材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)(2個(gè))

1、材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)：4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：1. 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸 2. 不同材料的沖擊韌性 材料科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心 工程材料及機(jī)制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)一 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?觀察低碳鋼（塑性材料）與鑄鐵（脆性材料）在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸過(guò)程中的各種現(xiàn)象（包括屈服、強(qiáng)化和頸縮等現(xiàn)象），并繪制拉伸圖。2測(cè)定低碳鋼的屈服極限s，強(qiáng)度極限b，斷后延伸率和斷面收縮率。3測(cè)定鑄鐵的強(qiáng)度極限b。 4比較低碳鋼和鑄鐵的力學(xué)性能的特點(diǎn)及斷口形貌。二、概述靜載拉伸試驗(yàn)是最基本的、應(yīng)用最廣的材料力學(xué)性能試驗(yàn)。一方面，由靜載拉伸試驗(yàn)測(cè)定的力學(xué)性能指標(biāo)，可以作為工程設(shè)計(jì)、評(píng)定材料和優(yōu)選工藝的依據(jù)，具有重要的工程實(shí)際意義

2、。另一方面，靜載拉伸試驗(yàn)可以揭示材料的基本力學(xué)行為規(guī)律，也是研究材料力學(xué)性能的基本試驗(yàn)方法。靜載拉伸試驗(yàn)，通常是在室溫和軸向加載條件下進(jìn)行的，其特點(diǎn)是試驗(yàn)機(jī)加載軸線與試樣軸線重合，載荷緩慢施加。在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)，試樣在負(fù)荷平穩(wěn)增加下發(fā)生變形直至斷裂，可得出一系列的強(qiáng)度指標(biāo)（屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度）和塑性指標(biāo)（伸長(zhǎng)率和斷面收縮率）。通過(guò)試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)繪出試樣在拉伸過(guò)程中的伸長(zhǎng)和負(fù)荷之間的關(guān)系曲線，即Pl曲線，習(xí)慣上稱此曲線為試樣的拉伸圖。圖1即為低碳鋼的拉伸圖。試樣拉伸過(guò)程中，開始試樣伸長(zhǎng)隨載荷成比例地增加，保持直線關(guān)系。當(dāng)載荷增加到一定值時(shí)，拉伸圖上出現(xiàn)平臺(tái)或鋸齒狀。這種在載荷不增加或減小

3、的情況下，試樣還繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象叫屈服，屈服階段的最小載荷是屈服點(diǎn)載荷，除以試樣原始橫截面面積Ao即得到屈服極限： 試樣屈服后，要使其繼續(xù)發(fā)生變形，則要克服不斷增長(zhǎng)的抗力，這是由于金屬材料在塑性變形過(guò)程中不斷發(fā)生的強(qiáng)化。這種隨著塑性變形增大，變形抗力不斷增加的現(xiàn)象叫做形變強(qiáng)化或加工硬化。由于形變強(qiáng)化的作用，這一階段的變形主要是均勻塑性變形和彈性變形。當(dāng)載荷達(dá)到最大值后，試樣的某一部位截面積開始急劇縮小，出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象，此后的變形主要集中在縮頸附近，直至達(dá)到Pb試樣拉斷。Pb除以試樣原始橫截面面積A0即得到強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度）：拉伸試驗(yàn)還可得到塑性指標(biāo)，即伸長(zhǎng)率和斷面收縮率伸長(zhǎng)率拉斷后的試樣標(biāo)距

4、部分所增加的長(zhǎng)度與原始標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比，即式中 試件原始標(biāo)距，為100，試件拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度。斷面收縮率為了測(cè)定低碳鋼的斷面收縮率，試件拉斷后，在斷口處兩端沿互相垂直的方向各測(cè)一次直徑，取平均值計(jì)算斷口處橫截面面積，再按下式計(jì)算面積收縮率： 式中 A0試件原始橫截面面積 A1試件拉斷后斷口處最小面積。試件開始受力時(shí)，由于頭部在夾頭內(nèi)滑動(dòng)較大，故繪出的拉伸圖最初一段是曲線。分析時(shí)應(yīng)將直線段延長(zhǎng)與橫坐標(biāo)相交于0點(diǎn)，作為坐標(biāo)原點(diǎn)。OA段為彈性階段載荷與變形成正比，BC段為屈服階段，CD段為強(qiáng)化階段，DE段為頸縮階段，至E點(diǎn)試件被拉斷。鑄鐵的拉伸圖如圖2所示。鑄鐵試件在承受拉力變形極小時(shí)，就達(dá)到最大載荷

5、而突然發(fā)生斷裂。它沒(méi)有屈服和頸縮現(xiàn)象，故在拉伸時(shí)，一般只能測(cè)定其強(qiáng)度極限，試件沿橫截面斷裂。 圖1 圖2三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備：（1）SHT4605型微機(jī)控制萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。（2）游標(biāo)卡尺。2.實(shí)驗(yàn)材料：直徑為d的圓截面試件，短試件和長(zhǎng)試件的標(biāo)距分別為5d和10 d。本實(shí)驗(yàn)采用圓截面的長(zhǎng)試件（d10mm，100mm）。dr四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:(1) 了解材料試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造、原理及操作;(2) 列表記錄低碳鋼、鑄鐵的原始尺寸及實(shí)驗(yàn)后尺寸，計(jì)算出、（低碳鋼）；(3) 畫出PL曲線，并計(jì)算出低碳鋼試樣的s、b及鑄鐵試樣的b；(4) 比較兩種材料的力學(xué)性能的特點(diǎn)、斷口形貌及斷裂方式。

6、2.實(shí)驗(yàn)方法及步驟： (1)試件準(zhǔn)備用游標(biāo)卡尺測(cè)量標(biāo)距兩端及中間這三個(gè)橫截面處的直徑，在每一橫截面內(nèi)沿互相垂直的兩個(gè)直徑方向各測(cè)量一次取其平均值。用所測(cè)得的三個(gè)平均值中最小的值計(jì)算試件的橫截面面積A0。將測(cè)量的試件橫截面處的直徑及計(jì)算出的橫截面面積A0填入表中。（2）試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備打開計(jì)算機(jī), 進(jìn)入試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)主界面,在用戶參數(shù)輸入?yún)^(qū)內(nèi)輸入試驗(yàn)參數(shù)，如試樣標(biāo)距、試樣直徑、試樣種類等。然后點(diǎn)擊【試驗(yàn)】按鈕進(jìn)入試驗(yàn)。（3）安裝試件調(diào)整下橫梁使上下夾頭的距離小于試件的長(zhǎng)度。先將試件安裝在試驗(yàn)機(jī)的上夾頭內(nèi)，再調(diào)整下橫梁使其達(dá)到適當(dāng)位置，把力值清零，然后把試件下端夾緊，位移值清零。（4）進(jìn)行試驗(yàn)點(diǎn)擊屏幕右

7、邊的【運(yùn)行】按鈕加載。注意觀察測(cè)力窗口、位移窗口的情況和相應(yīng)的試驗(yàn)現(xiàn)象。若出現(xiàn)力和位移值為負(fù)值或其它異常情況，請(qǐng)立即按下右邊立柱旁的“急停”按鈕，或【速度欄】?jī)?nèi)的停止按鈕。試驗(yàn)結(jié)束后取下試件。將低碳鋼試件的屈服載荷Ps和最大載荷Pb記入表中。然后將 斷裂試件的兩段對(duì)齊并盡量靠緊，用游標(biāo)卡尺測(cè)量斷裂后標(biāo)距段的長(zhǎng)度l1；測(cè)量?jī)啥螖嗫冢i縮）處的直徑d1，應(yīng)在每一斷口處沿兩個(gè)互相垂直方向各測(cè)量一次，計(jì)算其平均值，取其中最小值計(jì)算斷口處最小橫截面面積A1。把測(cè)量值和計(jì)算值填入表中。 將鑄鐵試件的最大載荷Pb記入表中。五、試驗(yàn)結(jié)果的處理1根據(jù)屈服載荷Ps及最大載荷Pb計(jì)算低碳鋼試件的屈服極限s及低碳鋼試

8、件和鑄鐵試件的強(qiáng)度極限b。 2根據(jù)試件前、后的標(biāo)距段長(zhǎng)度及橫截面面積計(jì)算低碳鋼試件的延伸率及斷面收縮率六、實(shí)驗(yàn)要求：1 學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前必須做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⑷蝿?wù)、有關(guān)原理、操作的主要步驟、注意事項(xiàng)。2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程及注意事項(xiàng)，自覺(jué)遵守實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)規(guī)章制度。3 獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。4 認(rèn)真觀察和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，做好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。5 按照格式要求認(rèn)真撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，不得抄襲。七、注意事項(xiàng)1未經(jīng)指導(dǎo)教師同意不得開動(dòng)機(jī)器。2操作者不得擅自離開操縱臺(tái)。3試件安裝必須正確、防止偏斜和夾入部分過(guò)短的現(xiàn)象。4試驗(yàn)時(shí)聽見(jiàn)異常聲音或發(fā)生任何故障，按下急停按鈕立即停車。實(shí)驗(yàn)二

9、 不同材料的沖擊韌性一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解沖擊試驗(yàn)方法。2.測(cè)定低碳鋼與鑄鐵的沖擊韌性ak值。二、概述（1） 沖擊實(shí)驗(yàn)是研究材料對(duì)于動(dòng)荷抗力的一種實(shí)驗(yàn)，和靜載荷作用不同，由于加載速度快，使材料內(nèi)的應(yīng)力驟然提高，變形速度影響了材料的力學(xué)性質(zhì)，所以材料對(duì)動(dòng)載荷作用表現(xiàn)出另一種反應(yīng)。（2） 此外在金屬材料的沖擊實(shí)集中驗(yàn)中，還可以揭示在靜載荷時(shí)不易發(fā)現(xiàn)的某些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作條件對(duì)機(jī)械性能的影響（如應(yīng)力，材料內(nèi)部缺陷，化學(xué)成分和加荷時(shí)溫度，受力狀態(tài)以及熱處理情況等），因它在工藝分析比較和科學(xué)研究中都具有一定的意義，在工程上常采用“沖擊韌性”來(lái)表示材料抵抗沖擊的能力。把金屬材料制成標(biāo)準(zhǔn)試件（金屬夏比（V型缺口

10、）試件）（圖1.1），安置在沖擊試驗(yàn)機(jī)的機(jī)座上(圖1.2)，使它受沖擊而折斷。記錄試件折斷所消耗的能量Ak，將Ak用缺口處的橫截面面積A去除，所得的數(shù)值定義為材料的沖擊韌性ak。 ak=(J/cm2)ak對(duì)材料品質(zhì)、內(nèi)部缺陷和晶粒大小等比較敏感。再加上沖擊試驗(yàn)簡(jiǎn)便易行，所以常用來(lái)檢驗(yàn)材料質(zhì)量、內(nèi)部缺陷、脆性程度等。在試件上制作缺口是為了使試件由該處折斷。分析表明，,在缺口根部附近材料處于三向拉應(yīng)力狀態(tài)。某些金屬在靜力拉伸下表現(xiàn)出良好的塑性，但處于三向拉應(yīng)力作用下卻有增加其脆性的傾向。所以塑性材料的缺口試件在沖擊作用下，一般都呈現(xiàn)脆性破壞方式（斷裂）。試驗(yàn)表明，缺口的形狀，試件的絕對(duì)尺寸及材料的

11、性質(zhì)等因素都會(huì)影響斷口附近參與塑性變形的體積，因此，沖擊試驗(yàn)必須在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行。同時(shí)，缺口的加工也十分重要，一般應(yīng)當(dāng)銑削或磨削，以保證尺寸準(zhǔn)確。圖1.1 圖1.2 圖1.3沖擊試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造原理如圖1.3所示。將擺錘向上擺起（如圖所示的角），于是擺錘便具有一定的位能。試驗(yàn)時(shí)，令擺錘突然下落，沖擊安裝在機(jī)座上的試件，將試件沖斷。試件折斷所消耗的能量等于擺錘原來(lái)的位能（在角處）與其沖斷試件后在揚(yáng)起位置（角處）時(shí)的位能之差。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料1實(shí)驗(yàn)設(shè)備：（1） 示波沖擊試驗(yàn)機(jī)；（2） 游標(biāo)卡尺2實(shí)驗(yàn)材料： 低碳鋼（V型缺口）試件和鑄鐵試件各一件四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）測(cè)量試件尺寸。

12、（2）打開電源開關(guān)，使擺桿揚(yáng)起；（3）安裝沖擊試樣，令缺口背對(duì)擺錘刃口，并使缺口中心線與跨距中心線重合；（4）給沖擊指令，使擺桿自由下落，沖斷試樣；（5）記錄試樣在沖擊過(guò)程中吸收的能量Ak值。（6）觀察低碳鋼和鑄鐵的斷口形貌。2. 實(shí)驗(yàn)方法與步驟 （1）打開沖擊試驗(yàn)機(jī)的電源，觀察指示燈是否亮。（2）點(diǎn)擊【揚(yáng)擺】按鈕，使擺錘揚(yáng)到位。（3）點(diǎn)擊【沖擊】按鈕，進(jìn)行沖擊測(cè)試。（4）記錄試件的吸收能量Ak值。（5）實(shí)驗(yàn)完畢后按住【放擺】按鈕，執(zhí)行放擺操作。五、試驗(yàn)結(jié)果的處理1.根據(jù)試件折斷所消耗的能量Ak值，計(jì)算低碳鋼與鑄鐵的ak，2.觀察兩種材料斷口的差異，并畫出兩種材料的破壞斷口草圖。六、實(shí)驗(yàn)要求1

13、學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前必須做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、任?wù)、有關(guān)原理、操作的主要步驟、注意事項(xiàng)。2實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程及注意事項(xiàng)，自覺(jué)遵守實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)規(guī)章制度。3獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。4認(rèn)真觀察和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，做好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。5按照格式要求認(rèn)真撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，不得抄襲。七注意事項(xiàng)本實(shí)驗(yàn)屬動(dòng)荷實(shí)驗(yàn)，而且實(shí)驗(yàn)機(jī)為自動(dòng)控制，故需嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，特別要注意安全。 點(diǎn)擊“沖擊”前必須將安全門關(guān)閉。安放試件時(shí)，絕對(duì)不許點(diǎn)擊【沖擊】按鈕。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后一定將擺錘放下。實(shí)驗(yàn)一：準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模憾?、?shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器試驗(yàn)機(jī)型號(hào)、名稱：量 具型號(hào)、名稱：三、 試件1) 試件材料

14、：試件1：低碳鋼；試件2：鑄鐵2) 試件形狀和尺寸：實(shí)驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)后試件原始形狀圖試件斷后形狀圖尺寸低碳鋼鑄鐵尺寸低碳鋼鑄鐵平均直徑：d0mm 最小直徑：d1mm橫截面積：A0mm2最小截面積：A1mm2標(biāo)距長(zhǎng)度：L0mm斷后長(zhǎng)度：L1mm四、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果試件屈服載荷最大載荷屈服極限強(qiáng)度極限延伸率截面收縮率低碳鋼鑄鐵附：計(jì)算公式：屈服極限：延伸率：強(qiáng)度極限：斷面收縮率：五、 拉伸曲線示意圖 低碳鋼 鑄鐵 六、回答問(wèn)題1) 參考低碳鋼拉伸圖，分段回答力與變形的關(guān)系以及在實(shí)驗(yàn)中反映出的現(xiàn)象。2) 由低碳鋼、鑄鐵的拉伸圖和試件斷口形狀及其測(cè)試結(jié)果，回答二者機(jī)械性能有什么不同。報(bào)告人班 級(jí)實(shí)驗(yàn)成績(jī)實(shí)驗(yàn)日期 實(shí)驗(yàn)二 不同材料的沖擊韌性實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模憾?、?shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器：試驗(yàn)機(jī)型號(hào)、名稱：量 具 型號(hào)、名稱：三、 試件1試件材料：試件1：低碳