金属材料的拉伸与压缩实验.docx
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金属材料的拉伸与压缩实验
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金属材料的拉伸与压缩实验（forteacher）
一、实验目的
1、了解电子万能材料试验机的工作原理，并测试低碳钢在拉伸与压缩过程中的力学性能。
即拉伸时的屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ、截面收缩率Ψ。
压缩时的屈服极限σs。
2、测定铸铁在拉伸与压缩过程中的力学性能。
即拉伸与压缩时的强度极限σb。
3、观察拉伸与压缩时所表现的各种现象，并打印实验报告。
4、对低碳钢与铸铁的力学性能进行比较，观察断口现象，分析引起破坏的原因。
二、实验设备、工具及试件
1、Zwick电子万能材料试验机
2、游标卡尺
3、低碳钢与铸铁拉伸与压缩试件
三、电子式万能试验机的工作原理
Zwick电子万能材料试验机是由德国Zwick/Roell公司生产。
试验机主要由机械加载、控制系统、测量系统等部分组成。
加载是通过伺服电机带动丝杠转动而使活动横梁上下移动来实现的。
在活动横梁和工作台上安装一对拉伸、压缩或弯曲卡具，组成了加载空间。
伺服控制系统则控制伺服电机在给定速度下匀速转动，实现不同速度下横梁移动从而对试件加载。
活动横梁的移动速度范围是0.0005~2000毫米/每分钟。
测量系统包括负荷测量、试件变形测量和横梁位移测量。
负荷和变形测量都是利用电测传感技术，通过传感器将机械信号转变为电信号。
负荷传感器安装在活动横梁上，测量变形的传感器一般称作引伸计，并且安装在试件上。
横梁位移的测量是采用光电转换技术，通过安装在丝杠顶部的脉冲编码器将丝杠转动信号转变为脉冲信号。
三路信号均经过信号调理电路变为标准的信号。
通过转换传给计算机，实施控制和数据采集。
Zwick电子万能试验及的工作参数见表1、2、3。
表1试验机的基本参数
型号
最大载荷
测量空间
横梁速度
mm/min
位置精度
驱动分辨率
Z010
10kN
440*1100
0.0005--2000
0.1μm
0.027μm
Z050
50kN
440*1000
0.0005--6000
0.1μm
0.016μm
Z100
100kN
640*500
0.0005--200
0.1μm
0.0206μm
表2力传感器的基本参数
型号
测量范围
精度1级
精度0.5级
500N
2N—500N
2N—10N
10N—500N
10kN
40N—10kN
40N—200N
200N--10kN
50kN
200N—50kN
200N—1000N
1kN--50kN
100kN
400N—100kN
400N—2000N
2kN—100kN
表3引伸计的基本参数
型号
标距范围（mm）
测量范围（mm）
分辨率
最大测量厚度
Longstroke
10--1000
0--1000
5μm
30mm
Macro
10--100
0--10
0.3μm
30mm
四、Zwick电子式万能试验机测试软件简介
Zwick电子式万能试验机的控制和数据采集处理均可通过其功能强大的实验软件来实现。
软件名称为TestXpert，可以实现对材料的拉伸、压缩、弯曲实验。
软件可实现的功能主要有：
1.设定加载方式，可采用位移加载、恒应变加载、恒应力加载；
2.设定实验机的环境参数；
3.选择测试结果；
4.编辑、打印实验报告。
软件的操作如下：
。
打开程序
1、计算机及控制箱上的电源
2、双击图标
3、单击open将会出现Loadatestprogramoraseries框，显示所有程序
4、双击所选程序
5、单击ok，进入machineconfiguration文本框
1）选择Testenvironmentname
2）单击close
3）打开控制面板上的电源on
。
设置机器参数
1、单击machine图标，将出现verificationdialogue框。
10TN2SWN，14039（机器编号）和machine（机器）相连
crossheadtravelmonitorWN（横梁编号）和crosshead（横梁）相连
macro（引伸计的名称）和standardextensometer（标准引伸计）相连
LoadCell10kN（传感器的负荷）standardloadcell（标准传感器）相连。
1）双击crossheadtravelmonitor将出现optioncrossheadtravelmonitorWN146039框
Uppersoftenedswitch（在程序控制下，横梁所能到达的最高位置，可根据实际情况设定）
Lowersoftenedswitch（在程序控制下，横梁所能到达的最低位置，可根据实际情况设定）
CurrentLE目前两夹具间的距离（每次更换夹具时，都要将实测的距离值输入这里）
crossheadposition确认当前横梁绝对位置
2、在Testenvironment里保存机器设置结果
。
设置测试参数——Wizard
用户所有的测试参数都在wizard里设定和执行
1、进入wizard，
单击wizard图标，再单击ok，出现wizard-machineconfiguration文本框。
2、做拉力试验时---wizard的内容
1）verification的参数
Testenvironmentname
1kN传感器
选择环境名（传感器名）
Uppersoftenedswitch
1100mm
在执行程序时横梁所到最高位置
Lowersoftenedswitch
300mm
在执行程序时横梁所到最低位置
CurrentLE:
220mm
当前两夹具间的距离
Upperforcelimit
950N
拉力所能达到的最大值
Lowerforcelimit
-950N
压力所能达到的最小值
Selectionofextensometer
macro
引伸计的名称
以上参数应注意：
可根据实际情况设定UppersoftenedswitchandLowersoftenedswitch（横梁最高和最低软限位）的数值，Testenvironmentname（选择环境名）的选择，UpperforcelimitandLowerforcelimit为传感器的力值范围
2）Result的参数
Displayparametersalso
显示所有参数
Displayselectedparametersonly
显示所选参数
可改变所选参数的单位
Decimalplaces
输出结果小数点位数
以上参数应注意:
这里可选择所需的测试参数，其中参数前口里打x的为选择所需的测试参数，参数前口里打为未选
3）Tolerances（公差）的参数
Rpx[Fatproofstressx]
Withouttolerance
非比例伸长应率的公差
Rm[maximumforce]
Withouttolerance
最大力值公差
L0[Gaugelength]
Withouttolerance
延伸率的公差
E–modulus
Withouttolerance
E氏模量的公差
ReH[Upperyieldstress]
Withouttolerance
上屈服点的公差
Fmax[Strainatfmax]
Withouttolerance
力极大值点的应变的公差
以上参数应注意：
可将已选参数的公差设为Withouttolerance,
4）specimendata（试样数据）的参数
Specimenshapeforcross-sectioncalculation
flat
选择试样形状
Specimenthicknessa0
4mm
试样的厚度
Specimenwidthb0
10mm
试样的宽度
Parallelspecimenlength
试样水平长度
Negativecross-sectioncorrectionvalue
忽略横梁纠正值
Cross-sectioncorrectionfactor
横截面修正因子
Requestforentrybeforetest
normal
在测试之前的要求
以上参数应注意：
specimendata里可输入试样宽度b和试样厚度a，在Requestforentrybeforetest（测试前的要求）里可选normal或none。
选normal，在测试前会提示输入试样数据，选none，在测试前不会提示输入试样数据
5）Pre-load（预载）的参数
Pre-load
1N
预载最大力
Pre-loadspeed
10mm/min
预载的测试速度
Pre-loadwaitingtimemode
Nowaiting
预载力值到达时模式
Timeuptopre-load
60s
预载的时间
Zerotheforceafterpre-load
预载力值调零
以上参数应注意：
Pre-load里Pre-load（预载力）一般为0.5---2N，Pre-loadspeed（预载测试速度）为10mm/min，可根据实际情况设定。
Zerotheforceafterpre-load（预载力值调零）不影响测试结果，只是将曲线沿y轴平移。
6）E-modulus（E氏模量）的参数
TypeofE-modulusdetermination
secant
E氏模量的类型
BeginE-modulusdetermination
0.05%
E氏模量的开始
EndE-modulusdetermination
0.25%
E氏模量的结束
AbortE-modulusat95%
SpeedE-modulus
10mm/min
E氏模量的测试速度
以上参数应注意：
TypeofE-modulusdetermination（E氏模量）如是塑料等材料选secant，如是钢铁等材料选Regression，E氏模量的开始和E氏模量的结束条件分别为stain0.05%和stain0.25%。
speedE-modulus（E氏模量的测试速度）可根据实际情况设定.
7）Yieldandproofstress（屈服应力）的参数
PreselectionRpX
Strain0.3%
预选RpX的值
SpeedRp.ReH
10mm/min
Rp.ReH的测试速度
EndReHdetermination
Strainom
ReH结束的条件
Sensitivitydeterminationofupperyieldstress
0.1mm
上屈服的长度
SensitivityReHin%offorcereduction
力值下降率
Pathafteryield
Strain0.1mm
以上参数应注意：
Yieldandproofstress里各参数是根据标准设定，用户没有特殊要求可不必更改上面的设定
8）Test/testend（测试及测试结束）的参数
Testspeed
100mm/mi
测试速度
Delayatspeedswitch
1
加速度
Forcethreshold
80%Fmax
断裂条件
Maxtemporalreductioninforce
Forcethresholdforbreakinvestigation
0.5%Fnom
为断裂跟踪的最小值
Travelafterbreak
断裂后行程多少
Upperforcelimit
最大力值
Max.Extension
最大伸长量
Maxtestduration
最长测试时间
以上参数应注意：
Testspeed（测试速度）可根据测试要求设定，Delayatspeedswitch（加速度）一般可设为1，Forcethreshold为判断试样断裂，Upperforcelimit（最大力值）.Max.Extension（最大伸长量）和Maxtestduration（最长测试时间）均可作为测试结束的条件，可根据实际情况选择。
9）Breakinvestigation（断裂跟踪点）的参数
TRSRangeforbreakinvestigation
50
断裂跟踪的范围
Forcetransition
5%
力值传送
Positivestraintransition
10%
接受应变传送
Negativestraintransition
10%
忽略应变传送
以上参数应注意：
Breakinvestigation里各参数是根据标准设定，用户没有特殊要求可不必更改上面的设定
10）LEpositions（夹具的距离）的参数
GriptoGripseparation
150mm
夹具间的距离
AcceptLE
接受当前LE
LEspeed
400mm/min
横梁移动速度
GriptoGripseparationafterpre-testpath
以上参数应注意：
在GriptoGripseparation（夹具间的距离）这一栏里可设定夹具间的距离，在LEspeed这一栏里可输入横梁移动速度。
11）Actionsaftertest（测试之后）的参数
SpecimenFremove
试样卸载
LEsetafterrest
测试完成后回到LE位置
以上参数应注意：
在LEsetafterrest前口里大，测试完后回到LE位置。
在LEsetafterrest前口里大，测试完后横梁停留在原地不动。
12）Extensometer（strain）（引伸计）的参数
Cross-sectionrelatedgaugelength
比例试样标距
Gaugelengthstandardpath
上下引伸计脚的距离
Preselectionforthecrosshead’sgaugelength
设定标距
Gaugelengthcorrection
标距修正
Switchingtothecrosshead
切换至横梁
以上参数应注意：
如没有引伸计，以上参数可不必设置，如果有引伸计，只须输入标距。
13）testdatamemory（测试数据内存）的数据
TRSTravelinterval,E-modulusdetermination
1vm
TRS距离间隔点
TRSTravelinterval,yieldstressdetermination
5vm
TRS在屈服距离间隔点
TRSTravelintervaluptobreak
10vm
到断裂前TRS的距离间隔点
TRSTimeinterval
000S
TRS时间间隔点
TRSForceinterval
000N
TRS力值间隔点
以上参数应注意：
testdatamemory为软件对断裂点的跟踪方法，用户没有特殊要求可不必更改上面的设定
14）Parametersforprotocol（报告参数）的参数
Customer
客户名
Tester
测试者
Teststandard
测试标准
Material
试样材料
Loadcell
传感器
Extensometer
引伸计
Specimengrips
夹具
Machinedata
机器数据
以上参数应注意：
在这里可向报告里输入以上各参数。
15）Controlparameter（控制参数）的参数
Expectedrigidityofthespecimen
210.00kN/mm2
Rigidityofthetestarrangement
5000N/mm
。
打印曲线
单击printprotocol（打印）
。
关于坐标
（一）如何改变曲线坐标
1、打开计算机和机器的电源
2、进入程序
3、将鼠标移到曲线上，右键单击
4、选择seriesgraphicsconfigure，将出现seriesgraphics框
Y–Axis
为y轴
X–Axis
为x轴
Channel
为控制量
Units
为单位
Offset
为补偿（在多次测试中防止曲线重叠，将曲线平移）
Lowerlimit
坐标轴的开始值
Upperlimit
坐标轴的结束值
例：
如要y轴单位为N，x轴单位为mm，只要
1）在Y-Axis方框里将units后面的单位改成N
2）在X-Axis方框里将units后面的单位改成mm
3）单击ok
4）单击file，再单击save
（二）如何知道曲线上任一点的坐标
1）打开计算机、打开以前所保存的曲线
2）将鼠标移到曲线上，右键单击选择（layoutnext）,将如图
3）将鼠标移到曲线上，右键单击选择（Activatecrosswires）
4）将鼠标移到曲线上，可通过键盘上方向键获得曲线上任一点的坐标值。
七、保存结果
1做完测试，单击file，再单击saveas（另存为），如图
2单击Series（*ZSE）（结果文件的后缀名）[*ZPV为测试程序的后缀名]，在Name（名称）里输入文件的名称.
3再单击OK，这样测试结果保存完毕。
五、试验步骤
（一）测量试件的尺寸：
拉伸试件：
1、试验前在低碳钢试件两端及中部选择三个截面，每个截面用游标卡尺分别相互垂直各测一次直径，取其三点平均值中的最小值作为试件的直径d0。
当低碳钢试件拉断后，用游标卡尺在颈缩段的最小截面处的互相垂直的两个方向各测量一次直径，取其平均值作为试件断口处的最小值d1。
2、标距l0=10d0。
确定试件中点，从中点分别向两侧各量取L0/2,将两个端点定为标点，用画线机在标距内将试件平均分成10格，以便当试件不在中间部分拉断时进行换算，从而求得较为准确的延伸率。
当试件拉断后，若断口在标距1/3区域内时，可把断裂试件拼合起来，直接测量试件拉断后的标距l1。
如果试件断口不在标距长度的中间1/3处，需采取“断口移中”的方法，推算出试件断后的标距长度L1。
3、铸铁试件只需测出三个截面的直径，方法同上。
压缩试件：
用游标卡尺在试件互相垂直方向，两次测量低碳钢与铸铁试件的直径，取其平均值为d0。
（二）开机试验
1.打开主机电源
2.静候数秒，以待机器系统检测
3.打开TestXpert测试软件，选取相应测试程序（或直接在电脑桌面上双击程序图标）
4.按主机“ON”按钮，以使主机与程序相连
5.顺利后，点击“LE”图标以使夹具恢复到设定值
6.用游标卡尺测量试样尺寸，并输入
7.摆放试样于试样台，用夹具夹持试样一端
8.点击“Force0”图标，使力值清零
9.用夹具夹持试样另一端
10.点击“Start”图标，开始测试
11.弹出试样尺寸确认框，点击“OK”
12.测试终止后，取出试样
13.按“LE”按钮，使横梁自动恢复到初始位置，程序自动计算测试结果并作出图表
14.开始下一次测试
15.所有测试结束后，点击“Protocol”图标，输入测试报告台头
16.点击“Print”图标，打印测试报告
17.保存测试结果文件，另存为*.zse格式的文件
18.退出程序
19.关闭主机电源，清理工作台
六、试验结果比较
1、比较低碳钢与铸铁试件拉伸与压缩图的差异。
2、比较低碳钢与铸铁试件在拉伸与压缩时的力学性能。
3、比较低碳钢与铸铁试件在拉伸与压缩破坏时形状。
4、比较铸铁试件在拉伸与压缩时的强度。
七、思考题：
1、低碳钢和铸铁在拉伸实验中的性能和特点有什么不同？
2、低碳钢在拉伸过中可分为几个阶段，各阶段有何特征？
3、何谓“冷作硬化”现象？
此现象在工程中如何运用。
4、分析低碳钢与铸铁试件在压缩过程中及破坏后有哪些区别？
5、为什么低碳钢压缩时测不出强度极限？
6、铸铁压缩时沿大约45o斜截面破坏，拉伸时沿横截面破坏，这种现象说明了什么？
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