低碳钢和铸铁的拉伸实验

一、试验目的要求１．测定低碳钢的流淌极限 、强度极限、延长率、截面收缩率和铸铁的强度极S b限。b２．低碳钢和铸铁在拉伸过程中表现的现象，绘出外力和变形间的关系曲线〔FL曲线。３．比较低碳钢和铸铁两种材料的拉伸性能和断口状况。二、试验设备和仪器CMT5504/5105电子万能试验机、游标卡尺等图1-1 CMT5504/5105电子万能试验机word文档可自由复制编辑三、拉伸试件金属材料拉伸试验常用的试件外形如下图。图中工作段长度l称为标距，试件的拉伸变形量一般由这一段的变形来测定，两端较粗局部是为了便于装入试验机的夹头内。图1-2 拉伸试件l5d或l10d。对于一般板的材料拉伸试验也应按国家标准做成矩形截面试件其截面面积和试件标距关系为l11.3 A或l5.65 A，A为标距段内的截面积。低碳钢拉伸铸铁拉伸word文档可自由复制编辑四、试验原理和方法低碳钢拉伸试验低碳钢试件在静拉伸试验中，通常可直接得到拉伸曲线，如图1—3所示。用准确的拉伸曲线可直接换算出应力应变慢加载()，试样依次经过弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段，其中前三个阶段是均匀变形的。图1-3 低碳钢拉伸曲线弹性阶段是指拉伸图上的OA段，没有任何残留变形。在弹性阶段，载荷与变形A，对应的应力为比例极限 ，此局部载荷与变形是成比例的。p屈服阶段对应拉伸图上的BC段。金属材料的屈服是宏观塑性变形开头的一种标这种载荷在肯定范围内波动而试件还连续变形伸长的现象称为屈服现象屈服点。上屈服点对应拉伸图中的BF

，即试件发生屈服而力首次下降前的最SU大力值。下屈服点记为F

，是指不计初始瞬时效应的屈服阶段中的最小力值，留意这里的SL初始瞬时效应对于液压摆式万能试验机由于摆的回摆惯性尤其明显或液压伺服试验机不明显。word文档可自由复制编辑图1-4 常见屈服曲线个谷值后所余最小谷值点就是屈服点。图1-4给出了几种常见屈服现象和F 、FSL SU

确实定方法。用上述方法测得屈服载荷，分别用式(1-1)、式(1-2)、式(1—3)计算出屈服点、下屈服点和上屈服点。

=F/AS 0

(1-1) =F /ASL SL 0

(1-2) =F /ASU SU 0

(1-3)强化阶段对应于拉伸图中的CD段。变形强化标志着材料抵抗连续变形的力量在增加。这也说明材料要连续变形，就要不断增加载荷。在强化阶段假设卸载，弹性变形会随硬化工艺的例子很多，如挤压、冷拔等。D点是拉伸曲线的最高点，载荷为Fb

，对应的应力是材料的强度极限或抗拉极限，记为，用式〔1-4〕计算b=F/Ab b 0

(1-4)颈缩阶段对应于拉伸图的DE段。载荷到达最大值后，塑性变形开头局部进展。word文档可自由复制编辑均匀变形转化为集中变形，导致形成颈缩。颈缩阶段，承载面积急剧减小和断面收缩率来表示，计算公式为(l1

l)/l0

100% (1-5) (A0

A)/A1

100% (1-6)式中，l0

A分别表示试件的原始标距和原始面积；l0

A分别表示试件标距的断后长度1局部的变形占塑性变形的80％左右，见图1-5。测定断后伸长率时，颈缩局部及其影响区的塑性变形都包含在l1

之内，这就要求断口位置到最邻近的标距线大于l0

/3，此时可直接测量试件标距两端的距离得到l1标距之外则试验无效。铸铁拉伸试验铸铁是典型的脆性材料，拉伸曲线如图1-7所示，可以近似认为经弹性阶段直接断裂。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，用试验测得的最大力值Fb

，除以试件的原始面积A0

，就得到铸铁的抗拉强度，即b =F/ Ab b 0

(1-7)1-7铸铁拉伸曲线图word文档可自由复制编辑五、试验方法与步骤〔一、拉伸试验：１、低碳钢的试件的预备：在试件中段取标距l5d50mm在标距两端用脚标规打上冲眼作为标志，用游标卡尺在试件标距范围内测量中间和两端三处直径d〔在每处的两个相互垂直的方向各测一次取其平均值件的预备用游标卡尺在试件标距范围内测量中间和两端三处直径d取最小值作为计算试件横截面面积用。２、操作步骤：、开电脑显示器电源，开掌握器电源，开主机电源；CMT5504/5105电子万能试验机SANS掌握操作界面；、点击右侧上下按键使横梁上下移动至和适位置；、依据试样形式装上相应夹头；、设定试验方案和试验参数；、传感器初值置零；、点击(运行)按钮，开头试验，试验完毕自动停顿，点击生成试验报告；、安装下一根试样，重复步骤8，直到全部试样全部试验完毕；、打印试验报告；、关主机，关电脑显示器电源，关掌握器电源，取下拉断的试件，将断裂的试件紧l1

l1l1ll0 100%0将断裂的试件的断口紧对在一起，用游标卡尺量出断口〔细颈〕处的直径d，计算出1A1

；按下式可计算出低碳钢的截面收缩率，A0A0AA1 100%0、清理试验现场。二、留意事项：1、更换试样夹持装置时，留意装置重心，防止装置倾倒砸伤人员或砸坏试验机；word文档可自由复制编辑2、安装试样时留意尽可能对中；3、试验时在试样四周设置护栏，以防试样断裂瞬间飞出伤人；4、试验过程中觉察意外状况，马上按下试验机机座上的红色急停按钮，请试验机治理人员检查。5六、试验结果处理和，S b铸铁的抗拉强度和抗压强度 。将计算结果填入试验报告表。b bc七、思考题由试验现象和结果比较低碳钢和铸铁的机械性能有何不同？试验时如何观看低碳钢的屈服极限？材料一样而标距分别为5d和10d的两种试件，其、、、是否一样？为什s b么？八、试验报告格式(仅供参考)试验名称： 班级： 试验日期：报告人： 同组者：试验目的：试验设备和工具：试验机名称： 型号： 读数精度：量具名称： 型号： 规格精度试验原理方法简述：试验步骤简述：试验数据和结果处理(1-11-2试验数据和处理结果〕依据试验结果绘制应力一应变曲线，以及试样断口草图。分析争论和答复思考题。wordword文档可自由复制编辑试验二 低碳钢和铸铁的压缩试验一、试验目的比较低碳钢和铸铁压缩变形和破坏现象。测定低碳钢的屈服极限σs

和铸铁的强度极限σ。b比较铸铁在拉伸和压缩两种受力形式下的机械性能、分析其破坏缘由。生疏压力试验机和万能试验机的使用方法。一、试验仪器和设备CMT5504/5105电子万能试验机。游标卡尺。三、试件介绍压缩试件的高度和直径的比例为3：2，铸铁压缩试件的高度和直径的比例为2：1。试件均为圆柱体。word文档可自由复制编辑四、试验原理及方法压缩试验是争论材料性能常用的试验方法。对铸铁、铸造合金、建筑材料等脆性材料尤为适宜。通过压缩试验观看材料的变形过程、破坏形式，并与拉伸试验进展比较，可以分析不同应力状态对材料强度、塑性的影响，从而对材料的机械性能有比较全面的生疏。低碳钢压缩时也会发生屈服，但并不象拉伸那样有明显的屈服阶段。因此，在测定Ps对应的载荷即为屈服载荷Ps。屈服之后加载到试件产生明显变形即停顿加载。这是由于低而增加故不行能得到最大载荷P,因此也得不到强度极限 所以在试验中是以变形来控b b制加载的。铸铁试件压缩时，在到达最大载荷P前消灭较明显的变形然后裂开，此时试验机读数b快速减小，读取最大载荷P值，铸铁试件最终略呈变形，断裂面与试件轴线大约呈450。b五、试验步骤测量试件的直径和高度。测量试件两端及中部三处的截面直径，取三处中最小一处的平均直径计算横截面面积。word文档可自由复制编辑将试件放在试验机活动台球形支撑板中心处。、设定试验方案和试验参数；对于低碳钢，要准时记录其屈服载荷，超过屈服载荷后，连续加载，将试件压成鼓形即可停顿加载。铸铁试件加压至试件破坏为止。、初值置零；、点击开头试验按钮，开头试验，试验完毕自动停顿，生成试验报告；、安装下一根试样，重复步骤8，直到全部试样全部试验完毕；、打印试验报告；六、试验结果读取记录低碳钢的屈服极限ss Pss A0读取记录铸铁的强度极限b

〔2-1〕P bb A01

〔2-2〕A0

d2，d4 0

为试件试验前最小直径。0七、思考题为何低碳钢压缩测不出破坏载荷，而铸铁压缩测不出屈服载荷？依据铸铁试件的压缩破坏形式分析其破坏缘由，并与拉伸作比较？通过拉伸与压缩试验，比较低碳钢的屈服极限在拉伸和压缩时的差异？通过拉伸与压缩试验，比较铸铁的强度极限在拉伸和压缩时的差异？word文档可自由复制编辑一、试验目的

试验三低碳钢和铸铁的 扭转试验观看低碳钢的扭转破坏现象，并测定其剪切屈服极限τs观看铸铁的扭转破坏现象，并测定其剪切强度极限τ。b

和剪切强度极限τ；b二、试验设备CTT1000/最大扭矩500Nm游标卡尺。3-1CTT1000/最大扭矩500Nm三、试验试样依据国家标准GB10128—88《金属室温扭转试验方法是圆形截面试样，如图2-1所示。通常，圆形截面试样的直径d10mml5d或l10d，平行局部的长度为l20mm。假设承受其它直径的试样，其平行局部的长度应为标距加上两倍直径。试样头部的外形和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹持。家标准GB10128—88。word文档可自由复制编辑图2-1 扭转试样word文档可自由复制编辑四、试验原理与方法〔图2-点处的剪应力τ，即，其方向为与圆杆轴线成±45角的螺旋面上。圆杆扭1 3转时横截面上有最大剪应力，而45°斜截面上有最大拉应力，由于各种材料抵抗剪切和拉断破坏；而铸铁抗拉强度低于抗剪强度，试件由与杆轴线成45°的斜截面上的σ1引起拉断破坏。word文档可自由复制编辑图2-2 园轴扭转时的应力1低碳钢是塑性材料，其扭转曲线〔图2-3〕与拉伸类似，随扭矩T的增加，材料经过弹性变形〔O-A段、塑性变形〔A-B段、强化〔B-C段〕和断裂四个阶段而被破坏，断口是很齐的横断面，这是由于剪应力超过了材料的剪切强度极限所致。图2-3 低碳钢扭转曲线对于低碳钢材料M-φ曲线有两种类型，如图2-4所示。TTT Tb bT Ts sφ φφ曲线2-4φ曲线word文档可自由复制编辑ττsττsτb(b) (c)图2-5 低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图低碳钢试件在受扭的最初阶段，扭矩M与扭转角φ成正比关系，横截面上剪应力沿半2-5aMn极限 ，且塑性区渐渐向圆心扩展，形成环形塑性区见图2-5b。但中心局部仍是弹性的。s试件连续变形，屈听从试件表层向心部扩展直到整个截面几乎都是塑性区如图2-5c所示。在T φ曲线上消灭屈服平台见图2-4。试验机指针根本不动此时对应的扭矩即为屈服扭矩T。随后，材料进入强化阶段，变形增加，扭矩随之增加，直到试件破坏为止。因扭转无s颈缩现象。所以，扭转曲线始终上升而无下降状况，试件破坏时的扭矩即为最大扭矩T。b现在推导扭转屈服极限τs

τ的计算公式。b扭矩超过比例极限后，截面上的剪应力分布发生变化，如图2-5b。在截面上消灭了一个环状塑性区，并随着T的增长，塑性区逐步向中心扩展，T φ曲线略微上升，直到B点上指示出的扭矩或指针摇摆的最小值即为屈服扭矩Ts

。如图2-5b，依据静力平衡条件，可τs

与T的关系为：sTs

〔2-1〕AρτdAs将式中dA2AρτdAs2πτ2πτd/2ρ2dρ4τWso3s ps故剪切屈服极限为：3T3TS4Wsp

〔2-2〕〔2-3〕类似可求得word文档可自由复制编辑3Tb 〔2-4〕bp式中W 为圆轴的抗扭截面模量，其值由下式计算pπd3W 0p 1622-4所示，扭转时变形很小就突然断裂，有爆裂声，45度角的螺旋面，这是由于最大拉应力超过了材料的强度极限而破坏的。一般按式〔2-4〕计算铸铁的抗扭强度。2-4铸铁扭转曲线沿最大剪应力所在的横截面剪断，断口平齐。呈现了切断的特征。而铸铁材料在纯剪切应线呈的45螺旋状曲面被拉断，呈现正断断口的特征。3、破坏分析2-5所示。低碳钢圆形试件的破坏断面与曲线垂直见图2-5a，明显是沿最大剪应力的作用面发生断裂，为剪应力作用而剪断。故低碳钢材料的抗剪力量低于抗拉〔压〕力量；铸铁圆形试件破坏断面与轴线成45°螺旋面见图2-5b，破坏断口垂直于最大拉应σ1方向，断面呈晶粒状，这是正应力作用下形成脆性断口，故铸铁材料是当最大拉应力首先到达其抗拉强度极限时，在该截面发生拉断破坏。word文档可自由复制编辑(a)低碳钢：剪断 (b)铸铁：拉断图2-5扭转断口示意图五、试验方法与步骤１、试件的预备：用游标卡尺在试件标距范围内测量中间和两端三处直径d〔在每处的两个相互垂直的方向各测一次取其平均值〕取最小值作为计算试件横截面面积用。２、操作步骤：、开电脑显示器电源，开掌握器电源，开主机电源；，进入掌握操作界面；系统显示窗口显示PC、依据试样形式，点击转动按键至使夹头转至和适位置；