材料力學(xué)實驗指導(dǎo)書

1、機械學(xué)基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)書力學(xué)實驗中心金屬材料的拉伸與壓縮實驗1.1 金屬材料的拉伸實驗拉伸實驗是材料力學(xué)實驗中最重要的實驗之一。任何一種材料受力后都要產(chǎn)生變形，變形到一定程度就可能發(fā)生斷裂破壞。材料在受力變形斷裂的這一破壞過程中，不僅有一定的變形能力，而且對變形和斷裂有一定的抵抗能力，這些能力稱為材料的力學(xué)機械性能。通過拉伸實驗，可以確定材料的許多重要而又最基本的力學(xué)機械性能。例如：彈性模量E、比例極限Rp、上和下屈服強度ReH和ReL、強度極限Rm、延伸率A、收縮率Z。除此而外，通過拉伸實驗的結(jié)果，往往還可以大致判定某種其它機械性能，如硬度等。我們以兩種材料低碳鋼，鑄鐵做拉伸試驗，以便對于塑性材

2、料和脆性材料的力學(xué)機械性能進行比較。這個實驗是研究材料在靜載和常溫條件下的拉斷過程。利用電子萬能材料試驗機自動繪出的載荷變形圖，及試驗前后試件的尺寸來確定其機械性能。試件的形式和尺寸對實驗的結(jié)果有很大影響，就是同一材料由于試件的計算長度不同，其延伸率變動的范圍就很大。例如：對45#鋼：當(dāng)L010d0時（L0為試件計算長度，d0為直徑），延伸率A102429%，當(dāng)L05d0時，A52325%。為了能夠準(zhǔn)確的比較材料的性質(zhì)，對拉伸試件的尺寸有一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。按國標(biāo)GB/T228-2002、GB/P7314-2005的要求，拉伸試件一般采用下面兩種形式：圖1-11. 10倍試件；圓形截面時，L010

3、d0 矩形截面時，L011.32. 5倍試件圓形截面時，L05d 矩形截面時, L05.65=d0試驗前試件計算部分的直徑；S0試驗前試件計算部分斷面面積。此外，試件的表面要求一定的光潔度。光潔度對屈服點有影響。因此，試件表面不應(yīng)有刻痕、切口、翹曲及淬火裂紋痕跡等。一、實驗?zāi)康模?研究低碳鋼、鑄鐵的應(yīng)力應(yīng)變曲線拉伸圖。2確定低碳鋼在拉伸時的機械性能（比例極限Rp、下屈服強度ReL、強度極限Rm、延伸率A、斷面收縮率Z等）。3. 確定鑄鐵在拉伸時的力學(xué)機械性能。二、實驗原理：拉伸實驗是測定材料力學(xué)性能最基本的實驗之一。在單向拉伸時FL（力變形）曲線的形式代表了不同材料的力學(xué)性能，利用： 可得到R

4、曲線關(guān)系。三、實驗所用的設(shè)備、儀器和工具1、Zwick電子萬能材料試驗機 一臺2、游標(biāo)卡尺 一支3、記號筆 一支4、低碳鋼、鑄鐵試件 各一個四、試件尺寸測量1量度試件尺寸：1）試驗前在試件兩端及中部選擇三個截面，每個截面用游標(biāo)卡尺分別相互垂直各測一次直徑，取其三點平均值中的最小值作為試件的直徑d0。當(dāng)?shù)吞间撛嚰瓟嗪?，用游?biāo)卡尺在頸縮段的最小截面處的互相垂直的兩個方向各測量一次直徑，取其平均值作為試件斷口處的最小值du。2）確定計算長度L0。在試件中間等粗的細長部分內(nèi)，量取計算長度L0（按10倍或5倍試件確定）。然后用記號筆把計算長度L0分成若干等分（通常是以5mm或10mm為一等分）。以便當(dāng)

5、試件斷裂不在中間時進行換算，從而求得比較正確的延伸率。建議使用下列表格表1.1。表1.1 拉伸試件原始尺寸數(shù)據(jù)記錄 材料標(biāo)距L0(mm)直徑d0(mm)橫截面面積S0 截面I截面II截面III12平均12平均12平均低碳鋼鑄 鐵五、實驗步驟參見1.3中的Zwick電子萬能試驗機操作步驟六試驗注意事項：隨時注意觀察試件在拉伸過程中的形狀變化和應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化情況。1）當(dāng)試件拉伸過程中，當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)平臺時載荷即到達屈服階段，在試件表面可能出現(xiàn)契爾諾夫滑移線。2）過了屈服階段后，觀察冷作硬化現(xiàn)象。3）當(dāng)載荷到達最大值（Fm）時，曲線開始回落下降，密切注意試件形狀的變化，此時可看到頸縮現(xiàn)象。4

6、）試件拉斷后，立即停機存盤。打印出所得的拉伸圖，取下試件并量度此時的斷后標(biāo)距長度Lu（如果試件是斷在計算長度之外的作廢）和頸縮處的最小直徑du。量度時將試件的兩半接在一起，使其盡量緊貼。七試驗結(jié)果整理和計算：1）對拉伸曲線的修正。拉伸曲線得到后，往往在開始處形成如圖1-2中所示的不規(guī)則的曲線。這是由于試驗開始時，握緊器、夾具和試件之間尚未緊密相接。并非完全由于試件變形所致。因此對此曲線要進行修正，即將拉伸圖直線部分往下延長，它與橫座標(biāo)相交，交點即為原點。2）根據(jù)拉伸圖，找出相應(yīng)的ReL，Rm。并求出：下屈服點ReL圖1-2圖1-3強度極限Rm3)計算延伸率：A100%試件拉斷后的殘余變形在整個

7、長度的分布是非均勻的。在頸縮部分大，而非頸縮部分殘余變形小一些（見圖1-4）。圖1-4圖1-5由此看出，斷在中間時，試件殘余變形最大，延伸率也最大。為了對同一種材料只得出一個相對穩(wěn)定的值，不因斷裂的位置而異，可以將試驗所得到的殘余變形換算成相當(dāng)于試件在中間斷裂時的“標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值”此方法叫“斷處移中法”（見圖1-5）。例如在圖1.5中，其延伸率應(yīng)換算為A100%其中：m及n的小格數(shù)目依具體情況而選定。4) 斷面收縮率：Z100%Su頸縮處的最小面積。5) 拉斷時頸縮處的實際應(yīng)力：Rm1.2金屬材料的壓縮試驗一、試驗?zāi)康难芯亢捅容^塑性材料與脆性材料在室溫下單向壓縮時的力學(xué)性能。二、壓縮試件與試驗所用機

8、器、儀器和工具： 1、壓縮試件取兩種不同材料的試件低碳鋼和鑄鐵。金屬試件一般采用圓柱形，其高與直徑之比應(yīng)為lL0/d02。其它材料的試件一般都采用立方體。2、試驗所用機器、儀器和工具：與拉伸試驗相同，采用壓縮夾具。三、實驗步驟：1、量試件尺寸（長、寬、高、直徑）。2、把試件放在試驗機上。3、開機動器，進行試驗，一直到試件破壞。4、卸去載荷，取出破壞的試件。5、打印出實驗報告。具體可參見1.3中的Zwick電子萬能試驗機操作步驟四、實驗注意事項：1、低碳鋼不能壓到破壞，壓到45kN時即停止試驗。2、為了能很好地觀察鑄鐵的破壞裂紋，在試驗中，一但發(fā)現(xiàn)載荷值上升緩慢時，需及時停止加載。五、實驗結(jié)果的

9、整理和計算1低碳鋼：低碳鋼為塑性材料，其壓縮圖見圖1-6，開始時遵守胡克定律沿直線上升，比例極限以后變形加快，但無明顯屈服階段。相反地，圖形逐漸向上彎曲。這是因為在過了比例極限后，隨著塑性變形的迅速增長，而試件的橫截面積逐漸增大，因而承受的載荷也隨之增大。從實驗我們知道，低碳鋼試件可以被壓成極簿的平板而一般不破壞。因此，其強度極限一般是不能確定的。我們只能確定的是壓縮的屈服極限應(yīng)力。Rsc.2鑄鐵：鑄鐵為脆性材料，其壓縮圖在開始時接近于直線，與縱軸之夾角很小，以后曲率逐漸增大，最后至破壞，因此只確定其強度極限（見圖1-7）。Rm圖1-6 低碳鋼壓縮 圖1-7 鑄鐵壓縮鑄鐵試件受壓力作用而縮短，

10、表明有很少的塑性變形的存在。當(dāng)載荷達到最大值時，試件即破壞，并在其表面上出現(xiàn)了傾斜的裂縫（裂縫一般大致在與橫截面成45°的平面上發(fā)生）鑄鐵受壓后的破壞是突然發(fā)生的，這是脆性材料的特征。從試驗結(jié)果與以前的拉伸試驗結(jié)果作一比較，可以看出，鑄鐵承受壓縮的能力遠遠大于承受拉伸的能力?？箟簭姸冗h遠超過抗拉強度，這是脆性材料的一般屬性。1.3 電子萬能材料試驗機簡介圖1-8 電子萬能材料試驗機電子萬能材料試驗機簡稱電子萬能試驗機，是材料力學(xué)性能測試的專用設(shè)備，主要用于材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等力學(xué)性能試驗。電子萬能試驗機是機械技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子（計算機）測量、控制及數(shù)據(jù)處理技術(shù)結(jié)合的新型

11、試驗機。與以往的機械式和液壓式試驗機相比，近年來生產(chǎn)的電子萬能試驗機最突出的特點是利用計算機控制試驗過程，并完成測量數(shù)據(jù)的自動采集和處理。不同廠家生產(chǎn)的電子萬能試驗機雖然在結(jié)構(gòu)形式、操作界面、使用功能及技術(shù)性能上存在差異，但基本結(jié)構(gòu)和工作原理是類似的，一般都包括機械加載架、試樣夾持裝置、測量系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)等基本工作單元。常見電子萬能試驗機按照最大載荷劃分為10kN、20 kN、50 kN、100 kN、200 kN、250 kN等不同的規(guī)格。一、電子萬能材料試驗機的結(jié)構(gòu)與工作原理試驗機主要由機械加載、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等部分組成（如圖1.9所示）。加載是通過伺服

12、電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動而使活動橫梁上下移動來實現(xiàn)。在 圖1-9電子萬能材料試驗機的結(jié)構(gòu)及工作原理1.立柱 2.拉伸夾具 3.拉伸試樣 4.移動橫梁 5.測力傳感器6.壓縮夾具7.彎曲夾具 8.下橫梁 9.同步齒型傳動帶 10.帶輪 11.光電編碼器12.伺服電機13.上橫梁 14.滾珠絲杠 15.引伸計 16.手控鍵盤 17.減速機131012伺服控制器數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)計算機顯示器打印機1415123164567891117活動橫梁和工作臺上安裝一對拉伸、壓縮或彎曲卡具，組成了加載空間。伺服控制系統(tǒng)則控制伺服電機在給定速度下勻速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)不同速度下橫梁移動從而對試件加載。測量系統(tǒng)包括負荷測量、試件

13、變形測量和橫梁位移測量。負荷和變形測量都是利用電測傳感技術(shù)，通過傳感器將機械信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。負荷傳感器安裝在活動橫梁上，測量變形的傳感器一般稱作引伸計，并且安裝在試件上。橫梁位移的測量是采用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過安裝在步進電機上的脈沖編碼器將轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號。三路信號均經(jīng)過信號調(diào)理電路變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的信號。通過轉(zhuǎn)換傳給計算機，實施控制和數(shù)據(jù)采集。Zwick電子萬能試驗及的工作參數(shù)見表1、2、3。表1.2 試驗機的基本參數(shù)型號最大載荷測量空間橫梁速度mm/min位置精度驅(qū)動分辨率Z01010kN440*11000.0005-20000.1m0.027mZ05050kN440*10000.0005-

14、60000.1m0.016mZ100100kN640*5000.0005-2000.1m0.0206m表1.3 力傳感器的基本參數(shù)型號測量范圍精度1級精度0.5級500N2N500N2N10N10N500N10kN40N10kN40N200N200N-10kN50kN200N50kN200N1000N1kN-50kN100kN400N100kN400N2000N2kN100kN二、Zwick電子萬能試驗機的基本參數(shù)本實驗室主要儀器設(shè)備是德國Zwick/Roell公司生產(chǎn)的6臺電子萬能試驗機，其中在Z010和Z100試驗機配有目前國際先進的Longstroke （大變形）和Macro（小變形）引

15、伸計。該室可執(zhí)行拉伸、壓縮、彎曲剝離、裂紋擴展等試驗，并能實現(xiàn)循環(huán)加載及材料的松弛、蠕變等試驗，滿足金屬、塑料、橡膠、紙張、食品、紡織品以及生物力學(xué)方面的測試要求。其測試軟件testXpert II靈活性強、使用方便，配備強大的數(shù)據(jù)處理和分析功能，以及靈活的測試報告編輯功能；還具有獨一無二的多媒體測試功能，可以將實驗過程同步拍攝下來，并在試驗結(jié)束后將測試過程和測試曲線同步回放、分析。其主要工作參數(shù)見表1.2、表1.3、表1.4。表1.4 引伸計的基本參數(shù)型號標(biāo)距范圍(mm)測量范圍(mm)分辨率最大測量厚度Longstroke10-10000-10005m30mmMacro10-1000-10

16、0.3m30mm三、Zwick 電子萬能試驗機操作軟件簡介Zwick電子式萬能試驗機的控制和數(shù)據(jù)采集處理均可通過其功能強大的實驗軟件來實現(xiàn)。軟件名稱為TestXpert，可以實現(xiàn)對材料的拉伸、壓縮、彎曲實驗。軟件可實現(xiàn)的功能主要有：設(shè)定加載方式（可采用位移加載、恒應(yīng)變加載、恒應(yīng)力加載）；設(shè)定實驗機的環(huán)境參數(shù)；選擇測試結(jié)果；編輯、打印實驗報告等。四、Zwick 電子萬能試驗機的操作步驟1. 打開主機及計算機電源2. 靜候數(shù)秒，以待機器系統(tǒng)檢測3. 打開TestXpertII測試軟件，選取相應(yīng)測試程序 （金屬材料伸測試.ZP2、本科生教學(xué)用壓縮測試. ZP2）（見圖1-10、圖1-11）4. 按主

17、機“ON”按鈕，以使主機與程序相連5. 順利后，點擊“起始位置”圖標(biāo)以使夾具恢復(fù)到設(shè)定值（見圖1-11）6. 輸入測量的試樣尺寸（見圖1-10）7. 擺放試樣于試樣臺，用夾具夾持試樣一端8. 點擊“力清零”圖標(biāo)，使力值清零（見圖1-11）9. 用夾具夾持試樣另一端10. 點擊“開始”圖標(biāo)，開始測試（見圖1-11）11. 測試終止后，取出試樣12. 測量試樣的相關(guān)尺寸，輸入后，點擊“確定”，程序自動計算測試結(jié)果并作出圖表（見圖1-12）13. 按“起始位置”按鈕，使橫梁自動恢復(fù)到初始位置14. 所有測試結(jié)束后，點擊“向?qū)А?、“測試報告中的參數(shù)”，輸入個人相關(guān)信息（見圖1-13）15. 點擊“打印”圖標(biāo)，打印測試報告（見圖1-13）16. 保存測試結(jié)果文件，另存為*.ZS2格式的文件（見圖1-14）17. 開始其它試件測試18. 完成實驗后，退出程序19. 清理工作臺，將廢試樣放到廢品箱里圖1-10圖1-11圖1-12圖1-13圖1-141.4思考題：一、試驗結(jié)果比較1、比較低碳鋼與鑄鐵試件拉伸與壓縮圖的差異。2、比較低碳鋼與鑄鐵試件在拉伸與壓縮時的力學(xué)性能