材料力学性能实验报告

1、大连理工大学实验报告学院（系）：材料科学与工程学院专业:材料成型及控制工程班级：材0701姓名：学号：组：指导教师签字：成绩：实验一金属拉伸实验MetalTensileTest一、实验目的ExperimentObjective1、掌握金属拉伸性能指标屈服点os，抗拉强度ob，延伸率和断面收缩率的测定方法。2、掌握金属材料屈服强度。0.2的测定方法。3、了解碳钢拉伸曲线的含碳量与其强度、塑性间的关系。4、简单了解万能实验拉伸机的构造及使用方法。二、实验概述ExperimentSummary金属拉伸实验是检验金属材料力学性能普遍采用的极为重要的方法之一，是用来检测金属材料的强度和塑性指标的。此种方

2、法就是将具有一定尺寸和形状的金属光滑试样夹持在拉力实验机上，温度、应力状态和加载速率确定的条件下，对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。通过拉伸实验可以解释金属材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即过量弹性变形，塑性变形和断裂。在实验过程中，试样发生屈服和条件屈服时，以及试样所能承受的最大载荷除以试样的原始横截面积，求的该材料的屈服点0S，屈服强度。0.2和强度极限0b。用试样断后的标距增长量及断处横截面积的缩减量，分别除以试样的原始标距长度，及试样的原始横截面积，求得该材料的延伸率和断面收缩率。三、实验用设备TheEquipmentofExperiment拉力实验的主要设备为拉力实验

3、机和测量试样尺寸用的游标卡尺，拉力实验机主要有机械式和液压式两种，该实验所用设备原东德WPM30T液压式万能材料实验机。液压式万能实验机是最常用的一种实验机。它不仅能作拉伸试验，而且可进行压缩、剪切及弯曲实验。（一）加载部分ThePartofAppliedload这是对试样施加载荷的机构，它利用一定的动力和传动装置迫使试样产生变形，使试样受到力或能量的作用。其加载方式是液压式的。在机座上装有两根立柱，其上端有大横梁和工作油缸。油缸中的工作活塞支持着小横梁。小横梁和拉杆、工作台组成工作框架，随工作活塞生降。工作台上方装有承压板和弯曲支架，其下方为钳口座，内装夹持拉伸试样用的上夹头。下夹头安装在下

4、钳口座中，下钳口座固定在升降丝杆上。当电动机带动油泵工作时，通过送油阀手轮打开送油阀，油液便从油箱经油管和进入工作油缸，从而推动活塞连同工作框架一起上升。于是在工作台与大横梁之间就可进行压缩、弯曲等实验，在工作台与下夹头之间就进行拉伸实验。实验完毕后，关闭送油阀、旋转手轮打开回油阀，则工作油缸中的油液便经油管泄回油箱，工作台下降到原始位置。（二）测力部分ThePartofMeasuringForce加载时，油缸中的油液推动工作活塞的力与试样所承受的力随时处于平衡状态。如果用油管和将工作油缸和测力油缸连同，此油压便推动测力活塞，通过连杆框架使摆锤绕支点转动而抬起。同时，摆锤上方的推板便推动水平齿

5、杆，使齿轮带动指针旋转。指针旋转的角度与油压亦即与试样所承受的载荷成正比，因此在测力度盘上便可读出试样受力的量值。四、试样Sample拉伸试样，通常加工成圆型或矩形截面试样，其平行长度L0等于5d或10d（前者为长试样，后者为短试样），本实验用短试样，即L0=5d。本实验所用的试样形状尺寸如图11所示。图11圆柱形拉伸试样及尺寸拉伸性能指标测定方法TheMeasuementMethodofTensilePerformanceIndex1、屈服点1、屈服点0S的测定TheMeasuementofYieldPoint试样在拉伸过程中，载荷不增加或开始降低而试样仍能继续伸长时的恒定最大或最小载荷所对

6、应的应力，分别为屈服点。S，上屈服点。SU大或最小载荷所对应的应力，分别为屈服点。S，上屈服点。SU，下屈服点。SL屈服点可借助于试验机测力度盘的指针或拉伸曲线来确定。1）指针法：当测力度盘的指针停止转动的恒定载荷或第一次回转的最小载荷即为所求的屈服载荷PS。（2）图示法：在拉伸曲线上找出屈服平台的恒定负荷或第一次下降的最小载荷为所求的屈服点载荷PS。求出Ps后，按下式可算出屈服点oS。oS=Ps/Fo（MNm2或Mpa）a低碳钢拉伸图ba低碳钢拉伸图b铸铁拉伸图图12屈服点负载确定2、屈服强度o02的测定TheMeasuementofYieldStrengtho02对于拉伸曲线无明显屈服现象

7、的材料，则必须测其屈服强度。屈服强度为试样在拉伸过程中，规定塑性变形为0.2%时的应力作为条件屈服点，称屈服强度。（1）图解法：DiagramMethod在拉伸曲线上，自弹性直线段与横坐标轴的交点0齐截取一等于残余相对伸长为0.002mm的距离OA,再从A点作平行与弹性直线段的AB线交于拉伸曲线于B点。B点载荷即为所求的屈服强度载荷P0.2，其伸长坐标轴放大倍数应不小于50倍（14）。0.2%nLeLe:引伸计标距n：伸长方法倍数图13屈服强度负载的确定（2）卸力法（引伸计法）ThemethodUnload对试样施加约相当于预期规定残余伸长应力10%的力Px后，装上引申计，继续施力至2P。保持

8、510秒，再卸直Po,记下引申计读数作为条件零点。从Po起第一次施力至试样在引申计标距内产生的总伸长为nXLeXer+（12）分格。（Le为规定残余伸长，即引申计标距与规定残余伸长应为。0.2所要求的伸长0.2%的积。er为弹性伸长）。o=P/Fo0.20.23、抗拉强度。b的测定TheMeasuementofTensileStrengthob实验拉至断裂，从拉伸曲线上确定实验过程的最大力，或从测力度盘上读取最大力。试样拉伸达到“最大载荷Pb”以前，伸长在标距范围内均匀分布。从“最大载荷”开始，试样上产生局部伸长或颈缩现象。细颈出现后，截面迅速减小。继续拉伸所需的载荷也变小，直至断裂。最初对试

9、样加载时，测力指针（主针）即随栽荷的增加而增加。当载荷达到最大值时，测力指针减少，减少到某一值时，试样断裂，按下式计算。o=Pb/Fob4、伸长率6的测定TheMeasuementofElongationRate8伸长率6为试样拉断后标距长度的增量与原标距长度的百分比6=（LkLo/Lo）X100%长、短试样的断后伸长率分别为55，510表示。试样在拉伸前先将标距部分划分10等份，划上标距，测量断后伸长时，分两种情况。（1）如断口到邻近标距断点的距离大于（1/3）Lo,可直接测量断后两点的距离为Lk；（2）如断口到邻近标距端点小于或等于（1/3）Lo,要用位移法换算。如图15所示。先在长段上从

10、断口处O截取一段OC,其长度等于1/2或稍大于（不大于一格）1/2标距的总格数；再由C向断口方向截取一段CD,令CD的格数等于C到邻近标距端点A的格数CA；断后BC+CD的长度便是LK。这样，就相当于把CD移到试样标距的另一端，接到B处，变为断口在中间。5、断面收缩率的测定TheMeasuementofContractionofcrossSectionalArea8断面收缩率为试样拉断后颈缩处横截面积的最大缩减量与原横截面积的百分比,即FF二一KX100%F0拉断后颈缩处截面积fk的测定，原形试样在颈缩最小处两个互相垂直方向上测其直径,用两者的算术平均值计算。实验步骤ExperimentPro

11、cedure1、用游标卡尺测量原始直径dO（在试样上、中、下段互相垂直的两个方向分别测量）取其最小值。2、在试样上用划线仪，画出原始标距100mm（中间以10mm为间隔画点，以备用位移法计算8）3、根据材料估计本实验的载荷使用量程，选好读数盘。4、将试样安装在上夹头内，再移动下夹头使之达到适当位置，将试样下端加紧，要求试样夹正，并对准中心，以保证试样轴向受力。5、打开送油阀，缓慢加载，当测力指针不动或第一次往回转时的最小载荷，就是屈服载荷PS。过屈服阶段后，可稍快一些加栽，直至试样断裂，记录下指针指示的断裂前的最大栽荷Pb。关闭油门停机，取下试样。6、断裂试样的测量。将两段试样尽量对紧在一起，

12、用游标卡尺直接测量或用位移法换算后测量的标距长度LK，并用游标卡尺在断口最小截面处测量断口直径。实验数据记录与计算Theexperimentalresults1、实验结果加载数据：P=32.5KNP=50.5KNSb试样长度尺寸试样断面尺寸原始标距长度Lo(mm)断后标距长度Lk(mm)原始直径do(mm)颈缩处最小直dk(mm)原始横截面Fo(mm2)颈缩处横截面Fk(mm2)50.063.6010.027.1278.8139.80其中：原始直径Lo为三次测量结果1002mm、1012mm、1020mm的最小值2、实验数据处理根据的d。、dk求F。、Fk：F,(d/2)23.14X(10.0

13、2/2)2=78.81mm200F,(d/2)23.14X(7.12/2)2=39.80mm2K1强度指标：P325X103屈服极限：g二325X10412.15MPasF78.810P505X103强度极限：GP50.5X10640.42MPabF78.8103)塑性指标：断面延伸率：8=丄x100%旳x100%27.20%L50(FF)78.8139.80断面收缩率：中=0kx100%=x100%49.51%F78.81故实验计算结果如下表强度指标塑性指标屈服点MPa(N/mm2)强度极限MPa(N/mm2)延伸率5断面收缩率412.15640.4227.20%49.51%八思考题Ques

14、tions1、退火的低碳钢，中碳钢和高碳钢的屈服现象，在拉伸图上的区别？为什么？答：低碳钢的拉伸图上分为四个阶段：弹性变形阶段、不均匀塑性变形（即屈服现象）、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形（即颈缩）；而中、高碳钢的拉伸图上无明显屈服现象，即由弹性变形阶段、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形（即颈缩）。原因可能是屈服现象是位错运动和增殖的结果，由于中、高碳钢中第二相的影响较大，阻碍或约束位错的运动，从而使中、高碳钢中屈服现象不明显。2、碳钢、含碳量与其强度、塑性的关系。答：碳钢中，在含碳量小于共析成分0.77%时，随含碳量的升高、其强度和硬度增加，塑性下降；而在高于0.77%后，其硬度继续增高，

15、但强度下降，塑性也降低。大连理工大学实验报告学院（系）：材料科学与工程学院专业:材料成型及控制工程班级：材0701姓名：学号：组：指导教师签字：成绩：实验二缺口拉伸实验Theindentationpullstostretchtheexperiment实验目的Experimentthepurpose1、了解材料在硬性应力状态和应力集中下的脆化倾向。2、掌握测定材料缺口抗拉强度ObN，缺口延伸率SbN和缺口断面收缩率bN的测定方法。实验概述Experimentssayall机件由于本身结构和加工制造的特点，总是存在有截面突变的台阶和缺口如键槽、螺纹、油孔和退刀槽等。这些部位改变了受力条件，使之趋于

16、甚至处于脆性状态；同时还在缺口根部引起应力集中，促进裂纹的生成和扩展，产生脆性断裂。因此，一般认为缺口是造成硬性应力状态和应力集中，降低材料韧性的一个脆化因素。金属材料因存在缺口，造成的应力集中，增加变脆的倾向，称为缺口敏感性。为评价不同材料的缺口敏感性，常用的力学性能试验有：缺口拉伸，缺口偏斜拉伸，缺口静弯曲等。三缺口处应力分布的特点Indentationsshouldthecharacteristicsthatdintdistribute为了认识缺口对材料机械性能的影响规律，需要了解缺口处应力分布的情况，分析它们对变形和断裂过程的影响。实验证明，在单向拉伸下，由于缺口的存在，使缺口截面上的

17、应力变为三向（或两向）拉应力状态，而且是不均匀分布的应力。带缺口的杆件在受拉力时，远离缺口处的截面FN上力线的分布是均匀的，只有轴向应力SL；在缺口截面FN上，由于截面突然缩小，力线密度增加，越靠近缺口根部力线越密，产生应力集中；在缺口上下附近因力线不能通过而出现了无应力区拉伸时它将阻止FN截面的横向自由收缩，因而就出现了切向应力（St）和径向应力（Sr）就构成了三向应力状态。四缺口试样Indentationstrythekind本实验是采用45#钢加工成带有缺口的拉伸试样，如图24所示。在拉伸条件下，试样所能承受的最大载荷，除以原始缺口横截面积，求出该试样的缺口强度极限obN。以及缺口断面收

18、缩率bN，缺口伸长率6bN。工程上常用缺口强度极限obN与截面尺寸光滑试样的抗拉强度。b的比值作为材料的缺口敏感性指标。qe=ob/obN当qel时，表明缺口处发身了塑性变形的扩展，说明敏感性小。当qeV1时，表明缺口处还未明显发生塑性变形扩展就早期脆断。obN的测试方法与求法与ob相似，不再赘述。闺5-11LJ壬CZT申图21缺口拉力试样形状及尺寸五实验数据记录与整理Theexperimentalresults1、实验数据处理根据的d0、dk求F0、Fk：F,(d/2)23.14X(8.00/2)2=50.24mm20F,(d/2)23.14x(6.40/2)2=32.15mm2K1强度指标

19、：P245x103屈服极限：，Ln24.5X10487.4MPasnF50.240P3323x103强度极限：，_bN661.09MPabNF50.2403)塑性指标：延伸率：(LkL0)x100%46.0440X100%15.1%NL40(FF)50.2432.15断面收宿率:nX100%50.2/X100%36%(4)缺口敏感系数qe缺口敏感系数q=bN=1.298e,528.4将实验数据填入下表内：缺口试样长度尺寸缺口试样断面尺寸原始标距长度断后标距长度原始直径颈缩处最小直上人丄址+1、r.rxrr原始横截面积颈缩处横截面积L(mm)0L(mm)Kd(m)0径d(m)KF(mm2)0F(

20、mm2)K40.0046.048.006.4050.2432.15载荷强度指标塑性指标屈服载荷屈服点Mpa强度极限Mpa断面收缩率最人载何P(KN)SP(KN)b(N/mm2)(N/mm2)延伸率/%/%24.533.23487.40661.0915.136%六思考题Thinkthesubjectofexamination45#钢缺口试样与光滑试样拉伸结果比较后讨论为什么缺口强度极限大于光滑试样的强度极限。bNob?答：首先由于缺口根部最先满足屈服条件而发生塑性变形，当根部产生屈服，就会产生应力松弛，并且随着塑性变形自表面向心部扩展，使得最大应力不在缺口根部，而在其内侧一定距离处，该处应力最大

21、。越过交界处，弹性区内的应力分布是连续下降的。显然，随着塑性变形逐步向内部转移，各应力峰值越来越大，它们的位置也逐步移向中心。可以预料，试样中心区的应力最大。因此，在存在缺口的条件下出现了三向应力状态并产生了应力集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高，产生了所谓“缺口强化”现象。为什么工程构件不能采用缺口来强化材料？答：在存在缺口的条件下由于出现了三向应力状态，并产生应力集中，试样的屈服应力比单向拉伸时高，产生了所谓“缺口强化”现象。“缺口强化”并不是金属的内在性能发生变化，纯粹是由于三向拉伸应力约束了塑性变形所致，所以不能把“缺口强化”作为强化金属材料的手段。“缺口强化”也提高了材料的抗拉强度，

22、但是使材料塑性大大降低，脆性断裂倾向增大。相同材料，相同缺口条件的试样，只是试样直径的不同，它们测出的qe是否相同？为什么？答：相同，因为q是缺口极限强度与截面尺寸光滑试样的抗拉强度的ebNb比值，而抗拉强度为材料的特性，与尺寸无关，仅与材料的种类相关；缺口b极限强度也与缺口的形状和大小相关，因此，q相同。bNe大连理工大学实验报告学院（系）：材料科学与工程学院专业:材料成型及控制工程班级：材0701姓名：学号：组：指导教师签字：成绩：实验三系列温度冲击实验Theseriestemperaturepoundsattheexperiment一实验目的Experimentthepurpose1、了

23、解冲击实验机结构、工作原理及使用方法；2、掌握金属材料冲击值的测定方法。3、了解系列冲击实验方法，学会用能量法及断口形貌法确定金属冷脆转化温度Tk及其测试方法。二实验概述Experimentssayall许多机器零件在工作时要受到冲击载荷的作用，如各种车辆的起动、刹车以及速度突然改变时，都会受到冲击。还有一些机械本身就是利用冲击能量来工作的，如锻锤、冲床、凿岩机、铆钉枪等都是必然受到冲击的零件。怎样评定金属材料受到冲击载荷后的性能，其次还将讨论冷脆转化温度Tk。其试验常用摆锤式冲击试验机。将具有一定形状及尺寸的标准试样放在冲击实验机的支座上，再将一定重量的摆锤升到一定高度。使之具有一定的位能，

24、然后让摆锤自由落体，使试样断裂。冲断试样前后的能量差来确定该试样的冲击吸收功Ak（J或NM）,Ak被试样缺口底部处横截面积除之便得到此种材料的冲击韧性值ak（J/cm2或Nm/cm2）。有一些金属材料如体心立方晶格的中低强度钢，当其服役温度降低时，起塑性、韧性便急剧降低，使材料脆化，这种现象叫做冷脆。工程上就把这种由于温度降低造成金属由韧性状态转变为脆性状态的转变温度叫做冷脆转化温度，用Tk表示。不同金属的冷脆转化温度Tk不同。Tk愈低，表示脆化倾向愈小，即在低温下使用时危险性愈小。金属的冷脆现象对一些在寒冷地带服役的机械设备（工程机械、运输机械、桥梁、铁路及输油管道等）带来很大危害及影响。因

25、此，用系列冲击方法，研究材料在20C,0C,-20C,-40C,-60C,-80C,-100C或更低温度下的冲击值变化情况，绘出冲击值一温度曲线，以确定冷脆转变温度Tk。实验方法Experimentmethods（一）设备本试验所使用仪器设备包括：冲击试验机，液氮，酒精，干冰，低温温度计及游标卡尺（精确度不低于0.02mm）等。图31夏氏U型标准冲击试样图32冲击试样原理图本试验所采用原苏联30KGM冲击试验机，其构造原理如图32所示。它是由机座和两个立柱组成的。在两立柱上借滚珠轴承悬一摆锤，摆锤上装一钢刃，作为冲刀，试样放在两个经过淬火的钢支座上,支座间跨距为40mm。摆锤处于初始状态A的预

26、仰角为a,其高度为H,释放摆锤做自由落体运动后，摆锤扬起到C状态仰角为B,其高度为h。则在A处摆锤具有的能量ea为EA=MgH=MgL（1一cosa）式中：M：摆锤的重量25.118Kgg：冲击试验机安装地点自由落体加速度9.81m/秒2L：摆锤旋转轴到摆心的距离0.661m摆锤冲断试样后，扬起到C处的能量Ec为Ec=Mgh=MgL（1一cosB）如果认为空气阻力等各种能量损失远小于试样的冲击消耗能，将其略去则试样的冲击消耗能（即吸收功）Ak为Ak=MgL（cosBcosa）a、B的大小可直接在试验机表盘上读出。（二）试样根据国家标准（GB22984和GB210680）规定，冲击实验所使用的夏

27、比U型缺口和夏比V型缺口标准试样，本实验采用前者如图31所示。实验步骤Experimentthestep（一）单试样冲击试验1、检查试样有无缺陷，用游标卡尺测量缺口处的断面尺寸，记录下测量数据。2、试验前，先进行一次空机试验，以校准试验机无不正常的磨擦和阻力，空击指，针其误差小于1J或1NM。3、试样应紧贴支座，并使试样处于支座中心位置，缺口背向百锤的韧口。4、摆锤扬起H高度，记录下指针读数（a）待摆锤自由落体后，在记录下指针读数（B）,代入公式计算结果。5、观察试样的断口特征。（二）系列冲击试验方法酒精加干冰（固体二氧化碳），可达到一70C以上的不同温度。酒精加液氮可达到一100C以上的不同

28、温度，纯液氮可达一196C。（1）试样经酒精冲洗后，放入冷却装置中冷却，保温时间不少于15分钟。（2）试样从冷却介质中取出，讯速放在试验机支座上冲断。这个过程应在25秒内完成。每一种温度下的冲击试样应不少于2个试样。（3）每个试样的断口形态及性质应记录和描述。（4）绘制冲击值温度曲线。（5）冷脆转变温度Tk的确定可用下列两种方法。A、能量法就是以冲击能量降低到某一个具体数值时的温度定为Tk。对于夏比V型缺口试样，取冲击能量为0.4Akmax所对应的温度为Tk,或取1/2(Akmax+Akmin)所对应的温度为Tk。Akmax是指室温下100%韧性断口所对应的冲击功；而Akmin则指刚刚出现10

29、0%结晶状断口时所对应的冲击功。B、断口形貌法就是指断口形貌中纤维区所占面积下降到50%时所对应的温度为Tk,这种方法主要适用V型缺口试样。试样在不同温度下冲击断后，计算出断口形貌中纤维区和结晶区所占面积。计算时,先在显微镜下量出断口中X及Y尺寸大小(精确到0.5mm)然后将其带入下列公式计算纤维区(包括剪切唇)所占面积百分比。纤维区面积()=(A.BX.Y)/A.B100%五、实验数据的记录与计算Theexperimentreport材料及热处理状态试样缺口处断面尺寸冲击功AkJ(Nm)冲击值akAk/Fo(J/cm2)断口特征高Cm宽Cm断面积Cm2实验数据处理试样重m=25.118kg(g=9.8m/s2),摆锤臂长l=0.661m(1)计算AkA=mgH一mgh=mgL(cosP，cos)其中：mgL=25.1189.810.661=162.71Jk故：A=MgL(cosP一cos)=162.71J(cosP一cos)通过上面公式，可以计算得出下表：温度t/C20-30-197/1109060cos0-0.342000.5000P/278456.5cosB0.2160.0700.552A(J)K200.6317.008.