实验一低碳钢铸铁的拉伸实验.docx
《实验一低碳钢铸铁的拉伸实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《实验一低碳钢铸铁的拉伸实验.docx（40页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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基本最重要的实验，是工程上广泛使用的测定材料力学性能的方法之一。
一、实验目的：
1、了解万能材料试验机的结构及工作原理，熟悉其操作规程及正确使用方法。
2、通过实验，观察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
1、万能材料试验机
2、游标卡尺
3、钢直尺
4、拉伸试样：
图2.7拉伸试样
由于试样的形状和尺寸对实验结果有一定影响，为便于互相比较，应按统一规定加工成标准试样。
图2.7分别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b5E2RGbC
L0kA0（2.2）
式中系数k的值取为5.65时称为短试样，取为11.3时称为长试样。
对直径d0的圆截面短试样，
1/15
L05.65A0=5d0；对长试样，L011.3A010d0。
本实验室采用的是长试样。
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2.7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，与试验机的夹具结构有关，图2.7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。
p1EanqFD
三、实验原理及方法
常温下的拉伸实验是测定材料力学性能的基本实验。
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。
DXDiTa9E
1、低碳钢拉伸实验
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，当到达屈服阶段时，低碳钢的Ｐ－△Ｌ曲线呈锯齿形（图
2.8）。
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影响，一般不作为强度指标。
同样，载荷首次
下降的最低点（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Ｐ
sl，除以试样
的初始横截面面积Ａ0，作为屈服极限σs，即RTCrpUDG
σs＝Psl
（2.3）
A0
若试验机由示力度盘和指针指示载荷，
则在进入屈服阶段
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况，
捕捉指
针所指的最低载荷Psl。
5PCzVD7H
屈服阶段过后，进入强化阶段，试样又恢复了抵抗继
续变形
的能力（图2.8）。
载荷到达最大值
Pb时，试样某一局部
图2.8低碳钢拉伸时的
P-△L曲线
的截面
明显缩小，出现“缩颈”现象。
这时示力度盘的从动针停留在
Pb不动，主动针则迅速倒退，表明载荷迅速
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jLBHrnAI
b
Pb
（2.4）
A0
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起，
量出拉断后的标距长为Ｌ1，断后伸长率应为
xHAQX74J
δ＝L1
L0
×１００％
（2.5）
L0
2/15
图2.9断口移中法测L1
断口附近塑性变形最大，所以Ｌ
1的量取与断口的部位有关。
如断口发生于Ｌ
0的两端或在Ｌ0之外，则实
验无效，应重做。
若断口距Ｌ
0的一端的距离小于或等于
L0（图2.9），则按下述断移中法测定Ｌ0。
在拉
3
断后的长段上，由断口处取约等于短段的格数得Ｂ点，若剩余格数为偶数（图
2.9b），取其中一半得Ｃ点，
设ＡＢ长为a，ＢＣ长为b，则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Ｃ
1点，设ＡＢ、ＢＣ和ＢＣ
1的长度分别为
a、b1和b2，则Ｌ1＝a＋b1＋b2。
试样拉断后，设缩颈处的最小横截面面积为Ａ
1，由于断口不是规则的圆形，
应在两个相互垂直的方向上量
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：
LDAYtRyK
ψ＝A0
A1×１００％
（2.6）
A0
2、铸铁拉伸实验
铸铁属于脆性材料，拉伸过程中，没有屈服和“颈缩”
现象，它的Ｐ－
△Ｌ曲线近似一条斜直线（如图
2.10），本实验我们只测铸
铁的抗拉强度
极限，所以实验结束后，主动针退回零位，从动针所指示的
载荷即是Ｐb，
代入式（2.4）计算得出σb。
Zzz6ZB2L
四、实验步骤
1、测量试样直径在标距Ｌ0的两端及中部三个位置上，沿两个相
互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算各横截面面积，再以三个横
3/15
截面面积中的最小值为Ａ0。
dvzfvkwM
2、试验机准备根据试样尺寸和材料，估计最大载荷，选择相适应的示力度盘和摆锤重量，需要自动绘图时，事先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，以消除其自重。
然后关闭送油阀，调零。
rqyn14ZN
3、安装试样安装拉伸试样时，对Ａ型试验机，可开动下夹头升降电机以调整下夹头的位置，但
不能用下夹头升降电机给试样加载；对Ｂ型试验机，用横梁升降按钮调整拉压空间。
EmxvxOtO
4、加载缓慢开启送油阀，给试件平稳加载。
应避免油阀开启过大，进油太快。
试验进行中，注意不要触动摆杆和摆锤。
SixE2yXP
5、试验完毕，关闭送油阀，停止油泵工作。
破坏性试验先取下试样，再缓慢打开回油阀将油
液放回油箱。
非破坏性试验，自然应先开回油阀卸载，才能取下试样。
6ewMyirQ
五、实验数据处理
按有关公式，将实验数据计算出来，其数值遵守表2.1的修约规定。
有效数以后的数字进位规则见附
录Ⅱ⑼。
六、数据分析
对你所得出的数据，作出合理的分析。
表2.1
性能指标数值的修约规定
性能
范围
修约到
σp
≤200Mpa以下
1MPa
σs、σp0.2
＞
5MPa
200Mpa~1000MPa
σb
＞1000MPa
10MPa
δ
0.5%
ψ
0.5%
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、铸铁压缩演示实验
4/15
一、实验目的：
1、进一步了解万能材料试验机的结构及工作原理，熟悉其操作规程及正确使用方法。
2、通过演示，观察低碳钢和铸铁在压缩时的变形规律和破坏现象，并进行比较。
3、测定低碳钢压缩时的屈服极限σs；铸铁压缩时的强度极限σb。
二、实验设备及试样
1、万能材料试验机
2、游标卡尺
3、钢直尺
4、压缩试样：
压缩试样通常为圆柱形，也分短、长两种（图2.11
示）。
试样受压时，两端面与试验机垫板间的摩擦力约
束试样的横向变形，影响试样的强度。
随着比值h0/d0
的增大，上述摩擦力对试样中部的影响减弱。
但比值
h0/d0也不能过大，否则将引起失稳。
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
2.11b所图2.11压缩试样
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。
kavU42VR
三、实验原理及方法
3、铸铁的压缩实验：
铸铁的压缩实验与拉
伸实验的试验曲线形状很相似（如图
2.10）。
铸铁压缩
时，破坏断口会沿450~550左右斜截面断裂，此时，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（2.4）计算得出铸铁的抗压强度极限σb。
y6v3ALoS
4、低碳钢的压缩实验：
低碳钢压缩时，其Ｐ－△Ｌ曲线如图
图2.12
低碳钢压缩P-△L曲线
2.12，到达屈服时，主动针会停顿甚至倒退，此时记录下屈服载荷Ｐ
s，
则有：
M2ub6vST
Ps
s
A0
此即低碳钢压缩时的屈服极限。
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
5/15
1、测量试样直径在试样中部位置上，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算其横截面面积Ａ0。
0YujCfmU
2、试验机准备根据试样尺寸和材料，估计最大载荷，选择相适应的示力度盘和摆锤重量，需要自动绘图时，事先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，以消除其自重。
然后关闭送油阀，调零。
eUts8ZQV
3、安装试样直接将压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。
应避免油阀开启过大，进油太快。
试验进行中，注意不要触动摆杆和摆锤。
sQsAEJkW
5、试验完毕，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、实验数据处理及分析参照拉伸实验
六、问题讨论
1、铸铁压缩时沿450~550斜面断裂，表明导致破坏的原因是什么？
2、低碳钢压缩时能否得到强度极限σb？
实验三弯曲正应力实验
6/15
一、实验目的：
1、测定梁承受纯弯曲时的正应力分布，并与理论计算结果进行比较，以验证弯曲正应力公式。
2、初步掌握电测方法和多点应变测量技术。
二、实验设备：
1、组合式材料力学多功能实验台
2、XL2118系列力＆应变综合参数测试仪
3、游标卡尺、钢板尺
P
图3.22a受力及贴片位置图
B
AC
D
不要因超载压坏钢梁。
三、原理及方法：
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M1Pa。
在纯弯曲部分
2
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附近。
对每
一待测应变片联同温度补偿片按半桥接线，如图（3.22b）
所示。
测出载荷作用下各待测点的应变ε，由胡克定律
知GMsIasNX
σ=EεTIrRGchY
四、实验步骤及注意事项
1、按照§3.4介绍的电阻应变仪使用方法，根据应变片灵敏系数k，设定仪器灵敏系数k仪，使k仪=k。
若无法使之相等，则按前面讲的方法操作。
7EqZcWLZ
2、按半桥接法接线，公共补偿。
预调平衡后，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
意应变是否按比例增长。
每一测点加载到Pmax然后卸载，重复二至三次。
重复加载中出现偏差的大小，表明测量的可靠程度。
测完一点再换另一点，直至5个测点全部测完为止。
lzq7IGf0
3、加载要均匀缓慢；测量中不允许挪动导线；小心操作，
五、数据处理：
1、对每一测点，求出应变增量的平均值，根据胡克定律得实测应力为
测Ei
2、由弯曲正应力公式求出各测点应力的理论值为
My
理
I
式中，I=1bh3。
12
3、对每一测点求出σ测对σ理的相对误差
7/15
理测
er100%
理
在梁的中性层内，因σ理=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
Y
20
宽
度
b=20
mm
1
Y2
10
高
度
h=40
mm
Y3
0
跨
度
L=600
mm
Y4
10
载荷离支座距离
a=125mm
Y5
20
弹性模量
E=210
GPa
泊松比
μ=0.26
六、问题讨论：
1、对本实验而言，弯曲正应力的大小是否受材料弹性模量E的影响？
实验四弯扭组合变形的主应力的测定
8/15
一、实验目的：
1、测定圆管在扭弯组合变形下一点处的主应力大小及方向。
2、自行设计加载方案。
3、进一步掌握电测方法，独立完成全桥或半桥的接线。
二、实验设备：
1、组合式材料力学多功能实验台
2、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
（a）
（b）
图3.23小型圆管扭弯组合装置
弯扭组合下（如图3.23a），圆管的m点处于平面应力
状态（图3.23b）。
若在xy平面内，沿x、y方向的线应变为x、y，切应变为xy，根据应变分析（①刘
鸿文主编，《材料力学》，第三版，§8.7，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
变为zvpgeqJ1
x
y
x
y
cos2
1
xysin2
=
2
2
2
（3.9）
随α的变化而改变，在两个互相垂直的主方向上，
到达极值，称为主应变。
主应变由下式计算
1
xy
1
（x
y）
2
2
（3.10）
2
2
xy
2
两个互相垂直的主方向
αo由下式确定
tan2
xy
（3.11）
0
x
y
对线弹性各向同性材料，主应变
ε1、ε2和主应力σ1、σ2方向一致，并与下列广义胡克定律相联
系，
9/15
1
E
1
2
2
E
1
2
（
（
12）
（3.12）
21）
0
本实验装置采用的是45直角应变花，在m、mˊ
点各贴一组应变花（如图3.24所示），选定x轴如图
所示，则a、b、c三枚应变片的α角分别为－45°、0°、
是NrpoJac3
xyxy图3.24应变花粘帖方向
45022
00x
xyxy
45022
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可以直接测定，所以εx、εy和γxy可由测量的结果求出。
将它们代入公式
（3.10）得1nowfTG4
1
450
450
2（
0
0
0
）2
（
45
0
0）2
（3.13）
2
2
2
45
0
把ε1和ε2代入胡克定律（
3.12），便可确定m点的主应力。
将式（
a）代入式（3.11），得
tan2
0
450
450
（3.14）
200
450
450
由上式解出相差π/2的两个α0，确定两个相互垂直的主方向。
利用应变圆可知，若εx的代数值大于εy，
则由x轴量起，绝对值较小的
α
0
确定主应变ε
（对应于σ）的方向。
反之，若
ε
＜ε
y
则由x轴量
1
1
x
起，绝对值较小α0确定主应变ε2（对应于σ2）的方向。
fjnFLDa5
四、实验步骤及注意事项：
1、设计好本实验所需的各类数据表格。
2、测量试件尺寸、加力臂的长度和测点距力臂的距离，确定试件有关参数。
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否处于正常工作状态。
4、拟订加载方案。
先选取适当的初载荷P（0一般取P0=10％Pmax左右），估算Pmax，分4～6级加载。
tfnNhnE6
5、根据加载方案，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。
10/15
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，将所用仪器设备复原，实验资料交指导教师检查签字。
HbmVN777
8、实验装置中，圆筒的管壁很薄，为避免损坏装置，注意切勿超载，不能用力扳动圆筒的自由端和力臂。
表3－6（试件相关数据）
圆筒的尺寸和有关参数
计算长度
L=240
mm
弹性模量E=210GPa
外
径
D=40
mm
泊松比μ=0.26
内
径
d=35.8
mm
扇臂长度
a=250
mm
五、数据处理：
1、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，重复性不好，或线性不
好的一组数据应作为可疑数据，舍去或重做。
V7l4jRB8
（2）m点理论值主应力及方向计算；
2、实测值与理论值比较（要求以表格形式）。
六、预习及思考题
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。
2、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。
若误差较大，应
分析产生误差的原因。
83lcPA59
附件Ⅰ
11/15
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
数据处理：
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：
实验时指导老师布置的问题。
12/15
附件Ⅱ实验原始记录
压缩实验
试件尺寸
屈
服
最
大
试件形状
试件
试件材料
试件直径
载
荷
载
荷
规格
Ps（KN）Pb（KN）
实验前
实验后
正交方向
平均值
低碳钢
铸铁
拉伸实验
实验前
实验中
实验后
试件
试件
截面尺寸do（mm）
计
算
屈
服
最
大
断口截面尺寸
材料
规格
长度Lo
载
荷
载
荷
断后长度
测量部
沿正交方向
d1（mm）（沿正
位
平均值
（mm）
Ps（KN）
Pb（KN）
L1（mm）
测得的值
交方向）
上
1
2
低碳
中
1
钢
2
下
1
2
1
上
2
铸铁
1
中
2
下1
13/15
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
序
号
1
2
3
4
5
6
应
变
载
值
荷
（
读数
增量
读数
增量
读数
增量
读数
增量
读数
增量
读数
增量
N）
P0=100N
P1=200N
P2=300N
P3=400N
P4=500N
△P=100N
123456
纯弯曲正应力的测定
升级会员 