材料力学实验讲义

1、 金属材料的拉伸、压缩实验指导书北京化工大实验一金属材料的拉伸实验实验二金属材料的压缩实验实验一金属材料的拉伸实验金属材料的拉伸实验是研究金属材料力学性能的最基本的实验。方法简单，数据可靠，一些工矿企业、研究所一般都用此类方法对金属材料进行出厂检验或进厂复检，用测得的各项指标来评定材质和进行强度、刚度计算。因此，对金属材料进行轴向拉伸实验具有工程实际意义。不同材料在轴向拉伸过程中会表现出不同的力学性质和现象。低碳钢和铸铁分别是典型的塑性材料和脆性材料。低碳钢材料具有良好的塑性，在拉伸实验中的弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段尤为明显和清楚。铸铁材料受拉时处于脆性状态，其破坏是由拉应力拉断。金属材料

2、拉伸实验是指在室温条件下，将缓慢施加的单向拉伸载荷作用于表面光滑的拉伸试件上，来测定材料力学拉伸性能的方法。最常用拉伸试件的形状和尺寸如图1-1所示。(a)(b)图1-1(a)圆形试样(b)矩形试样若采用光滑圆柱试件，试件的标矩长度L比直径d要大的多;通常L5d,以使试件横0000截面上的应力均匀地分布,实现轴向均匀加载.试件做成圆柱形是便于测量径向应变,试件的加工也比较简单。当测量板材拉伸性能和带材的拉伸性能时,也可以采用板状试件，如图l-l(b)所示。但试件的标矩长度L应满足下列关系：L=5.65A或11.3A；其中A为试件00000的初始横截面积。上式中的规定对应于圆柱试件中的L=5d，

3、L=10d。拉伸试件的几何形状，尺寸及允0000许的加工误差，在国家标准GB2282002中作了相应的规定。金属材料拉伸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力学性能的方法之一。实验目的1测定低碳钢试件的抗拉屈服极限Rs；s2测定低碳钢试件的抗拉强度极限Rb；b3测定低碳钢试件的延伸率A；4测定低碳钢试件的截面收缩率Z；5测定铸铁试件的抗拉强度极限Rb；b6观察和比较塑性材料和脆性材料的破坏过程和破坏特征、力学现象；7熟悉电子万能材料试验机的操作和游标卡尺的使用；8了解电子万能材料试验机的结构及工作原理,熟悉操作规程及正确使用方法9比较低碳钢和铸铁的机械性能特点并

4、分析断口形状；二、实验设备1电子万能材料试验机；图1-2电子万能试验机系统2游标卡尺；3拉伸试样,L=10d,将L十等分,用划线机刻划圆轴等分线,或用打点机打上等分点；0004打印机；三、拉伸试样的制备金属材料的机械性质的屈服应力R、强度应力Rb、延伸率A和截面收缩率Z是由拉伸sb实验来决定的。为此应首先用被测试的金属材料来制备试件。实验表明，试件的尺寸和形状对实验结果具有一定的影响。为了避免这种影响和便于各种材料机械性质的数值能互相比较，所以对试样的尺寸和形状，国家有统一的规定。制定了国标。因此，应统一规定制备试样。拉伸试样应按国际标准GB/228-2002（金属拉伸试验试样）进行加工。拉伸

5、试样的形状随金属产品的品种、规格及试验目的的不同而分为圆形、矩形及异形截面。最常用的是圆型和矩形试样。如图1-1所示。圆形和矩形截面试件均由夹持段、过渡段和平行段三部分组成。试样多采用哑铃状，夹持部分稍粗，过渡部分以圆角与平行部分光滑连接，是用来夹持试件、传递拉力用的。以保证试样破坏时断口在平行部分。其形状和尺寸要与试验机的钳口夹块相匹配。一般对于直接用钳口夹紧的试样，其夹持部分长度应不小于钳口深度的3/4。夹持部分的形状和尺寸依据试样大小、材料特性、试验目的以及试验机夹具的结构进行设计。可制成圆柱形、阶梯形或螺纹形。平行部分用于测量拉伸变形，此段的长度L称为标矩。试件两头部之间的均匀段0长度

6、L应大于标距L，均匀段长度称为平行长度，用符号L表示。圆截面试样L三L+d,000矩形截面试样L三L+b/2,圆弧过渡应有足够大的过渡圆弧半径和台阶。脆性材料的圆角半00径要比塑性材料的圆角半径大一些，以减小应力集中，确保试样不会在该处断裂。拉力试件分为比例试件和非比例试件两种。比例试件是指标距长度与横截面面积间具有下列关系的试件L=KA。式中系数K通常为5.65和11.3,前者称为短试件，后者称为长试00件。因此，对直径为d的圆截面0短试样：L=5.65A=5d;ooo长试样：L=11.3A=10d;000长圆试件的标矩长度分别等于10d；0非比例试件的标矩与其横截面间无上述一定关系，而是根

7、据制品（薄板、薄带、细管、细丝、型材等）的尺寸和材料的性质给以规定的平行长度L和标矩长度L。0原始标矩与标称标矩的偏差应小于5%。处理数据时可忽略偏差而直接用标称标矩计算。标称标矩为：对试样形状、尺寸和加工技术要求在国家标准GB/228-2002中均有明确的规定。试样表面的粗糙度同样应符合国际标准。四、实验原理及方法通常将整个实验过程中载荷与变形之间的关系，用一条以绝对伸长L为横坐标，以拉力F为纵坐标的载荷一变形曲线来表示，这种曲线一般就叫做拉伸曲线。拉伸曲线是截面均匀的试样在连续增长的轴向拉伸载荷作用下所测出的实验曲线。实验的结果可以全部在这根曲线上观察到。如果把厶L除以标矩长度L0、F除以

8、原始截面面积Ao，就得到应力应变之间的关系曲线。以横坐标代表应变，以纵坐标代表应力，可以绘出应力应变曲线，这种曲线可以消除试样尺寸的影响。首先将机器、计算机打开，布置如图1-2所示。D将试样装卡在试验机夹头内,我们将要对计算机进行实验方式等的设置，之后将匀速缓慢加载（加载速度对力学性能是有影响的，速度越快，所测的强度值就越高），因此，我们在设置实验速度时不要设太大的速度，以免数据不准确。试样依次经过弹性、屈服、强化和局部变形四个阶段，其中前三个阶段是均匀变形的。在实验过程中，力传感器和电子引伸计分别将感受到的载荷和变形转换为电信号输入到计算机，计算机将显示出力和变形的曲线图、力和变形的大小，另

9、外计算机还可以计算出我们所需要的应力、应变以及其它参数值。一低碳钢拉伸如图13和图14分别表示低碳钢拉伸时的拉伸图和低碳钢拉伸图与试样的对应关系曲线。从图上来观察实验结果，可以发现塑性材料（这里以低碳钢为例）具有下列各种性质1弹性变形阶段弹性变形阶段是指曲线的起始部分，是没有任何残余变形，符合虎克定律，载荷与变形并存，当载荷卸去后变形随即恢复。在弹性阶段，存在一个比例极限点，对应的应力为比例极限Rp这部分载荷与变形成比例，材料的弹性模量应在oa部分测出。使用引伸仪将变形测出，计算机将自动计算出弹性模量E。2屈服阶段金属材料的屈服是宏观塑性变形的开始，是位错增值和运动的结果。是由剪应力引起的。超

10、出弹性变形范围之后，材料产生了明显的塑性流动，此时，应力只有微小的增加，或者不增加，或者在一个小范围内上下波动，于是应力应变曲线出现水平曲折或者锯齿形状。这种载荷在一定范围内波动而试样还继续变形伸长的现象称为屈服现象。屈服阶段中一个重要的力学性质就是屈服点，有些金属材料受力时具有明显的物理屈服现象，它们的F-Al曲线有如图1-5所示的四种类型。1-5屈服点、上屈服点、下屈服点的定义低碳钢材料存在上屈服点和下屈服点，不加说明一般都是指下屈服点。上屈服点对应拉伸图中的B点，记为Fsu，即试样发生屈服而力首次下降前的最大力值，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

11、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Fsl试样的初始横截面积S0作为屈服极限Re。下屈服点对应拉伸图中的A点，记为Fsl,是指不记初始瞬时效应的屈服阶段中的最低力值，注意这里的初始瞬时效应对于液压式万能试验机由于摆的回摆惯性尤其明显，而对于电子万能试验机则不明显，只有在图上看到。一般通过指针法和图示法来确定屈服点，综合起来具体读法为：当屈服出现一对峰谷时，则对应于谷低点的位置就是屈服点；当屈服阶段出现多个波动峰谷时，则除去第一个谷值后所余最小谷值点就是屈服点。图1-5给出了几种常见屈服现象和上、下屈服点的确定方法。用上述方法确定屈服载荷，用（1-1）、（1-2）

12、、（1-3）计算屈服点、上屈服点、下屈服点。R=F/S(1-1)eb0ReH=F/SSL0(1-2)R=F/S(1-3)eLSU03强化阶段强化标志着材料抵抗继续变形的能力在不断地增强，同样也表明材料要继续变形，这就要不断增加载荷，材料又恢复了抵抗变形的能力，材料在这一阶段均匀变形，变形量增加。在强化阶段如果要卸载，弹性变形会随之消失，塑性变形将会永久保留下来。强化阶段的卸载路径与弹性曲线平行。卸载后重新加载时，加载曲线仍与弹性曲线平行。重新加载后材料的比例极限明显提高。而塑性性能明显下降。这种现象称之为形变硬化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料的宝贵性质之一。工程中利用冷作硬化工艺的例子很多，如

13、挤压、冷拔、喷丸等。D点是拉伸曲线的最高点，载荷Fm，对应的应力是材料的强度载荷或抗拉强度极限，记为R=F/Smm04.颈缩阶段对应于拉伸图的CD段，从试样承受最大应力点开始直到断裂点为止。在这个过程中，试样的某个区域呈现颈缩现象，变形在局部进行，由于局部的真应力急剧上升，载荷达到最大值后，塑性变形开始在局部进行，这是因为在最大载荷D点以后，形变强化跟不上变形的发展，由于材料本身缺陷的存在，于是均匀变形转化为集中变形，导致形成颈缩。颈缩阶段，承载面积急剧减小，试样承受的载荷也不断下降，直至断裂。断裂后，试样的弹性变形消失，塑性变性则永久保留在断裂的试样上，材料的塑性性能通常用试样断裂后残留的变

14、形来衡量。轴向拉伸的塑性性能通常用断后延伸率A和断后收缩率Z来表示，塑性性能指标计算公式为：断后伸长率是试样拉断后标矩的伸长（Lu）与原始标矩（L。）之比的百分率，即LLA=u0 x100L0断面收缩率是试样断裂后试样横截面积的最大收缩量（So-Su）原始横截面积（S。）之比的百分率。SSZ=u0 x100S0塑性材料试样的塑性变形（颈缩部分）集中在颈缩处并向两边逐渐减小，颈缩部分的变形在总变形中占很大的比例，研究表明，低碳钢试样颈缩部分的变形占塑性变形的80%左右，见图1-6。测定断后伸长率时，颈缩部分及其影响区的塑性变形都包含在Lu之内，这就要求断口位置到最临近的标矩线大于L0，此时可直接

15、测量试样标矩两端的距离得到断后伸长否3则就要用移位法，就是假想使断口居于标矩的中央附近。若断口落在标矩之外则试验无效。因此断口位置不同，标矩部分的塑性伸长Lu也不同。断口在试样中部，发生严重塑性变形的颈缩段全部在塑性长度Lu内，塑性长度Lu就有较大的塑性伸长量，若断口距标矩Lu端较近，则发生严重塑性变形的颈缩端只有一部分在标矩长度内，另一部分在标矩长度外，因此，标矩长度的塑性伸长量就小。这种情况可以用断口移位法解决，这说明断口位置对测得的伸长率有影响。为避免这种影响，国际标准对Lu的测定作了规定，记忆上原则上只有断裂处与最接近的标矩标记的距离不小于原始标矩的三分之一情况方为有效，但断后伸长率大

16、于或等于规定值，不管断裂位置处于何处测量均为有效。低碳钢试样的颈缩部分及其影响区的塑性变形在伸长率中占很大比例。显然同种材料的伸长率不仅取决于材质，而且还取决于试样的标矩。试样越短局部变形所占的比例越大，A也就越大，为了便于相互比较，测定伸长率应采用比例试样，用标矩为10倍直径试样测定的伸长率记做A，用标矩为5倍直径试10样测定的伸长率记做A。5断口移位法：当试样断口到最邻近标矩线的距离小于或者等于时，必须用断口移位法来计算Lu。3具体方法是：在进行试验前，先把试样在标矩内n等份（一般十等份），并打上标记。试样拉断后，在长试样上从拉断处O取基本等于短试样上格数得B点，若长段所余格数为偶数,则取

17、其一半得C点这时Lu=AB+2BC；若长段所余格数为奇数，则减一后的一半得到C点,加一后的一半得到C点，这时Lu=AB+BC+BC。见图1-7所示。、移佗】.#图1-7断口移位法二、铸铁拉伸实验铸铁是典型的脆性材料，拉伸曲线如图1-8所示。可以近似认为经弹性阶段后直接断裂。断裂面平齐且为闪光的结晶状组织，说明是由拉应力引起的。其强度指标也只有抗拉强度R，用实验测得的最大力值F,除以试样的原始面积S，就得到铸铁的抗拉强度R，即mu0mRF/Sum0铸铁是不抗拉材料，一般不作为要求。五、实验步骤：1试样准备在试样上画标矩线和十等分分格线，用游标卡尺在试样标距内两端和中间处两个相互垂直方向各测量一次

18、试样直径，每处取平均值，得三处截面的直径d、d、d、。000取其平均值的最小值作为实验的原始直径。2试验机准备和仪器准备（1）打开电子万能试验机和计算机；（2）安装试样电子万能试验机按照试样长度调整上夹头的高度，将试样装入上下夹头内，并按箭头所指方向夹紧；将上夹头缓缓向下移动到下夹头内并旋紧下夹头；（3）打开计算机界面，界面如下图所示。点击系统设置，系统设置里有试验方式、硬件设置、软件设置、环境参数、运行参数设置，输入运行所必须的各类参数，；4)试验方式的设置：其中设有拉伸、压缩、弯曲、剪切，选择其中拉伸项，点击下一步；(5)硬件设置：主要设置传感器，如果不加引伸计，则为一号传感器，最大测力范

19、围为100000N,如果加引伸计则为二号或三号传感器，选择其中一项点击下一步；(6)软件设置：曲线的选择，其中有应力与应变曲线，负荷与位移曲线两种方式，试验结果条件，主要以默认值为主，试验结果是否返车。我们选择否，速度切换以默认值试验开始设置两种方式均可，选择好后点击下一步；（7）环境参数的设置：其中有试验个数、试验温度、试验湿度、材料名称、试验标准、试验批号、试验日期以及委托单位，选择好后点击下一步；8)运行参数的设置：其中有试验号、设置纵坐标、横坐标、试验速度为2、标距、直径、预加张力、给定应力、给定伸长力，试样形状视所做样式而定，输入完毕，点击确定；参数输入完毕后，点击计算机上的通讯并联

20、机将载荷、位移清零；点击RUN,试验正式开始；(12)观察拉伸过程，读取各阶段载荷；(13)试样断裂后，取下试样，保存实验结果；测取拉伸后的标矩L和直径A；最后切断电源，整理现场，实验结束；六、实验结果处理1强度指标计算：F屈服极限：R=eeS0F上屈服极限：R=feHS0F下屈服极限：R=feLS强度极限：R=mmS02塑性性能指标的计算：L一L断后伸长率：A=rx100%理L0S一S断面收缩率：Z=rx100%S03画出试样拉断前、后形状图；4画出试样拉伸图；5试述材料性质，并比较两种材料的性能和特点，完成实验报告。低碳钢试件断后标距测量和断口直径测量（铸铁没有这一步）（a）.测量断后标距

21、将被拉断试件的两段断口对齐并靠紧，如果断口到邻近标距点的距离大于1/3L，0则用游标卡尺直接测量断后的标距长度，此长度即为L。若断口到邻近标距点的距离小1于1/3L，则需进行断口移中计算，计算所得长度即为断后标距L。01（b）.测量断口直径在断口处（即颈缩最细处）沿互相垂直方向各测量一次直径，取其平均直径d1。将L1、d1根据计算机提示输入。根据计算机提示打印出低碳钢的拉伸曲线图和试验结果。七、预习要求及思考题预习机本指导书，明确实验目的和要求；了解试验机操作规程，预习本书有关内容；设计实验数据记录表格；本次实验自动绘制的低碳钢拉伸曲线中，横坐标量Al与试样标距内的变形量是否一致，为什么？什么

22、情况下采用断口移位法？如何进行断口移位？材料和面积相同而标距长短不同的两根比例试样，其断后伸长率A和A是否相同？510实验时如何观察低碳钢的屈服点？测定R时为何对加载速度提出要求？e为消除加载偏心的影响应采取什么措施？比较低碳钢与铸铁的拉伸的断口。分析破坏的力学原因。八、实验报告要求：（1）实验目的；（2）实验仪器设备；（3）实验原理及方法；（4）实验步骤简述；（5）实验数据处理；（6）绘制试样形状图及试样断口图；（7）根据实验结果绘制应力应变曲线图；（8）分析讨论和回答思考题；拉伸试样尺寸表制E4/mraK&Ef/nm量小茴feM9E粗Q|OfAuDJ_B1JI1啟Avf平坤平堵档111矍力

23、宜ar9ftF/fcNWFi/kNMU/MEioMFa伸栓率F(*)*(*实验二金属材料的压缩实验一、实验目的：测定低碳钢在压缩时的屈服载荷6；s测定铸铁在压缩时的抗拉强度6b测定铸铁试样在压缩时的变形和破坏现象，比较两种材料的性质，比较铸铁拉伸和压缩两种受力形式下的机械性能，并分析其破坏原因；二、实验设备电子万能材料试验机；游标卡尺；打印机；三、试样制备通常金属材料的压缩试样采用圆试样和方形试样。一般规定。试样加工时端面必须严格保持平行，并与轴线垂直，实验时端面可采用润滑措施以减少摩擦。/+0J15)0枳7础或口器心JO-20)0.05O.O005/10.000t/U”WOL丄0.0001/

24、J0.05住(HF.(2_5f3LS)fro(a)圆形压缩试样(b)方形压缩试样图21压缩试样四、实验原理压缩实验是指在室温条件下，将缓慢施加的单向压缩载荷作用于两端面光滑的压缩试件上，测定材料力学压缩性能的方法。常用压缩试样的形状和尺寸如图2-1所示。不同材料在压缩过程中表现出不同的力学性质和现象，低碳钢和铸铁分别是典型的塑性材料和脆性材料。低碳钢材料具有良好的塑性，在压缩实验中弹性阶段和屈服阶段与拉伸实验时基本相同，而屈服现象却不很明显，这是由于在压缩过程中载荷不断地增加，造成屈服现象不明显，同样也是由于试样短造成的。在液压试验机的指针度盘上，还可以看到指针停留的瞬间，在电子万能试验机上只

25、能在显示屏上看到曲线的拐点。低碳钢试样是没有强度载荷的，低碳钢试样最后只能被压扁而不能被压断，无法测定其压缩强度极限值。铸铁是典型的脆性材料，铸铁在压缩过程中，压缩曲线有明显的非线形。试样在到达最大压缩载荷时有明显的塑性变形，圆柱形被压缩成鼓形，最后破坏。其破坏是由剪应力剪断引起的。测出压缩破坏载荷Fb，按b=F/S计算铸铁的抗压强度，进行压缩实验时，支座常用球面支撑bm0加载，以保证试样端面与垫板均匀接触、均匀受压和压力通过剩余轴线。图2-5给出了铸铁压缩试样的支撑、曲线和断口情况。图2-2低碳钢拉伸、压缩变形图低碳钢压缩试样铸铁压缩试样图2-3压缩试样图24铸铁压缩试样与曲线试样受压时，端

26、面与压头的摩擦力很大，试样的横向变形受到限制，而且端面附近的材料处于三向应力状态，试样越短，三向应力状态的影响越突出，实验结果愈不准确。试样太长又容易产生纵向弯曲。进行压缩实验时，常用球面支承加载，以保证试样端面与垫板均匀接触，均匀受压和压力通过试样轴线。图给出了铸铁压缩试样的支承、曲线和断口形状。图25铸铁压缩试样的支撑、曲线和断口形状五、实验步骤（1）试样准备，测取试样原始直径d，至少要测量三个截面，每个截面沿两个方向0测量，并取平均值，取三个截面中平均值最小的直径为d；0（2）试验机准备和仪器准备；（3）安装试样电子万能试验机按照试样高度调整压块间的距离，将试样装入压块上，调节压块间的距离，使试样端面在垫板间保持欲接触的状态；（4）计算机准备，打开电子万能试验机和计算机，计算机界面如下图所示，点击系统设置，系统设置里有试验方式、硬件设置、软件设置、环境参数、运行参数设置，输入运行所必须的各类参数；5)试验方式的设置：其中设有拉伸、压缩、弯曲、剪切，选择其中压缩项，点击下一步；6）硬件的设置：主要设置传感器，如果不加引伸计，则为一号传感器，最大测力范围为100000N,压缩一般不加传感器，因此直接点击下一步；（7）软件的