離上墊鐵1mm左右停止。 (5)正式實驗 緩慢開啟送油閥，使試件勻速緩慢加載。加載時主動指針推動從動指針以一定速率偏轉(zhuǎn)，當(dāng)指針第一次停頓并回擺時的示值區(qū)間即為材料的屈服載荷范圍，此時注意迅速記錄下屈服點，隨著載荷增大，主、從動指針再次出現(xiàn)停頓，此時的最大示值既為材料的強(qiáng)度載荷，當(dāng)指針從強(qiáng)度載荷處出現(xiàn)回退時，對低碳鋼拉伸試驗請注意觀察出現(xiàn)的頸縮現(xiàn)象。值可以在材料破壞后由從動指針讀出。 (6)關(guān)機(jī)取試件 試件破壞后，立即關(guān)機(jī)。取下試件，量取有關(guān)尺寸。觀察斷口形貌，記錄實驗的相關(guān)數(shù)據(jù)。 六、實驗結(jié)果處理 以表格的形式處理實驗結(jié)果。根據(jù)記錄的原始數(shù)據(jù)，計算出低碳鋼的、和，鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。將計算結(jié)果填入實驗報告表。 七、分析與思考題 1)比較低碳鋼和鑄鐵在拉伸和壓縮實驗中力學(xué)性能有何異同？ 2) 低碳鋼拉伸實驗時如何觀察和確定屈服載荷的大??？ 3) 低碳鋼拉斷時的應(yīng)力是否就是強(qiáng)度極限？ 4)鑄鐵試件