材料力學(xué)性能實驗指導(dǎo)書

1、第一章 材料的力學(xué)性能試驗材料的力學(xué)性能試驗是工程中廣泛應(yīng)用的一種試驗，它為機械制造、土木工程、冶金及其它各種工業(yè)部門提供可靠的材料的力學(xué)性能參數(shù)，便于合理地使用材料，保證機器（結(jié)構(gòu)）及其零件（構(gòu)件）的安全工作。材料的力學(xué)性能試驗必須按照國家標(biāo)準(zhǔn)進行。第一節(jié) 拉伸試驗 一、實驗?zāi)康?.驗證胡克定律，測定低碳鋼的彈性常數(shù)：彈性模量。2.測定低碳鋼拉伸時的強度性能指標(biāo)：屈服應(yīng)力和抗拉強度。3.測定低碳鋼拉伸時的塑性性能指標(biāo)：伸長率和斷面收縮率。4.測定灰鑄鐵拉伸時的強度性能指標(biāo)：抗拉強度。5.繪制低碳鋼和灰鑄鐵的拉伸圖，比較低碳鋼與灰鑄鐵在拉伸時的力學(xué)性能和破壞形式。 二、實驗設(shè)備和儀器1.萬能試

2、驗機。2.引伸儀。3.游標(biāo)卡尺。 三、實驗試樣按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB639786金屬拉伸試驗試樣，金屬拉伸試樣的形狀隨著產(chǎn)品的品種、規(guī)格以及試驗?zāi)康牡牟煌譃閳A形截面試樣、矩形截面試樣、異形截面試樣和不經(jīng)機加工的全截面形狀試樣四種。其中最常用的是圓形截面試樣和矩形截面試樣。如圖1-1所示，圓形截面試樣和矩形截面試樣均由平行、過渡和夾持三部分組成。平行部分的試驗段長度稱為試樣的標(biāo)距，按試樣的標(biāo)距與橫截面面積之間的關(guān)系，分為比例試樣和定標(biāo)距試樣。圓形截面比例試樣通常取或，矩形截面比例試樣通常取或，其中，前者稱為長比例試樣（簡稱長試樣），后者稱為短比例試樣（簡稱短試樣）。定標(biāo)距試樣的與之間無上述比例關(guān)系

3、。過渡部分以圓弧與平行部分光滑地連接，以保證試樣斷裂時的斷口在平行部分。夾持部分稍大，其形狀和尺寸根據(jù)試樣大小、材料特性、試驗?zāi)康囊约叭f能試驗機的夾具結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。對試樣的形狀、尺寸和加工的技術(shù)要求參見國家標(biāo)準(zhǔn)GB639786。（a）（b）圖1-1 拉伸試樣（a）圓形截面試樣；（b）矩形截面試樣 四、實驗原理與方法 1.測定低碳鋼的彈性常數(shù)實驗時，先把試樣安裝在萬能試驗機上，再在試樣的中部裝上引伸儀，并將指針調(diào)整到0，用于測量試樣中部長度（引伸儀兩刀刃間的距離）內(nèi)的微小變形。開動萬能試驗機，預(yù)加一定的初載荷（可?。瑫r讀取引伸儀的初讀數(shù)。為了驗證載荷與變形之間成正比的關(guān)系，在彈性范圍內(nèi)（根據(jù)

4、求出的最大彈性載荷不超過）采用等量逐級加載方法，每次遞加同樣大小的載荷增量（可選），在引伸儀上讀取相應(yīng)的變形量。若每次的變形增量大致相等，則說明載荷與變形成正比關(guān)系，即驗證了胡克定律。彈性模量可按下式算出式中：為載荷增量；為試樣的橫截面面積；為引伸儀的標(biāo)距（即引伸儀兩刀刃間的距離）；為在載荷壇量下由引伸儀測出的試樣變形增量平均值。2.測定低碳鋼拉伸時的強度和塑性性能指標(biāo)彈性模量測定完后，將載荷卸去，取下引伸儀，調(diào)整好萬能試驗機的自動繪圖裝置，再次緩慢加載直至試樣拉斷，以測出低碳鋼在拉伸時的力學(xué)性能。（1）強度性能指標(biāo)屈服應(yīng)力（屈服點）試樣在拉伸過程中載荷不增加而試樣仍能繼續(xù)產(chǎn)生變形時的載荷（即

5、屈服載荷）除以原始橫截面面積所得的應(yīng)力值，即抗拉強度試樣在拉斷前所承受的最大載荷除以原始橫截面面積所得的應(yīng)力值，即低碳鋼是具有明顯屈服現(xiàn)象的塑性材料，在均勻緩慢的加載過程中，當(dāng)萬能試驗機測力盤上的主動指針發(fā)生回轉(zhuǎn)時所指示的最小載荷（下屈服載荷）即為屈服載荷。試樣超過屈服載荷后，再繼續(xù)緩慢加載直至試樣被拉斷，萬能試驗機的從動指針?biāo)甘镜淖畲筝d荷即為極限載荷。當(dāng)載荷達(dá)到最大載荷后，主動指針將緩慢退回，此時可以看到，在試樣的某一部位局部變形加快，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，隨后試樣很快被拉斷。（2）塑性性能指標(biāo)伸長率拉斷后的試樣標(biāo)距部分所增加的長度與原始標(biāo)距長度的百分比，即式中：為試樣的原始標(biāo)距；為將拉斷的試樣對

6、接起來后兩標(biāo)點之間的距離。試樣的塑性變形集中產(chǎn)生在頸縮處，并向兩邊逐漸減小。因此，斷口的位置不同，標(biāo)距部分的塑性伸長也不同。若斷口在試樣的中部，發(fā)生嚴(yán)重塑性變形的頸縮段全部在標(biāo)距長度內(nèi)，標(biāo)距長度就有較大的塑性伸長量；若斷口距標(biāo)距端很近，則發(fā)生嚴(yán)重塑性變形的頸縮段只有一部分在標(biāo)距長度內(nèi)，另一部分在標(biāo)距長度外，在這種情況下，標(biāo)距長度的塑性伸長量就小。因此，斷口的位置對所測得的伸長率有影響。為了避免這種影響，國家標(biāo)準(zhǔn)GB22887對的測定作了如下規(guī)定。試驗前，將試樣的標(biāo)距分成十等分。若斷口到鄰近標(biāo)距端的距離大于，則可直接測量標(biāo)距兩端點之間的距離作為。若斷口到鄰近標(biāo)距端的距離小于或等于，則應(yīng)采用移位法

7、（亦稱為補償法或斷口移中法）測定：在長段上從斷口點起，取長度基本上等于短段格數(shù)的一段，得到點，再由點起，取等于長段剩余格數(shù)（偶數(shù)）的一半得到點（見圖1-2（a）；或取剩余格數(shù)（奇數(shù)）減1與加1的一半分別得到點與點（見圖1-2（b）。移位后的分別為：或。測量時，兩段在斷口處應(yīng)緊密對接，盡量使兩段的軸線在一條直線上。若在斷口處形成縫隙，則此縫隙應(yīng)計入內(nèi)。如果斷口在標(biāo)距以外，或者雖在標(biāo)距之內(nèi)，但距標(biāo)距端點的距離小于，則試驗無效。（a）（b）圖1-2 測的移位法斷面收縮率拉斷后的試樣在斷裂處的最小橫截面面積的縮減量與原始橫截面面積的百分比，即式中：為試樣的原始橫截面面積；為拉斷后的試樣在斷口處的最小橫

8、截面面積。3.測定灰鑄鐵拉伸時強度性能指標(biāo)灰鑄鐵在拉伸過程中，當(dāng)變形很小時就會斷裂，萬能試驗機的指針?biāo)甘镜淖畲筝d荷除以原始橫截面面積所得的應(yīng)力值即為抗拉強度，即 五、實驗步驟1.測定低碳鋼的彈性常數(shù)（1）測量試樣的尺寸。（2）先將低碳鋼的拉伸試樣安裝在萬能試驗機上，再把引伸儀安裝在試樣的中部，并將指針調(diào)零。（3）按等量逐級加載法均勻緩慢加載，讀取引伸儀的讀數(shù)。2.測定低碳鋼拉伸時的強度和塑性性能指標(biāo)（1）將試樣打上標(biāo)距點，并刻畫上間隔為或的分格線。（2）在試樣標(biāo)距范圍內(nèi)的中間以及兩標(biāo)距點的內(nèi)側(cè)附近，分別用游標(biāo)卡尺在相互垂直方向上測取試樣直徑的平均值為試樣在該處的直徑，取三者中的最小值作為計算

9、直徑。（3）把試樣安裝在萬能試驗機的上、下夾頭之間，估算試樣的最大載荷，選擇相應(yīng)的測力盤，配置好相應(yīng)的擺錘，調(diào)整測力指針，使之對準(zhǔn)“0”點，將從動指針與之靠攏，同時調(diào)整好自動繪圖裝置。（4）開動萬能試驗機，勻速緩慢加載，觀察試樣的屈服現(xiàn)象和頸縮現(xiàn)象，直至試樣被拉斷為止，并分別記錄下主動指針回轉(zhuǎn)時的最小載荷和從動指針?biāo)Ａ粑恢玫淖畲筝d荷。（5）取下拉斷后的試樣，將斷口吻合壓緊，用游標(biāo)卡尺量取斷口處的最小直徑和兩標(biāo)點之間的距離。3.測定灰鑄鐵拉伸時的強度性能指標(biāo)（1）測量試樣的尺寸。（2）把試樣安裝在萬能試驗機的上、下夾頭之間，估算試樣的最大載荷，選擇相應(yīng)的測力盤，配置好相應(yīng)的擺錘。調(diào)整測力指針，

10、使之對準(zhǔn)“0”點，將從動指針與之靠攏，同時調(diào)整好自動繪圖裝置。（3）開動萬能試驗機，勻速緩慢加載直至試樣被拉斷為止，記錄下從動指針?biāo)Ａ粑恢玫淖畲筝d荷。 六、實驗數(shù)據(jù)的記錄與計算1.測定低碳鋼的彈性常數(shù)表1-1 測定低碳鋼的彈性模量試驗的數(shù)據(jù)記錄與計算試樣尺寸： 直徑 引伸儀參數(shù)： 標(biāo)距 放大倍數(shù) 變形/格載荷/第 一 次第 二 次讀數(shù)增量引伸儀讀數(shù)n增量引伸儀讀數(shù)n增量增量均值 增量均值 格增量均值 格試樣在引伸儀標(biāo)距內(nèi)伸長的平均值 彈性模量 2.測定低碳鋼拉伸時的強度和塑性性能指標(biāo)表1-2 測定低碳鋼拉伸時的強度和塑性性能指標(biāo)試驗的數(shù)據(jù)記錄與計算試 樣 尺 寸實 驗 數(shù) 據(jù)實驗前： 標(biāo) 距

11、 直 徑 實驗后： 標(biāo) 距 最小直徑 屈服載荷 最大載荷 屈服應(yīng)力 抗拉強度 伸 長 率 斷面收縮率 拉斷后的試樣草圖試 樣 的 拉 伸 圖3.測定灰鑄鐵拉伸時的強度性能指標(biāo)表1-3 測定灰鑄鐵拉伸時的強度性能指標(biāo)試驗的數(shù)據(jù)記錄與計算試 樣 尺 寸實 驗 數(shù) 據(jù)實驗前： 直 徑 最大載荷 抗拉強度 拉斷后的試樣草圖試 樣 的 拉 伸 圖4.拉伸試驗結(jié)果的計算精確度（1）強度性能指標(biāo)（屈服應(yīng)力和抗拉強度）的計算精度要求為，即：凡的數(shù)值舍去，而的數(shù)值化為，的數(shù)值者則進為。（2）塑性性能指標(biāo)（伸長率和斷面收縮率）的計算精度要求為，即：凡的數(shù)值舍去，而的數(shù)值化為，的數(shù)值則進為。 七、注意事項1.實驗時

12、必須嚴(yán)格遵守實驗設(shè)備和儀器的各項操作規(guī)程，嚴(yán)禁開“快速”檔加載。開動萬能試驗機后，操作者不得離開工作崗位，實驗中如發(fā)生故障應(yīng)立即停機。2.引伸儀系精密儀器，使用時須謹(jǐn)慎小心，不要用手觸動指針和杠桿。安裝時不能卡得太松，以防實驗中脫落摔壞；也不能卡得太緊，以防刀刃損傷造成測量誤差。3.加載時速度要均勻緩慢，防止沖擊。 八、思考題1.低碳鋼和灰鑄鐵在常溫靜載拉伸時的力學(xué)性能和破壞形式有何異同？2.測定材料的力學(xué)性能有何實用價值？3.你認(rèn)為產(chǎn)生試驗結(jié)果誤差的因素有哪些？應(yīng)如何避免或減小其影響？第二節(jié) 壓縮試驗 一、實驗?zāi)康?.測定低碳鋼壓縮時的強度性能指標(biāo)：屈服應(yīng)力。2.測定灰鑄鐵壓縮時的強度性能指

13、標(biāo)：抗壓強度。3.繪制低碳鋼和灰鑄鐵的壓縮圖，比較低碳鋼與灰鑄鐵在壓縮時的變形特點和破壞形式。 二、實驗設(shè)備和儀器1.萬能試驗機。2.游標(biāo)卡尺。 三、實驗試樣按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB731487金屬壓縮試驗方法，金屬壓縮試樣的形狀隨著產(chǎn)品的品種、規(guī)格以及試驗?zāi)康牡牟煌譃閳A柱體試樣、正方形柱體試樣和板狀試樣三種。其中最常用的是圓柱體試樣和正方形柱體試樣，如圖1-3所示。根據(jù)試驗的目的，對試樣的標(biāo)距作如下規(guī)定：的試樣僅適用于測定；（或）的試樣適用于測定、和；（或）的試樣適用于測定和。其中（或）。 （a） （b）圖1-3 壓縮試樣（a）圓柱體試樣；（b）正方形柱體試樣對試樣的形狀、尺寸和加工的技術(shù)要求參

14、見國家標(biāo)準(zhǔn)GB639786。 四、實驗原理與方法1.測定低碳鋼壓縮時的強度性能指標(biāo)低碳鋼在壓縮過程中，當(dāng)應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時，其變形情況與拉伸時基本相同。當(dāng)達(dá)到屈服應(yīng)力后，試樣產(chǎn)生塑性變形，隨著壓力的繼續(xù)增加，試樣的橫截面面積不斷變大直至被壓扁。故只能測其屈服載荷，屈服應(yīng)力為式中：為試樣的原始橫載面面積。2.測定灰鑄鐵壓縮時的強度性能指標(biāo)灰鑄鐵在壓縮過程中，當(dāng)試樣的變形很小時即發(fā)生破壞，故只能測其破壞時的最大載荷，抗壓強度為 五、實驗步驟1.檢查試樣兩端面的光潔度和平行度，并涂上潤滑油。用游標(biāo)卡尺在試樣的中間截面相互垂直的方向上各測量一次直徑，取其平均值作為計算直徑。2.估算試樣的最大載荷，選擇

15、相應(yīng)的測力盤，配置好相應(yīng)的擺錘。調(diào)整測力指針，使之對準(zhǔn)“0”，將從動指針與之靠攏，同時調(diào)整好自動繪圖裝置。3.檢查球形承墊與承墊是否符合要求。4.將試樣放進萬能試驗機的上、下承墊之間，并檢查對中情況。5.開動萬能試驗機，均勻緩慢加載，注意讀取低碳鋼的屈服載荷和灰鑄鐵的最大載荷，并注意觀察試樣的變形現(xiàn)象。六、實驗數(shù)據(jù)的記錄與計算表1-4 測定低碳鋼和灰鑄鐵壓縮時的強度性能指標(biāo)試驗的數(shù)據(jù)記錄與計算材料試樣直徑實 驗 數(shù) 據(jù)實驗后的試樣草圖試樣的壓縮圖低碳鋼屈服載荷 屈服應(yīng)力 灰鑄鐵最大載荷 抗壓強度 七、思考題1.比較低碳鋼和灰鑄鐵在拉伸與壓縮時所測得的和的數(shù)值有何差別？2.仔細(xì)觀察灰鑄鐵的破壞形

16、式并分析破壞原因。第五節(jié) 沖擊試驗 一、實驗?zāi)康?.測定低碳鋼的沖擊性能指標(biāo)：沖擊韌度。2.測定灰鑄鐵的沖擊性能指標(biāo)：沖擊韌度。3.比較低碳鋼與灰鑄鐵的沖擊性能指標(biāo)和破壞情況。 二、實驗設(shè)備和儀器1.沖擊試驗機。2.游標(biāo)卡尺。 三、實驗試樣按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2291994金屬夏比缺口沖擊試驗方法，金屬沖擊試驗所采用的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣為并開有或深的形缺口的沖擊試樣（圖1-8）以及張角深的形缺口沖擊試樣（圖1-9）。如不能制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，則可采用寬度為或等小尺寸試樣，其它尺寸與相應(yīng)缺口的標(biāo)準(zhǔn)試樣相同，缺口應(yīng)開在試樣的窄面上。沖擊試樣的底部應(yīng)光滑，試樣的公差、表面粗糙度等加工技術(shù)要求參見國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2291994。 （a） （b）圖1-9 夏比形沖擊試樣（a）深度為；（b）深度為圖1-8 夏比形沖擊試樣 四、實驗原理與方法使擺錘從一定的高度自由轉(zhuǎn)動落下，撞斷試樣，讀取試樣在被撞斷過程中所吸收的能量，沖擊韌度為式中：為試樣在斷口處的橫截面面積。 五、實驗步驟1.了解沖擊試驗機的操作規(guī)程和注意事項