材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、第一章 材料的力學(xué)性能試驗(yàn)材料的力學(xué)性能試驗(yàn)是工程中廣泛應(yīng)用的一種試驗(yàn)，它為機(jī)械制造、土木工程、冶金及其它各種工業(yè)部門(mén)提供可靠的材料的力學(xué)性能參數(shù)，便于合理地使用材料，保證機(jī)器（結(jié)構(gòu)）及其零件（構(gòu)件）的安全工作。材料的力學(xué)性能試驗(yàn)必須按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。第一節(jié) 拉伸試驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.驗(yàn)證胡克定律，測(cè)定低碳鋼的彈性常數(shù)：彈性模量。2.測(cè)定低碳鋼拉伸時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)：屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度。3.測(cè)定低碳鋼拉伸時(shí)的塑性性能指標(biāo)：伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。4.測(cè)定灰鑄鐵拉伸時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度。5.繪制低碳鋼和灰鑄鐵的拉伸圖，比較低碳鋼與灰鑄鐵在拉伸時(shí)的力學(xué)性能和破壞形式。 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1.萬(wàn)能試

2、驗(yàn)機(jī)。2.引伸儀。3.游標(biāo)卡尺。 三、實(shí)驗(yàn)試樣按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB639786金屬拉伸試驗(yàn)試樣，金屬拉伸試樣的形狀隨著產(chǎn)品的品種、規(guī)格以及試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌譃閳A形截面試樣、矩形截面試樣、異形截面試樣和不經(jīng)機(jī)加工的全截面形狀試樣四種。其中最常用的是圓形截面試樣和矩形截面試樣。如圖1-1所示，圓形截面試樣和矩形截面試樣均由平行、過(guò)渡和夾持三部分組成。平行部分的試驗(yàn)段長(zhǎng)度稱(chēng)為試樣的標(biāo)距，按試樣的標(biāo)距與橫截面面積之間的關(guān)系，分為比例試樣和定標(biāo)距試樣。圓形截面比例試樣通常取或，矩形截面比例試樣通常取或，其中，前者稱(chēng)為長(zhǎng)比例試樣（簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)試樣），后者稱(chēng)為短比例試樣（簡(jiǎn)稱(chēng)短試樣）。定標(biāo)距試樣的與之間無(wú)上述比例關(guān)系

3、。過(guò)渡部分以圓弧與平行部分光滑地連接，以保證試樣斷裂時(shí)的斷口在平行部分。夾持部分稍大，其形狀和尺寸根據(jù)試樣大小、材料特性、試驗(yàn)?zāi)康囊约叭f(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)試樣的形狀、尺寸和加工的技術(shù)要求參見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB639786。（a）（b）圖1-1 拉伸試樣（a）圓形截面試樣；（b）矩形截面試樣 四、實(shí)驗(yàn)原理與方法 1.測(cè)定低碳鋼的彈性常數(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，先把試樣安裝在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，再在試樣的中部裝上引伸儀，并將指針調(diào)整到0，用于測(cè)量試樣中部長(zhǎng)度（引伸儀兩刀刃間的距離）內(nèi)的微小變形。開(kāi)動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，預(yù)加一定的初載荷（可?。?，同時(shí)讀取引伸儀的初讀數(shù)。為了驗(yàn)證載荷與變形之間成正比的關(guān)系，在彈性范圍內(nèi)（根據(jù)

4、求出的最大彈性載荷不超過(guò)）采用等量逐級(jí)加載方法，每次遞加同樣大小的載荷增量（可選），在引伸儀上讀取相應(yīng)的變形量。若每次的變形增量大致相等，則說(shuō)明載荷與變形成正比關(guān)系，即驗(yàn)證了胡克定律。彈性模量可按下式算出式中：為載荷增量；為試樣的橫截面面積；為引伸儀的標(biāo)距（即引伸儀兩刀刃間的距離）；為在載荷壇量下由引伸儀測(cè)出的試樣變形增量平均值。2.測(cè)定低碳鋼拉伸時(shí)的強(qiáng)度和塑性性能指標(biāo)彈性模量測(cè)定完后，將載荷卸去，取下引伸儀，調(diào)整好萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)繪圖裝置，再次緩慢加載直至試樣拉斷，以測(cè)出低碳鋼在拉伸時(shí)的力學(xué)性能。（1）強(qiáng)度性能指標(biāo)屈服應(yīng)力（屈服點(diǎn)）試樣在拉伸過(guò)程中載荷不增加而試樣仍能繼續(xù)產(chǎn)生變形時(shí)的載荷（即

5、屈服載荷）除以原始橫截面面積所得的應(yīng)力值，即抗拉強(qiáng)度試樣在拉斷前所承受的最大載荷除以原始橫截面面積所得的應(yīng)力值，即低碳鋼是具有明顯屈服現(xiàn)象的塑性材料，在均勻緩慢的加載過(guò)程中，當(dāng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)力盤(pán)上的主動(dòng)指針發(fā)生回轉(zhuǎn)時(shí)所指示的最小載荷（下屈服載荷）即為屈服載荷。試樣超過(guò)屈服載荷后，再繼續(xù)緩慢加載直至試樣被拉斷，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的從動(dòng)指針?biāo)甘镜淖畲筝d荷即為極限載荷。當(dāng)載荷達(dá)到最大載荷后，主動(dòng)指針將緩慢退回，此時(shí)可以看到，在試樣的某一部位局部變形加快，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，隨后試樣很快被拉斷。（2）塑性性能指標(biāo)伸長(zhǎng)率拉斷后的試樣標(biāo)距部分所增加的長(zhǎng)度與原始標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比，即式中：為試樣的原始標(biāo)距；為將拉斷的試樣對(duì)

6、接起來(lái)后兩標(biāo)點(diǎn)之間的距離。試樣的塑性變形集中產(chǎn)生在頸縮處，并向兩邊逐漸減小。因此，斷口的位置不同，標(biāo)距部分的塑性伸長(zhǎng)也不同。若斷口在試樣的中部，發(fā)生嚴(yán)重塑性變形的頸縮段全部在標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)，標(biāo)距長(zhǎng)度就有較大的塑性伸長(zhǎng)量；若斷口距標(biāo)距端很近，則發(fā)生嚴(yán)重塑性變形的頸縮段只有一部分在標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)，另一部分在標(biāo)距長(zhǎng)度外，在這種情況下，標(biāo)距長(zhǎng)度的塑性伸長(zhǎng)量就小。因此，斷口的位置對(duì)所測(cè)得的伸長(zhǎng)率有影響。為了避免這種影響，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB22887對(duì)的測(cè)定作了如下規(guī)定。試驗(yàn)前，將試樣的標(biāo)距分成十等分。若斷口到鄰近標(biāo)距端的距離大于，則可直接測(cè)量標(biāo)距兩端點(diǎn)之間的距離作為。若斷口到鄰近標(biāo)距端的距離小于或等于，則應(yīng)采用移位法

7、（亦稱(chēng)為補(bǔ)償法或斷口移中法）測(cè)定：在長(zhǎng)段上從斷口點(diǎn)起，取長(zhǎng)度基本上等于短段格數(shù)的一段，得到點(diǎn)，再由點(diǎn)起，取等于長(zhǎng)段剩余格數(shù)（偶數(shù)）的一半得到點(diǎn)（見(jiàn)圖1-2（a）；或取剩余格數(shù)（奇數(shù)）減1與加1的一半分別得到點(diǎn)與點(diǎn)（見(jiàn)圖1-2（b）。移位后的分別為：或。測(cè)量時(shí)，兩段在斷口處應(yīng)緊密對(duì)接，盡量使兩段的軸線在一條直線上。若在斷口處形成縫隙，則此縫隙應(yīng)計(jì)入內(nèi)。如果斷口在標(biāo)距以外，或者雖在標(biāo)距之內(nèi)，但距標(biāo)距端點(diǎn)的距離小于，則試驗(yàn)無(wú)效。（a）（b）圖1-2 測(cè)的移位法斷面收縮率拉斷后的試樣在斷裂處的最小橫截面面積的縮減量與原始橫截面面積的百分比，即式中：為試樣的原始橫截面面積；為拉斷后的試樣在斷口處的最小橫

8、截面面積。3.測(cè)定灰鑄鐵拉伸時(shí)強(qiáng)度性能指標(biāo)灰鑄鐵在拉伸過(guò)程中，當(dāng)變形很小時(shí)就會(huì)斷裂，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的指針?biāo)甘镜淖畲筝d荷除以原始橫截面面積所得的應(yīng)力值即為抗拉強(qiáng)度，即 五、實(shí)驗(yàn)步驟1.測(cè)定低碳鋼的彈性常數(shù)（1）測(cè)量試樣的尺寸。（2）先將低碳鋼的拉伸試樣安裝在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，再把引伸儀安裝在試樣的中部，并將指針調(diào)零。（3）按等量逐級(jí)加載法均勻緩慢加載，讀取引伸儀的讀數(shù)。2.測(cè)定低碳鋼拉伸時(shí)的強(qiáng)度和塑性性能指標(biāo)（1）將試樣打上標(biāo)距點(diǎn)，并刻畫(huà)上間隔為或的分格線。（2）在試樣標(biāo)距范圍內(nèi)的中間以及兩標(biāo)距點(diǎn)的內(nèi)側(cè)附近，分別用游標(biāo)卡尺在相互垂直方向上測(cè)取試樣直徑的平均值為試樣在該處的直徑，取三者中的最小值作為計(jì)算

9、直徑。（3）把試樣安裝在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的上、下夾頭之間，估算試樣的最大載荷，選擇相應(yīng)的測(cè)力盤(pán)，配置好相應(yīng)的擺錘，調(diào)整測(cè)力指針，使之對(duì)準(zhǔn)“0”點(diǎn)，將從動(dòng)指針與之靠攏，同時(shí)調(diào)整好自動(dòng)繪圖裝置。（4）開(kāi)動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，勻速緩慢加載，觀察試樣的屈服現(xiàn)象和頸縮現(xiàn)象，直至試樣被拉斷為止，并分別記錄下主動(dòng)指針回轉(zhuǎn)時(shí)的最小載荷和從動(dòng)指針?biāo)Ａ粑恢玫淖畲筝d荷。（5）取下拉斷后的試樣，將斷口吻合壓緊，用游標(biāo)卡尺量取斷口處的最小直徑和兩標(biāo)點(diǎn)之間的距離。3.測(cè)定灰鑄鐵拉伸時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)（1）測(cè)量試樣的尺寸。（2）把試樣安裝在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的上、下夾頭之間，估算試樣的最大載荷，選擇相應(yīng)的測(cè)力盤(pán)，配置好相應(yīng)的擺錘。調(diào)整測(cè)力指針，

10、使之對(duì)準(zhǔn)“0”點(diǎn)，將從動(dòng)指針與之靠攏，同時(shí)調(diào)整好自動(dòng)繪圖裝置。（3）開(kāi)動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，勻速緩慢加載直至試樣被拉斷為止，記錄下從動(dòng)指針?biāo)Ａ粑恢玫淖畲筝d荷。 六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與計(jì)算1.測(cè)定低碳鋼的彈性常數(shù)表1-1 測(cè)定低碳鋼的彈性模量試驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄與計(jì)算試樣尺寸： 直徑 引伸儀參數(shù)： 標(biāo)距 放大倍數(shù) 變形/格載荷/第 一 次第 二 次讀數(shù)增量引伸儀讀數(shù)n增量引伸儀讀數(shù)n增量增量均值 增量均值 格增量均值 格試樣在引伸儀標(biāo)距內(nèi)伸長(zhǎng)的平均值 彈性模量 2.測(cè)定低碳鋼拉伸時(shí)的強(qiáng)度和塑性性能指標(biāo)表1-2 測(cè)定低碳鋼拉伸時(shí)的強(qiáng)度和塑性性能指標(biāo)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄與計(jì)算試 樣 尺 寸實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù)實(shí)驗(yàn)前： 標(biāo) 距

11、 直 徑 實(shí)驗(yàn)后： 標(biāo) 距 最小直徑 屈服載荷 最大載荷 屈服應(yīng)力 抗拉強(qiáng)度 伸 長(zhǎng) 率 斷面收縮率 拉斷后的試樣草圖試 樣 的 拉 伸 圖3.測(cè)定灰鑄鐵拉伸時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)表1-3 測(cè)定灰鑄鐵拉伸時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄與計(jì)算試 樣 尺 寸實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù)實(shí)驗(yàn)前： 直 徑 最大載荷 抗拉強(qiáng)度 拉斷后的試樣草圖試 樣 的 拉 伸 圖4.拉伸試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算精確度（1）強(qiáng)度性能指標(biāo)（屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度）的計(jì)算精度要求為，即：凡的數(shù)值舍去，而的數(shù)值化為，的數(shù)值者則進(jìn)為。（2）塑性性能指標(biāo)（伸長(zhǎng)率和斷面收縮率）的計(jì)算精度要求為，即：凡的數(shù)值舍去，而的數(shù)值化為，的數(shù)值則進(jìn)為。 七、注意事項(xiàng)1.實(shí)驗(yàn)時(shí)

12、必須嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的各項(xiàng)操作規(guī)程，嚴(yán)禁開(kāi)“快速”檔加載。開(kāi)動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)后，操作者不得離開(kāi)工作崗位，實(shí)驗(yàn)中如發(fā)生故障應(yīng)立即停機(jī)。2.引伸儀系精密儀器，使用時(shí)須謹(jǐn)慎小心，不要用手觸動(dòng)指針和杠桿。安裝時(shí)不能卡得太松，以防實(shí)驗(yàn)中脫落摔壞；也不能卡得太緊，以防刀刃損傷造成測(cè)量誤差。3.加載時(shí)速度要均勻緩慢，防止沖擊。 八、思考題1.低碳鋼和灰鑄鐵在常溫靜載拉伸時(shí)的力學(xué)性能和破壞形式有何異同？2.測(cè)定材料的力學(xué)性能有何實(shí)用價(jià)值？3.你認(rèn)為產(chǎn)生試驗(yàn)結(jié)果誤差的因素有哪些？應(yīng)如何避免或減小其影響？第二節(jié) 壓縮試驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.測(cè)定低碳鋼壓縮時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)：屈服應(yīng)力。2.測(cè)定灰鑄鐵壓縮時(shí)的強(qiáng)度性能指

13、標(biāo)：抗壓強(qiáng)度。3.繪制低碳鋼和灰鑄鐵的壓縮圖，比較低碳鋼與灰鑄鐵在壓縮時(shí)的變形特點(diǎn)和破壞形式。 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1.萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。2.游標(biāo)卡尺。 三、實(shí)驗(yàn)試樣按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB731487金屬壓縮試驗(yàn)方法，金屬壓縮試樣的形狀隨著產(chǎn)品的品種、規(guī)格以及試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌譃閳A柱體試樣、正方形柱體試樣和板狀試樣三種。其中最常用的是圓柱體試樣和正方形柱體試樣，如圖1-3所示。根據(jù)試驗(yàn)的目的，對(duì)試樣的標(biāo)距作如下規(guī)定：的試樣僅適用于測(cè)定；（或）的試樣適用于測(cè)定、和；（或）的試樣適用于測(cè)定和。其中（或）。 （a） （b）圖1-3 壓縮試樣（a）圓柱體試樣；（b）正方形柱體試樣對(duì)試樣的形狀、尺寸和加工的技術(shù)要求參

14、見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB639786。 四、實(shí)驗(yàn)原理與方法1.測(cè)定低碳鋼壓縮時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)低碳鋼在壓縮過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)，其變形情況與拉伸時(shí)基本相同。當(dāng)達(dá)到屈服應(yīng)力后，試樣產(chǎn)生塑性變形，隨著壓力的繼續(xù)增加，試樣的橫截面面積不斷變大直至被壓扁。故只能測(cè)其屈服載荷，屈服應(yīng)力為式中：為試樣的原始橫載面面積。2.測(cè)定灰鑄鐵壓縮時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)灰鑄鐵在壓縮過(guò)程中，當(dāng)試樣的變形很小時(shí)即發(fā)生破壞，故只能測(cè)其破壞時(shí)的最大載荷，抗壓強(qiáng)度為 五、實(shí)驗(yàn)步驟1.檢查試樣兩端面的光潔度和平行度，并涂上潤(rùn)滑油。用游標(biāo)卡尺在試樣的中間截面相互垂直的方向上各測(cè)量一次直徑，取其平均值作為計(jì)算直徑。2.估算試樣的最大載荷，選擇

15、相應(yīng)的測(cè)力盤(pán)，配置好相應(yīng)的擺錘。調(diào)整測(cè)力指針，使之對(duì)準(zhǔn)“0”，將從動(dòng)指針與之靠攏，同時(shí)調(diào)整好自動(dòng)繪圖裝置。3.檢查球形承墊與承墊是否符合要求。4.將試樣放進(jìn)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的上、下承墊之間，并檢查對(duì)中情況。5.開(kāi)動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，均勻緩慢加載，注意讀取低碳鋼的屈服載荷和灰鑄鐵的最大載荷，并注意觀察試樣的變形現(xiàn)象。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與計(jì)算表1-4 測(cè)定低碳鋼和灰鑄鐵壓縮時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄與計(jì)算材料試樣直徑實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù)實(shí)驗(yàn)后的試樣草圖試樣的壓縮圖低碳鋼屈服載荷 屈服應(yīng)力 灰鑄鐵最大載荷 抗壓強(qiáng)度 七、思考題1.比較低碳鋼和灰鑄鐵在拉伸與壓縮時(shí)所測(cè)得的和的數(shù)值有何差別？2.仔細(xì)觀察灰鑄鐵的破壞形

16、式并分析破壞原因。第五節(jié) 沖擊試驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.測(cè)定低碳鋼的沖擊性能指標(biāo)：沖擊韌度。2.測(cè)定灰鑄鐵的沖擊性能指標(biāo)：沖擊韌度。3.比較低碳鋼與灰鑄鐵的沖擊性能指標(biāo)和破壞情況。 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1.沖擊試驗(yàn)機(jī)。2.游標(biāo)卡尺。 三、實(shí)驗(yàn)試樣按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2291994金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法，金屬?zèng)_擊試驗(yàn)所采用的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣為并開(kāi)有或深的形缺口的沖擊試樣（圖1-8）以及張角深的形缺口沖擊試樣（圖1-9）。如不能制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，則可采用寬度為或等小尺寸試樣，其它尺寸與相應(yīng)缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣相同，缺口應(yīng)開(kāi)在試樣的窄面上。沖擊試樣的底部應(yīng)光滑，試樣的公差、表面粗糙度等加工技術(shù)要求參見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2291994。 （a） （b）圖1-9 夏比形沖擊試樣（a）深度為；（b）深度為圖1-8 夏比形沖擊試樣 四、實(shí)驗(yàn)原理與方法使擺錘從一定的高度自由轉(zhuǎn)動(dòng)落下，撞斷試樣，讀取試樣在被撞斷過(guò)程中所吸收的能量，沖擊韌度為式中：為試樣在斷口處的橫截面面積。 五、實(shí)驗(yàn)步驟1.了解沖擊試驗(yàn)機(jī)的操作規(guī)程和注意事項(xiàng)