拉壓,扭轉(zhuǎn)材料力學實驗指導書1

1、實驗一 低碳鋼和鑄鐵的拉伸實驗一、實驗目的要求和鑄鐵的強度極F L曲1 測定低碳鋼的流動極限S、強度極限 b、延伸率、截面收縮率限b。2 低碳鋼和鑄鐵在拉伸過程中表現(xiàn)的現(xiàn)象，繪出外力和變形間的關(guān)系曲線線。3 .比擬低碳鋼和鑄鐵兩種材料的拉伸性能和斷口情況。、實驗設(shè)備和儀器CMT5504/5105電子萬能試驗機、游標卡尺等圖1-1CMT5504/5105電子萬能試驗機l稱為標距，試件的拉伸、拉伸試件金屬材料拉伸實驗常用的試件形狀如下圖。圖中工作段長度變形量一般由這一段的變形來測定，兩端較粗局部是為了便于裝入試驗機的夾頭內(nèi)。原始圖頸縮圖狀態(tài)圖低碳鋼拉伸試件原圈斷口圖鑄鐵拉伸四、實驗原理和方法1低碳

2、鋼拉伸實驗低碳鋼試件在靜拉伸試驗中，通常可直接得到拉伸曲線，如圖1 3所示。用準確的拉伸曲線可直接換算出應(yīng)力應(yīng)變曲線。首先將試件安裝于試驗機的夾頭內(nèi)，之后勻速緩慢加載(加載速度對力學性能是有影響的，速度越快，所測的強度值就越高)，試樣依次經(jīng)過彈性、屈服、強化和頸縮四個階段，其中前三個階段是均勻變形的。圖1-3低碳鋼拉伸曲線(1) 彈性階段 是指拉伸圖上的0A'段，沒有任何殘留變形。在彈性階段，載荷與變形是同時存在的，當載荷卸去后變形也就恢復。在彈性階段，存在一比例極限點A，對應(yīng)的應(yīng)力為比例極限 p，此局部載荷與變形是成比例的。(2) 屈服階段對應(yīng)拉伸圖上的 BC段。金屬材料的屈服是宏觀

3、塑性變形開始的一種標志，是由切應(yīng)力引起的。在低碳鋼的拉伸曲線上，當載荷增加到一定數(shù)值時出現(xiàn)了鋸齒現(xiàn)象。 這種載荷在一定范圍內(nèi)波動而試件還繼續(xù)變形伸長的現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象。屈服階段中一個重要的力學性能就是屈服點。低碳鋼材料存在上屈服點和下屈服點，不加說明，一般都是指下屈服點。上屈服點對應(yīng)拉伸圖中的B點，記為Fsu，即試件發(fā)生屈服而力首次下降前的最大力值。下屈服點記為 Fsl，是指不計初始瞬時效應(yīng)的屈服階段中的最小力值，注意這里的 初始瞬時效應(yīng)對于液壓擺式萬能試驗機由于擺的回擺慣性尤其明顯，而對于電子萬能試驗機或液壓伺服試驗機不明顯。用式(1-1)、式(1-2)、式(1 3)計算出屈服點、下屈服點和

4、上屈服點。(1-1)(1-2)(1-3)s = F / AoSL = FSL / A0 su = Fsu /Ao(3) 強化階段對應(yīng)于拉伸圖中的 CD段。變形強化標志著材料抵抗繼續(xù)變形的能力在 增強。這也說明材料要繼續(xù)變形，就要不斷增加載荷。在強化階段如果卸載，彈性變形會隨之消失， 塑性變形將會永久保存下來。 強化階段的卸載路徑與彈性階段平行。 卸載后重新加 載時， 加載線仍與彈性階段平行。重新加載后，材料的比例極限明顯提高， 而塑性性能會相 應(yīng)下降。 這種現(xiàn)象稱之為冷作硬化。 冷作硬化是金屬材料的珍貴性質(zhì)之一。 工程中利用冷作 硬化工藝的例子很多，如擠壓、冷拔等。 D 點是拉伸曲線的最高點，

5、載荷為Fb ，對應(yīng)的應(yīng)力是材料的強度極限或抗拉極限，記為b ，用式( 1-4)計算b = Fb / A0(1-4)(4) 頸縮階段 對應(yīng)于拉伸圖的 DE 段。載荷到達最大值后，塑性變形開始局部進行。 這是因為在最大載荷點以后， 冷作硬化跟不上變形的開展， 由于材料本身缺陷的存在， 于是 均勻變形轉(zhuǎn)化為集中變形，導致形成頸縮。頸縮階段，承載面積急劇減小， 試件承受的載荷 也不斷下降，直至斷裂。 斷裂后，試件的彈性變形消失， 塑性變形那么永久保存在破斷的試件 上。材料的塑性性能通常用試件斷后殘留的變形來衡量。 軸向拉伸的塑性性能通常用伸長率 和斷面收縮率 來表示，計算公式為(l1 l0)/l0 1

6、00% (1-5)(A0 A1)/A0 100% (1-6)式中，lo、Ao分別表示試件的原始標距和原始面積；丨1、Al分別表示試件標距的斷后長度和斷口面積。 塑性材料頸縮局部的變形在總變形中占很大比例， 研究說明， 低碳鋼試件頸縮 局部的變形占塑性變形的80%左右，見圖1-5。測定斷后伸長率時，頸縮局部及其影響區(qū)的塑性變形都包含在I,之內(nèi)，這就要求斷口位置到最鄰近的標距線大于丨0/3，此時可直接測量試件標距兩端的距離得到 l1 。否那么就要用移位法使斷口居于標距的中央附近。 假設(shè)斷口落在 標距之外那么試驗無效。2鑄鐵拉伸實驗鑄鐵是典型的脆性材料，拉伸曲線如圖 1-7 所示，可以近似認為經(jīng)彈性

7、階段直接斷裂。 斷裂面平齊且為閃光的結(jié)晶狀組織，說明是由拉應(yīng)力引起的。其強度指標也只有抗拉強度b，用實驗測得的最大力值Fb，除以試件的原始面積 A。，就得到鑄鐵的抗拉強度b，即b = Fb / A0(1-7)五、實驗方法與步驟一、拉伸實驗：1、低碳鋼的試件的準備：在試件中段取標距I = 5d既50mm在標距兩端用腳標規(guī)打上沖眼作為標志，用游標卡尺在試件標距范圍內(nèi)測量中間和兩端三處直徑d 在每處的兩個互相垂直的方向各測一次取其平均值取最小值作為計算試件橫截面面積用。鑄鐵拉伸試件的準備用游標卡尺在試件標距范圍內(nèi)測量中間和兩端三處直徑d取最小值作為計算試件橫截面面積用。2、操作步驟：1、開電腦顯示器

8、電源，開控制器電源，開主機電源；2 、鼠標點擊CMT5504/5105電子萬能試驗機 SANS圖標，進入聯(lián)機參數(shù)界面， 進入控制操作界面；3、點擊右側(cè)上下按鍵使橫梁上下移動至和適位置；4、根據(jù)試樣形式裝上相應(yīng)夾頭；5、設(shè)定試驗方案和試驗參數(shù)；6、傳感器初值置零；7、點擊運行按鈕，開始試驗，試驗結(jié)束自動停止，點擊生成試驗報告；8 、安裝下一根試樣，重復步驟8,直到所有試樣全部試驗結(jié)束；9、關(guān)主機，關(guān)電腦顯示器電源，關(guān)控制器電源，取下拉斷的試件，將斷裂的試件緊對到一起，用游標卡尺測量出斷裂后試件標距間的長度|1，按下式可計算出低碳鋼的延伸率L - L滬丄 0? 100%l0將斷裂的試件的斷口緊對在

9、一起，用游標卡尺量出斷口(細頸)處的直徑d1，計算出面積Ai ；按下式可計算出低碳鋼的截面收縮率，片 A°-宀? 100%Ao11)、清理試驗現(xiàn)場。二)、考前須知：1、更換試樣夾持裝置時，注意裝置重心，防止裝置傾倒砸傷人員或砸壞試驗機；2、安裝試樣時注意盡可能對中；3、試驗時在試樣周圍設(shè)置護欄，以防試樣斷裂瞬間飛出傷人；4、試驗過程中發(fā)現(xiàn)意外情況，立即按下試驗機機座上的紅色急停按鈕，請試驗機管理人員檢查。5、 試驗完畢清理并恢復試驗現(xiàn)場，請試驗機管理人員檢查試驗機狀況，做好試驗記錄。六、實驗結(jié)果處理以表格的形式處理實驗結(jié)果。根據(jù)記錄的原始數(shù)據(jù)，計算出低碳鋼的S、 b、 和鑄鐵的抗拉強

10、度 b和抗壓強度 bc。將計算結(jié)果填入實驗報告表。七、思考題(1) 由實驗現(xiàn)象和結(jié)果比擬低碳鋼和鑄鐵的機械性能有何不同？(2) 實驗時如何觀察低碳鋼的屈服極限？八、實驗報告格式(僅供參考)實驗名稱：班級：實驗日期：報告人：同組者：(1)實驗目的:(2)實驗設(shè)備和工具：試驗機名稱：型號：讀數(shù)精度：量具名稱：型號：規(guī)格精度(3)實驗原理方法簡述：(4 )實驗步驟簡述:(5) 實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果處理(見表1-1拉伸試件尺寸表和表 1-2實驗數(shù)據(jù)和處理結(jié)果。)(6) 根據(jù)實驗結(jié)果繪制應(yīng)力一應(yīng)變曲線，以及試樣斷口草圖。(7) 分析討論和答復思考題。址小1斷癖£鎧必蝕z/w ；IliaAllaIII

11、O滅倔熾俱林事冷恥髀SAMayMPz鱷 ft®1聊旺/SirailllllilllllimiMfMiMIM - - -1ii!HViWvnwnwwMnrtfMHvwwTaiRwvwhTii 爲y/mn? 石內(nèi)IE>ykjNt (K) j * (%)I LlafiiliHTWfWiMMWirvwilW!實驗二低碳鋼和鑄鐵的壓縮實驗一、實驗目的(1) 比擬低碳鋼和鑄鐵壓縮變形和破壞現(xiàn)象。(2) 測定低碳鋼的屈服極限 (T s和鑄鐵的強度極限(T bo(3) 比擬鑄鐵在拉伸和壓縮兩種受力形式下的機械性能、分析其破壞原因。(4) 熟悉壓力試驗機和萬能試驗機的使用方法。-、實驗儀器和設(shè)備

12、(1) CMT5504/5105電子萬能試驗機。(2) 游標卡尺。三、試件介紹根據(jù)國家有關(guān)標準，低碳鋼和鑄鐵等金屬材料的壓縮試件一般制成圓柱形試件。低碳鋼壓縮試件的高度和直徑的比例為 3: 2，鑄鐵壓縮試件的高度和直徑的比例為 2: 1。試件均 為圓柱體。鑄鉄壓縮四、實驗原理及方法壓縮實驗是研究材料性能常用的實驗方法。對鑄鐵、鑄造合金、建筑材料等脆性材料 尤為適宜。通過壓縮實驗觀察材料的變形過程、破壞形式，并與拉伸實驗進行比擬，可以分 析不同應(yīng)力狀態(tài)對材料強度、塑性的影響，從而對材料的機械性能有比擬全面的認識。低碳鋼壓縮時也會發(fā)生屈服，但并不象拉伸那樣有明顯的屈服階段。因此，在測定Ps時要特別

13、注意觀察。在緩慢均勻加載下，當材料發(fā)生屈服時，讀數(shù)增加緩慢甚至減小，這時 對應(yīng)的載荷即為屈服載荷Ps。屈服之后加載到試件產(chǎn)生明顯變形即停止加載。這是因為低碳鋼受壓時變形較大而不破裂，因此愈壓愈扁。橫截面增大時，其實際應(yīng)力不隨外載荷增加而增加，故不可能得到最大載荷 Pb,因此也得不到強度極限b，所以在實驗中是以變形來控制加載的。鑄鐵試件壓縮時，在到達最大載荷Pb前出現(xiàn)較明顯的變形然后破裂，此時試驗機讀數(shù)迅速減小，讀取最大載荷 Pb值，鑄鐵試件最后略呈變形，斷裂面與試件軸線大約呈450。五、實驗步驟1測量試件的直徑和高度。測量試件兩端及中部三處的截面直徑，取三處中最小一處的平均直徑計算橫截面面積。

14、2) 將試件放在試驗機活動臺球形支撐板中心處。3) 、設(shè)定試驗方案和試驗參數(shù)；對于低碳鋼，要及時記錄其屈服載荷，超過屈服載荷后,續(xù)加載，將試件壓成鼓形即可停止加載。鑄鐵試件加壓至試件破壞為止。4) 、初值置零；5) 、點擊開始試驗按鈕，開始試驗，試驗結(jié)束自動停止，生成試驗報告；6) 、安裝下一根試樣，重復步驟8)，直到所有試樣全部試驗結(jié)束；7) 、打印試驗報告；六、實驗結(jié)果(1)讀取記錄低碳鋼的屈服極限(2-1 )PA0(2)讀取記錄鑄鐵的強度極限PbA0(2-2 )12其中Aodo ， do為試件實驗前最小直徑。4七、思考題(1) 為何低碳鋼壓縮測不出破壞載荷，而鑄鐵壓縮測不出屈服載荷？(2

15、) 根據(jù)鑄鐵試件的壓縮破壞形式分析其破壞原因，并與拉伸作比擬？(3) 通過拉伸與壓縮實驗，比擬低碳鋼的屈服極限在拉伸和壓縮時的差另U?(4) 通過拉伸與壓縮實驗，比擬鑄鐵的強度極限在拉伸和壓縮時的差異？、實驗目的實驗三低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)實驗1觀察低碳鋼的扭轉(zhuǎn)破壞現(xiàn)象，并測定其剪切屈服極限2觀察鑄鐵的扭轉(zhuǎn)破壞現(xiàn)象，并測定其剪切強度極限二、實驗設(shè)備1 CTT1000/最大扭矩500Nm微機控制扭轉(zhuǎn)試驗機。2 游標卡尺。T s和剪切強度極限T b；T bo圖3-1 CTT1000/最大扭矩500Nm微機控制扭轉(zhuǎn)試驗機三、實驗試樣按照國家標準 GB10128 88?金屬室溫扭轉(zhuǎn)試驗方法?，金屬扭轉(zhuǎn)試樣

16、的形狀隨著產(chǎn)品的品種、規(guī)格以及試驗目的的不同而分為圓形截面試樣和管形截面試樣兩種。其中最常用的是圓形截面試樣，如圖2-1所示。通常，圓形截面試樣的直徑d 10mm，標距I 5d或l 10d，平行局部的長度為I 20mm。假設(shè)采用其它直徑的試樣，其平行局部的長度應(yīng)為標 距加上兩倍直徑。試樣頭部的形狀和尺寸應(yīng)適合扭轉(zhuǎn)試驗機的夾頭夾持。由于扭轉(zhuǎn)試驗時，試樣外表的切應(yīng)力最大，試樣外表的缺陷將敏感地影響試驗結(jié)果，所以，對扭轉(zhuǎn)試樣的外表粗糙度的要求要比拉伸試樣的高。對扭轉(zhuǎn)試樣的加工技術(shù)要求參見國家標準 GB10128 88oA10/AJ0IK50)130(80)圖2-1扭轉(zhuǎn)試樣低碳鋼扭轉(zhuǎn)*低該鋼扭轉(zhuǎn)狀戀圖

17、鑄鐵IS轉(zhuǎn)原團鑄鐵扭轉(zhuǎn)試樣破壞鍋鐵扭轉(zhuǎn)試樣破壞 即后蚊果圖鑄鉄扭轉(zhuǎn)狀態(tài)圖四、實驗原理與方法從理論知道，圓柱形試件在扭轉(zhuǎn)時，橫截面邊緣上任一點處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)圖2-2 。由于純剪切應(yīng)力狀態(tài)是屬于二向應(yīng)力狀態(tài)，兩個主應(yīng)力的絕對值相等，大小等于橫截面上該點處的剪應(yīng)力 T即|i|3,其方向為與圓桿軸線成土 45角的螺旋面上。圓桿扭轉(zhuǎn)時橫截面上有最大剪應(yīng)力，而45°斜截面上有最大拉應(yīng)力，由于各種材料抵抗剪切和拉伸的能力不同，故不同材料有各種不同的破壞形式。由此可以分析低碳鋼和鑄鐵扭轉(zhuǎn)時的破壞原因。由于低碳鋼的抗剪強度低于抗拉強度，試件橫截面上的最大剪應(yīng)力引起沿橫截面剪斷破壞；而鑄鐵抗拉強度低

18、于抗剪強度，試件由與桿軸線成45。的斜截面上的 q引起拉斷破壞。圖2-2園軸扭轉(zhuǎn)時的應(yīng)力1、低碳鋼試樣的扭轉(zhuǎn)低碳鋼是塑性材料，其扭轉(zhuǎn)曲線圖2-3與拉伸類似，隨扭矩 T的增加，材料經(jīng)過彈性變形O-A段、塑性變形A-B段、強化B-C段和斷裂四個階段而被破壞，斷口是 很齊的橫斷面，這是因為剪應(yīng)力超過了材料的剪切強度極限所致。對于低碳鋼材料 M- $曲線有兩種類型，如圖2-4所示。圖2-5低碳鋼圓軸試件扭轉(zhuǎn)時的應(yīng)力分布示意圖低碳鋼試件在受扭的最初階段，扭矩M與扭轉(zhuǎn)角$成正比關(guān)系，橫截面上剪應(yīng)力沿半徑線性分布如圖2-5a所示。隨著扭矩Mn的增大，橫截面邊緣處的剪應(yīng)力首先到達剪切屈服 極限s，且塑性區(qū)逐漸

19、向圓心擴展，形成環(huán)形塑性區(qū)見圖2-5b。但中心局部仍是彈性的。試件繼續(xù)變形，屈服從試件表層向心部擴展直到整個截面幾乎都是塑性區(qū)如圖2-5C所示。在T - ©曲線上出現(xiàn)屈服平臺見圖2-4。試驗機指針根本不動此時對應(yīng)的扭矩即為屈服扭矩Ts。隨后，材料進入強化階段，變形增加，扭矩隨之增加，直到試件破壞為止。因扭轉(zhuǎn)無 頸縮現(xiàn)象。所以，扭轉(zhuǎn)曲線一直上升而無下降情況，試件破壞時的扭矩即為最大扭矩Tb。現(xiàn)在推導扭轉(zhuǎn)屈服極限T及T的計算公式。扭矩超過比例極限后，截面上的剪應(yīng)力分布發(fā)生變化，如圖2-5b。在截面上出現(xiàn)了一個環(huán)狀塑性區(qū)，并隨著 T的增長，塑性區(qū)逐步向中心擴展，T- ©曲線稍微上

20、升，直到 B點趨于平坦，截面上各材料完全到達屈服，扭矩度盤上的指針幾乎不動或擺動，此時測力度盤上指示出的扭矩或指針擺動的最小值即為屈服扭矩Ts。如圖2-5b，根據(jù)靜力平衡條件，可以求得t與Ts的關(guān)系為：(2-1 )(2-2 )Ts = Q p sdA將式中dA用環(huán)狀面積元素2 d表示，那么有d /2Ts =2 n Q故剪切屈服極限為:(2-3 )類似可求得(2-4)3Tl4wP式中Wp為圓軸的抗扭截面模量，其值由下式計算Wp =n3162、鑄鐵試樣的扭轉(zhuǎn)鑄鐵屬脆性材料，其扭轉(zhuǎn)曲線如圖2-4所示，扭轉(zhuǎn)時變形很小就突然斷裂，有爆裂聲,斷裂面粗糙，是與軸線約成45度角的螺旋面，這是由于最大拉應(yīng)力超過

21、了材料的強度極限而破壞的。一般按式2-4計算鑄鐵的抗扭強度。圖2-4鑄鐵扭轉(zhuǎn)曲線由于低碳鋼材料在純剪切應(yīng)力狀態(tài)下，其抗正斷能力高于抗剪斷能力，故低碳鋼試件將沿最大剪應(yīng)力所在的橫截面 剪斷，斷口平齊。呈現(xiàn)了切斷的特征。而鑄鐵材料在純剪切應(yīng)力狀態(tài)下，其抗正斷能力低于抗剪斷能力，所以，鑄鐵試件將從其外表某一最弱處，沿與軸 線呈的45螺旋狀曲面被拉斷，呈現(xiàn)正斷斷口的特征。3、破壞分析根據(jù)試件扭轉(zhuǎn)破壞斷口形式如圖2-5所示。低碳鋼圓形試件的破壞斷面與曲線垂直見圖2-5a，顯然是沿最大剪應(yīng)力的作用面發(fā)生斷裂，為剪應(yīng)力作用而剪斷。故低碳鋼材料的 抗剪能力低于抗拉壓能力；鑄鐵圓形試件破壞斷面與軸線成45。螺旋面 見圖2-5b ,破壞斷口垂直于最大拉應(yīng)Oj方向，斷面呈晶粒狀，這是正應(yīng)力作用下形成脆性斷口，故鑄鐵材料