实验一低碳钢铸铁的拉伸实验.docx
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实验一低碳钢铸铁的拉伸实验
实验一低碳钢、铸铁的拉伸实验
拉压实验是材料的力学性能实验中最大体最重要的实验，是工程上普遍利用的测定材料力学性能的方式之一。
一、实验目的：
一、了解全能材料实验机的结构及工作原理，熟悉其操作规程及正确利用方式。
二、通过实验，观看低碳钢和铸铁在拉伸时的变形规律和破坏现象，并进行比较。
3、测定低碳钢拉伸时的屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ和截面收缩率ψ，铸铁拉伸时的强度极限σb。
二、实验设备及试样
一、全能材料实验机
二、游标卡尺
3、钢直尺
4、拉伸试样：
图拉伸试样
由于试样的形状和尺寸对实验结果有必然阻碍，为便于相互较较，应按统一规定加工成标准试样。
图别离表示横截面为圆形和矩形的拉伸试样。
L0是测量试样伸长的长度，称为原始标距。
按现行国家GB6397-86的规定，拉伸试样分为比例试样和非比例试样两种。
比例试样的标距L0与原始横截面A0的关系规定为
（）
式中系数k的值取为时称为短试样，取为时称为长试样。
对直径d0的圆截面短试样，
=5d
；对长试样，
。
本实验室采纳的是长试样。
非比例试样的L0和A0不受上列关系的限制。
试样的表面粗糙度应符合国标规定。
在图中，尺寸Ｌ称为试样的平行长度，圆截面试样Ｌ不小于Ｌ0＋d0；矩形截面试样Ｌ不小于Ｌ0＋b0/2。
为保证由平行长度到试样头部的缓和过渡，要有足够大的过渡圆弧半径Ｒ。
试样头部的形状和尺寸，与实验机的夹具结构有关，图所示适用于楔形夹具。
这时，试样头部长度不小于楔形夹具长度的三分之二。
三、实验原理及方式
图低碳钢拉伸时的P-△L曲线
常温下的拉伸实验是测定材料力学性能的大体实验。
可用以测定弹性Ｅ和μ，比例极限σp，屈服极限σs（或规定非比例伸长应力），抗拉强度σb，断后伸长率δ和截面收缩率ψ等。
这些力学性能指标都是工程设计的重要依据。
一、低碳钢拉伸实验
图
1）、屈服极限σs及抗拉强度σb的测定
对低碳钢拉伸试样加载，当抵达屈服时期时，低碳钢的Ｐ－△Ｌ曲线呈锯齿形（图）。
与最高载荷Ｐsu对应的应力称为上屈服点，它受变形速度和试样形状的阻碍，一样不作为强度指标。
一样，载荷第一次下降的最低点（初始瞬时效应）也不作为强度指标。
一样将初始瞬时效应以后的最低载荷Ｐsl，除以试样的初始横截面面积Ａ0，作为屈服极限σs，即
σs＝
（）
假设实验机由示力度盘和指针指示载荷，那么在进入屈服时期后，示力指针停止前进，并开始倒退，这时应注意指针的波动情形，捕捉指针所指的最低载荷Psl。
屈服时期事后，进入强化时期，试样又恢复了抗击继续变形的能力（图）。
载荷抵达最大值Pb时，试样某一局部的截面明显缩小，显现“缩颈”现象。
这时示力度盘的从动针停
图
留在Pb不动，主动针那么迅速倒退，说明载荷迅速下降，试样即将被拉断。
以试样的初始横截面面积Ao除Pb得抗拉强度σb，即
（）
2）伸长率δ及截面收缩率ψ的测定 试样的标距原长为Ｌ0，拉断后将两段试样紧密地对接在一路，量出拉断后的标距长为Ｌ1，断后伸长率应为
δ＝
×１００％
图断口移中法测L1
断口周围塑性变形最大，因此Ｌ1的量取与断口的部位有关。
如断口发生于Ｌ0的两头或在Ｌ0之外，那么实验无效，应重做。
假设断口距Ｌ0的一端的距离小于或等于
（图），那么按下述断移中法测定Ｌ0。
在拉断后的长段上，由断口处取约等于短段的格数得Ｂ点，假设剩余格数为偶数（图），取其中一半得Ｃ点，设ＡＢ长为a，ＢＣ长为b，那么Ｌ1＝a＋2b。
当长段剩余格数为奇数时（图2.9c），取剩余格数减１后的一半得Ｃ点，加１后的一半得Ｃ1点，设ＡＢ、ＢＣ和ＢＣ1的长度别离为a、b1和b2，那么Ｌ1＝a＋b1＋b2。
试样拉断后，设缩颈处的最小横截面面积为Ａ1，由于断口不是规那么的圆形，应在两个彼此垂直的方向上量取最小截面的直径，以其平均值计算Ａ1，然后按下式计算断面收缩率：
ψ＝
×１００％
2、铸铁拉伸实验
铸铁属于脆性材料，拉伸进程中，没有屈服和“颈缩”现象，它的Ｐ－△Ｌ曲线近似一条斜直线（如图），本实验咱们只测铸铁的抗拉强度极限，因此实验终止后，主动针退回零位，从动针所指示的载荷即是Ｐb，代入式计算得出σb。
四、实验步骤
1、测量试样直径 在标距Ｌ0的两头及中部三个位置上，沿两个彼此垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算各横截面面积，再以三个横截面面积中的最小值为Ａ0。
2、实验机预备 依照试样尺寸和材料，估量最大载荷，选择相适应的示力度盘和摆锤重量，需要自动画图时，事前应将滚筒上的纸和笔装妥。
先关闭送油阀和回油阀，再开动油泵电机，待油泵工作正常后，开启送油阀将活动平台上升约１cm，以排除其自重。
然后关闭送油阀，调零。
3、安装试样 安装拉伸试样时，对Ａ型实验机，可开动下夹头起落电机以调整下夹头的位置，但不能用下夹头起落电机给试样加载；对Ｂ型实验机，用横梁起落按钮调整拉压空间。
4、加载 缓慢开启送油阀，给试件平稳加载。
应幸免油阀开启过大，进油太快。
实验进行中，注意不要触动摆杆和摆锤。
五、实验完毕，关闭送油阀，停止油泵工作。
破坏性实验先取下试样，再缓慢打开回油阀将油液放回油箱。
非破坏性实验，自然应先开回油阀卸载，才能取下试样。
五、实验数据处置
按有关公式，将实验数据计算出来，其数值遵守表的修约规定。
有效数以后的数字进位规那么见附录Ⅱ⑼。
六、数据分析
对你所得出的数据，作出合理的分析。
表 性能指标数值的修约规定
性能
范围
修约到
σp
σs、σ
σb
≤200Mpa以下
1MPa
＞200Mpa~1000MPa
5MPa
＞1000MPa
10MPa
δ
%
ψ
%
六、问题讨论
试比较低碳钢和铸铁拉伸时的力学性能有什么不同。
实验二低碳钢、铸铁紧缩演示实验
一、实验目的：
一、进一步了解全能材料实验机的结构及工作原理，熟悉其操作规程及正确利用方式。
二、通过演示，观看低碳钢和铸铁在紧缩时的变形规律和破坏现象，并进行比较。
3、测定低碳钢紧缩时的屈服极限σs；铸铁紧缩时的强度极限σb。
二、实验设备及试样
一、全能材料实验机
二、游标卡尺
3、钢直尺
4、紧缩试样：
紧缩试样一样为圆柱形，也分短、长两种（图示）。
试样受压时，两头面与实验机垫板间的摩擦力约束试样的横向变形，阻碍试样的强度。
随着比值h0/d0的增大，上述摩擦力对试样中部的阻碍减弱。
但比值h0/d0也不能过大，不然将引发失稳。
测定材料抗压强度的短试样（图2.11a示），通常规定１≤h0/d0≤3。
至于图所示长试样，多用于测定钢、铜等材料的弹性常数Ｅ、μ及比例极限和屈服极限等。
三、实验原理及方式
3、铸铁的紧缩实验：
铸铁的紧缩实验与拉伸实验的实验曲线形状很相似（如图）。
铸铁紧缩时，破坏断口会沿450~550左右斜截面断裂，现在，主动针会回到零点，从动针停在原位置不动，记录下载荷Ｐb，代入式计算得出铸铁的抗压强度极限σb。
4、低碳钢的紧缩实验：
低碳钢紧缩时，其Ｐ－△Ｌ曲线如图，抵达屈服时，主动针会停顿乃至倒退，现在记录下屈服载荷Ｐs，那么有：
此即低碳钢紧缩时的屈服极限。
继续施加载荷，试样会越压越扁，但始终测不到Pb。
四、实验步骤
1、测量试样直径 在试样中部位置上，沿两个彼此垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算其横截面面积Ａ0。
2、实验机预备 依照试样尺寸和材料，估量最大载荷，选择相适应的示力度盘和摆锤重量，需要自动画图时，事前应将滚筒上的纸和笔装妥。
先关闭送油阀和回油阀，再开动油泵电机，待油泵工作正常后，开启送油阀将活动平台上升约１cm，以排除其自重。
然后关闭送油阀，调零。
3、安装试样 直接将紧缩试样放于工作台上，上升工作台，使试样与上、下垫板几乎接触为止。
4、加载 缓慢开启送油阀，给试件平稳加载。
应幸免油阀开启过大，进油太快。
实验进行中，注意不要触动摆杆和摆锤。
五、实验完毕，关闭送油阀，停止油泵工作。
应先开回油阀回油、卸载，才能取下试样。
五、实验数据处置及分析参照拉伸实验
六、问题讨论
一、铸铁紧缩时沿450~550斜面断裂，说明致使破坏的缘故是什么？
二、低碳钢紧缩时可否取得强度极限σb？
实验三弯曲正应力实验
一、实验目的：
1、测定梁经受纯弯曲时的正应力散布，并与理论计算结果进行比较，以验证弯曲正应力公式。
二、初步把握电测方式和多点应变测量技术。
二、实验设备：
一、组合式材料力学多功能实验台
二、XL2118系列力＆应变综合参数测试仪
3、游标卡尺、钢板尺
三、原理及方式：
在载荷P作用下的矩形截面钢梁如图（3.22a）所示。
在梁的中部为纯弯曲，弯矩为
。
在纯弯曲部份的侧面上，沿梁的横截面高度，每隔h/4贴上平行于轴线的应变片（共5片）。
温补偿片要放置在钢梁周围。
对每一待测应变片联同温度补偿片按半桥接线，如图（）所示。
测出载荷作用下各待测点的应变ε，由胡克定律知
σ=Eε
四、实验步骤及注意事项
一、依照§介绍的电阻应变仪利用方式，依照应变片灵敏系数k，设定仪器灵敏系数k仪，使k仪=k。
假设无法使之相等，那么按前面讲的方式操作。
二、按半桥接法接线，公共补偿。
预调平稳后，由Po至Pmax按增量△P逐级加载。
测出每一Pi对应的εi，并计算△εi，注意应变是不是按比例增加。
每一测点加载到Pmax然后卸载，重复二至三次。
重复加载中显现误差的大小，说明测量的靠得住程度。
测完一点再换另一点，直至5个测点全数测完为止。
3、加载要均匀缓慢；测量中不许诺移动导线；警惕操作，不要因超载压坏钢梁。
五、数据处置：
一、对每一测点，求出应变增量的平均值，依照胡克定律得实测应力为
二、由弯曲正应力公式求出各测点应力的理论值为
式中，I=
bh³。
3、对每一测点求出σ测对σ理的相对误差
在梁的中性层内，因σ
=0，故只需计算绝对误差。
表3－5（实验有关参数）
应变片至中性层距离（mm）
梁的尺寸和有关参数
Y1
20
宽度b=20mm
Y2
10
高度h=40mm
Y3
0
跨度L=600mm
Y4
10
载荷离支座距离a=125mm
Y5
20
弹性模量E=210GPa
泊松比μ=
六、问题讨论：
一、对本实验而言，弯曲正应力的大小是不是受材料弹性模量E的阻碍？
实验四弯扭组合变形的主应力的测定
一、实验目的：
一、测定圆管在扭弯组合变形下一点处的主应力大小及方向。
二、自行设计加载方案。
3、进一步把握电测方式，独立完成全桥或半桥的接线。
二、实验设备：
一、组合式材料力学多功能实验台
二、XL2118系列力＆应变综合参数测试仪
3、游标卡尺、钢板尺
三、实验原理：
τn
τn
στnmσ
τn
σs
（a）（b）
弯扭组合下（如图3.23a），圆管的m点处于平面应力状态（图）。
假设在xy平面内，沿x、y方向的线应变成
，切应变成
，依照应变分析（①刘鸿文主编，《材料力学》，第三版，§，高教出版社，1992。
）沿与x轴成α角的方向n（从x到n反时针的α为正）线应变成
=
（）
随α的转变而改变，在两个相互垂直的主方向上，
抵达极值，称为主应变。
主应变由下式计算
（）
两个相互垂直的主方向αo由下式确信
（）
对线弹性各向同性材料，主应变ε一、ε2和主应力σ一、σ2方向一致，并与以下广义胡克定律相
联系，
（）
本实验装置采纳的是450直角应变花，在m、mˊ点各贴一组应变花（如下图），选定x轴如下图，那么a、b、c三枚应变片的α角别离为－45°、0°、45º，代入式（）得出沿这三个方向的线应变别离是
从以上三式中解出
εx=ε0°，εy=ε45°＋ε－45°－ε0°,γxy=ε－45°－ε45°（a）
由于ε0o、ε45o和ε-45o能够直接测定，因此εx、εy和γxy可由测量的结果求出。
将它们代入公式（）得
（）
把ε1和ε2代入胡克定律（），即可确信m点的主应力。
将式（a）代入式（），得
（）
由上式解出相差π/2的两个α0，确信两个彼此垂直的主方向。
利用应变圆可知，假设εx的代数值大于εy，那么由x轴量起，绝对值较小的α0确信主应变ε1（对应于σ1）的方向。
反之，假设εx＜εy那么由x轴量起，绝对值较小α0确信主应变ε2（对应于σ2）的方向。
四、实验步骤及注意事项：
一、设计好本实验所需的各类数据表格。
二、测量试件尺寸、加力臂的长度和测点距力臂的距离，确信试件有关参数。
见表3－6
3、将薄壁圆筒上的应变片按不同测试要求接到仪器上，组成不同的测量电桥。
调整好仪
器，检查整个测试系统是不是处于正常工作状态。
4、拟订加载方案。
先选取适当的初载荷P0（一样取P0=10％Pmax左右），估算Pmax，分4～6级加载。
5、依照加载方案，调整好实验加载装置。
6、加载。
均匀缓慢加载至初载荷P0，记下各点应变的初始读数；然后分级等增量加载，
每增加一级载荷，依次记录各点电阻应变片的应变值，直到最终载荷。
实验至少重复两次。
7、作完实验后，卸掉载荷，关闭电源，整理好所用仪器设备，清理实验现场，将所用仪器设备恢复，实验资料交指导教师检查签字。
八、实验装置中，圆筒的管壁很薄，为幸免损坏装置，注意切勿超载，不能使劲扳动圆筒的自由端和力臂。
圆筒的尺寸和有关参数
计算长度L=240mm
弹性模量E=210GPa
外径D=40mm
泊松比μ=
内径d=35.8mm
扇臂长度a=250mm
表3－6（试件相关数据）
五、数据处置：
一、主应力及方向
（1）m点实测值主应力及方向计算；
计算主应变、主应力、主方向时，代入的是应变增量的平均值，三次测量中，重复性不行，或线性不行的一组数据应作为可疑数据，舍去或重做。
（2）m点理论值主应力及方向计算；
二、实测值与理论值比较（要求以表格形式）。
六、预习及试探题
１、预习本节、电测理论知识和《材料力学》中有关应力状态分析和应变状态分析的内容。
二、写预习报告时，要求将实测与理论主应力大小及方向的计算公式都推导出来。
3、将实测值与理论值进行比较，如各点皆吻合较好（例如误差均小于5％），即可。
假设误差较大，应分析产生误差的缘故。
附件Ⅰ
预习及实验报告要求
一、预习报告内容（预习报告上课时交，原始数据记录附在实验报告后。
）
实验名称：
实验目的：
实验设备：
实验原理：
实验步骤：
二、实验报告内容
实验名称：
实验目的：
实验设备：
要求注明所用设备的具体名称、型号、实验所选量程等。
原始数据记录：
见附表表格
数据处置：
将原始数据带入公式，得出计算结果。
注意单位及有效数字的保留。
问题讨论：
实验时指导教师布置的问题。
附件Ⅱ实验原始记录
紧缩实验
试件材料
试件
规格
试件尺寸
屈服载荷Ps（KN）
最大载荷Pb（KN）
试件形状
试件直径
实验前
实验后
正交方向
平均值
低碳钢
铸铁
拉伸实验
试件材料
试件规格
实验前
实验中
实验后
截面尺寸do（mm）
计算长度Lo（mm）
屈服载荷Ps（KN）
最大载荷Pb（KN）
断口截面尺寸d1（mm）（沿正交方向）
断后长度L1（mm）
测量部位
沿正交方向测得的值
平均值
低碳钢
上
1
1
2
中
1
2
2
下
1
2
铸铁
上
1
2
中
1
2
下
1
2
指导教师签名：
年月日
附件Ⅲ原始数据记录
弯扭组合变形梁主应力的测定
1
2
3
4
5
6
读数
增量
读数
增量
读数
增量
读数
增量
读数
增量
读数
增量
P0=100N
P1=200N
P2=300N
P3=400N
P4=500N
△P=100N
纯弯曲正应力的测定
1
2
3
4
5
读数
增量
读数
增量
读数
增量
读数
增量
读数
增量
P0=500N
P1=1000N
P2=1500N
P3=2000N
P4=2500N
△P=500N
指导教师签名:
年月日
升级会员 