拉壓,扭轉(zhuǎn)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

一、試驗(yàn)?zāi)康囊螅保疁y(cè)定低碳鋼的流淌極限 、強(qiáng)度極限、延長(zhǎng)率、截面收縮率和鑄鐵的強(qiáng)度極S b限。b２．低碳鋼和鑄鐵在拉伸過(guò)程中表現(xiàn)的現(xiàn)象，繪出外力和變形間的關(guān)系曲線〔FL曲線。３．比較低碳鋼和鑄鐵兩種材料的拉伸性能和斷口狀況。二、試驗(yàn)設(shè)備和儀器CMT5504/5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺等圖1-1 CMT5504/5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)5三、拉伸試件金屬材料拉伸試驗(yàn)常用的試件外形如以下圖。圖中工作段長(zhǎng)度l稱(chēng)為標(biāo)距，試件的拉伸變形量一般由這一段的變形來(lái)測(cè)定，兩端較粗局部是為了便于裝入試驗(yàn)機(jī)的夾頭內(nèi)。圖1-2 拉伸試件低碳鋼拉伸四、試驗(yàn)原理和方法

鑄鐵拉伸低碳鋼拉伸試驗(yàn)低碳鋼試件在靜拉伸試驗(yàn)中，通?？芍苯拥玫嚼烨€，如圖1—3所示。用準(zhǔn)確的拉伸曲線可直接換算出應(yīng)力應(yīng)變6慢加載()，試樣依次經(jīng)過(guò)彈性、屈服、強(qiáng)化和頸縮四個(gè)階段，其中前三個(gè)階段是均勻變形的。圖1-3 低碳鋼拉伸曲線彈性階段是指拉伸圖上的OA段，沒(méi)有任何殘留變形。在彈性階段，載荷與變形A，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為比例極限 ，此局部載荷與變形是成比例的。p屈服階段對(duì)應(yīng)拉伸圖上的BC段。金屬材料的屈服是宏觀塑性變形開(kāi)頭的一種標(biāo)這種載荷在確定范圍內(nèi)波動(dòng)而試件還連續(xù)變形伸長(zhǎng)的現(xiàn)象稱(chēng)為屈服現(xiàn)象屈服點(diǎn)。上屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)拉伸圖中的BFSU

，即試件發(fā)生屈服而力首次下降前的最大力值。下屈服點(diǎn)記為FSL

，是指不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)的屈服階段中的最小力值，留意這里的初始瞬時(shí)效應(yīng)對(duì)于液壓擺式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)由于擺的回?cái)[慣性尤其明顯或液壓伺服試驗(yàn)機(jī)不明顯。用式(1-1)、式(1-2)、式(1—3)計(jì)算出屈服點(diǎn)、下屈服點(diǎn)和上屈服點(diǎn)。 =F/AS 0

(1-1) =F /ASL SL 0

(1-2) =F /ASU SU 0

(1-3)強(qiáng)化階段對(duì)應(yīng)于拉伸圖中的CD段。變形強(qiáng)化標(biāo)志著材料抵抗連續(xù)變形的力氣在增加。這也說(shuō)明材料要連續(xù)變形，就要不斷增加載荷。在強(qiáng)化階段假設(shè)卸載，彈性變形會(huì)隨7硬化工藝的例子很多，如擠壓、冷拔等。D點(diǎn)是拉伸曲線的最高點(diǎn)，載荷為Fb

，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力是材料的強(qiáng)度極限或抗拉極限，記為，用式〔1-4〕計(jì)算b=F/Ab b 0

(1-4)頸縮階段對(duì)應(yīng)于拉伸圖的DE段。載荷到達(dá)最大值后，塑性變形開(kāi)頭局部進(jìn)展。均勻變形轉(zhuǎn)化為集中變形，導(dǎo)致形成頸縮。頸縮階段，承載面積急劇減小和斷面收縮率來(lái)表示，計(jì)算公式為(l1

l)/l0

100% (1-5) (A0

A)/A1

100% (1-6)式中，l0

A分別表示試件的原始標(biāo)距和原始面積；l0

A分別表示試件標(biāo)距的斷后長(zhǎng)度1局部的變形占塑性變形的80％左右，見(jiàn)圖1-5。測(cè)定斷后伸長(zhǎng)率時(shí)，頸縮局部及其影響區(qū)的塑性變形都包含在l1

之內(nèi)，這就要求斷口位置到最鄰近的標(biāo)距線大于l0

/3，此時(shí)可直接測(cè)量試件標(biāo)距兩端的距離得到l1標(biāo)距之外則試驗(yàn)無(wú)效。鑄鐵拉伸試驗(yàn)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(rèn)為經(jīng)彈性階段直接斷裂。斷裂面平齊且為閃光的結(jié)晶狀組織，說(shuō)明是由拉應(yīng)力引起的。其強(qiáng)度指標(biāo)也只有抗拉強(qiáng)度，用試驗(yàn)測(cè)得的最大力值Fb

，除以試件的原始面積A0

，就得到鑄鐵的抗拉強(qiáng)度，即b =F/ Ab b 0

(1-7)8圖1-7圖1-7鑄鐵拉伸曲線圖五、試驗(yàn)方法與步驟〔一、拉伸試驗(yàn)：１、低碳鋼的試件的預(yù)備：在試件中段取標(biāo)距l(xiāng)=5d既50mm在標(biāo)距兩端用腳標(biāo)規(guī)打上沖眼作為標(biāo)志，用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距范圍內(nèi)測(cè)量中間和兩端三處直徑d〔在每處的兩個(gè)相互垂直的方向各測(cè)一次取其平均值件的預(yù)備用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距范圍內(nèi)測(cè)量中間和兩端三處直徑d取最小值作為計(jì)算試件橫截面面積用。２、操作步驟：、開(kāi)電腦顯示器電源，開(kāi)把握器電源，開(kāi)主機(jī)電源；CMT5504/5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)SANS把握操作界面；、點(diǎn)擊右側(cè)上下按鍵使橫梁上下移動(dòng)至和適位置；、依據(jù)試樣形式裝上相應(yīng)夾頭；、設(shè)定試驗(yàn)方案和試驗(yàn)參數(shù)；、傳感器初值置零；、點(diǎn)擊(運(yùn)行)按鈕，開(kāi)頭試驗(yàn)，試驗(yàn)完畢自動(dòng)停頓，點(diǎn)擊生成試驗(yàn)報(bào)告；、安裝下一根試樣，重復(fù)步驟8，直到全部試樣全部試驗(yàn)完畢；、關(guān)主機(jī)，關(guān)電腦顯示器電源，關(guān)把握器電源，取下拉斷的試件，將斷裂的試件緊對(duì)到一起，用游標(biāo)卡尺測(cè)量出斷裂后試件標(biāo)距間的長(zhǎng)度l1，按下式可計(jì)算出低碳鋼的延長(zhǎng)率9l-lδ= 1 0?100%l0將斷裂的試件的斷口緊對(duì)在一起，用游標(biāo)卡尺量出斷口〔細(xì)頸〕處的直徑d1

，計(jì)算出A1

；按下式可計(jì)算出低碳鋼的截面收縮率，A- Aψ=0 1?100%A011二、留意事項(xiàng)：1、更換試樣夾持裝置時(shí)，留意裝置重心，防止裝置傾倒砸傷人員或砸壞試驗(yàn)機(jī)；2、安裝試樣時(shí)留意盡可能對(duì)中；3、試驗(yàn)時(shí)在試樣四周設(shè)置護(hù)欄，以防試樣斷裂瞬間飛出傷人；4、試驗(yàn)過(guò)程中覺(jué)察意外狀況，馬上按下試驗(yàn)機(jī)機(jī)座上的紅色急停按鈕，請(qǐng)?jiān)囼?yàn)機(jī)治理人員檢查。5六、試驗(yàn)結(jié)果處理六、試驗(yàn)結(jié)果處理Sb和，鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度bbc。將計(jì)算結(jié)果填入試驗(yàn)報(bào)告表。七、思考題〔1〕由試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果比較低碳鋼和鑄鐵的機(jī)械性能有何不同？〔2〕試驗(yàn)時(shí)如何觀看低碳鋼的屈服極限？〔2〕試驗(yàn)時(shí)如何觀看低碳鋼的屈服極限？八、試驗(yàn)報(bào)告格式(僅供參考)試驗(yàn)名稱(chēng)： 班級(jí)： 試驗(yàn)日期：報(bào)告人： 同組者：試驗(yàn)?zāi)康模涸囼?yàn)設(shè)備和工具：試驗(yàn)機(jī)名稱(chēng)： 型號(hào)： 讀數(shù)精度：量具名稱(chēng)： 型號(hào)： 規(guī)格精度試驗(yàn)原理方法簡(jiǎn)述：試驗(yàn)步驟簡(jiǎn)述：10試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果處理(見(jiàn)表1-11-2試驗(yàn)數(shù)據(jù)和處理結(jié)果〕依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制應(yīng)力一應(yīng)變曲線，以及試樣斷口草圖。分析爭(zhēng)論和答復(fù)思考題。11試驗(yàn)二 低碳鋼和鑄鐵的壓縮試驗(yàn)一、試驗(yàn)?zāi)康谋容^低碳鋼和鑄鐵壓縮變形和破壞現(xiàn)象。測(cè)定低碳鋼的屈服極限σ 和鑄鐵的強(qiáng)度極限σ。s b比較鑄鐵在拉伸和壓縮兩種受力形式下的機(jī)械性能、分析其破壞緣由。生疏壓力試驗(yàn)機(jī)和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的使用方法。一、試驗(yàn)儀器和設(shè)備CMT5504/5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。游標(biāo)卡尺。三、試件介紹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。12四、試驗(yàn)原理及方法壓縮試驗(yàn)是爭(zhēng)論材料性能常用的試驗(yàn)方法。對(duì)鑄鐵、鑄造合金、建筑材料等脆性材料尤為適宜。通過(guò)壓縮試驗(yàn)觀看材料的變形過(guò)程、破壞形式，并與拉伸試驗(yàn)進(jìn)展比較，可以分析不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料強(qiáng)度、塑性的影響，從而對(duì)材料的機(jī)械性能有比較全面的生疏。低碳鋼壓縮時(shí)也會(huì)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(cè)定Ps對(duì)應(yīng)的載荷即為屈服載荷Ps。屈服之后加載到試件產(chǎn)生明顯變形即停頓加載。這是由于低而增加故不行能得到最大載荷P,因此也得不到強(qiáng)度極限 所以在試驗(yàn)中是以變形來(lái)控b b制加載的。鑄鐵試件壓縮時(shí)，在到達(dá)最大載荷P前消滅較明顯的變形然后裂開(kāi)，此時(shí)試驗(yàn)機(jī)讀數(shù)b快速減小，讀取最大載荷P值，鑄鐵試件最終略呈變形，斷裂面與試件軸線大約呈450。b五、試驗(yàn)步驟測(cè)量試件的直徑和高度。測(cè)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(jì)算橫截面面積。13將試件放在試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)臺(tái)球形支撐板中心處。、設(shè)定試驗(yàn)方案和試驗(yàn)參數(shù)；對(duì)于低碳鋼，要準(zhǔn)時(shí)記錄其屈服載荷，超過(guò)屈服載荷后，連續(xù)加載，將試件壓成鼓形即可停頓加載。鑄鐵試件加壓至試件破壞為止。、初值置零；、點(diǎn)擊開(kāi)頭試驗(yàn)按鈕，開(kāi)頭試驗(yàn)，試驗(yàn)完畢自動(dòng)停頓，生成試驗(yàn)報(bào)告；、安裝下一根試樣，重復(fù)步驟8，直到全部試樣全部試驗(yàn)完畢；、打印試驗(yàn)報(bào)告；六、試驗(yàn)結(jié)果讀取記錄低碳鋼的屈服極限ss讀取記錄鑄鐵的強(qiáng)度極限b

P sA0

〔2-1〕P bb A01

〔2-2〕A0

4 0

為試件試驗(yàn)前最小直徑。0七、思考題為何低碳鋼壓縮測(cè)不出破壞載荷，而鑄鐵壓縮測(cè)不出屈服載荷？依據(jù)鑄鐵試件的壓縮破壞形式分析其破壞緣由，并與拉伸作比較？通過(guò)拉伸與壓縮試驗(yàn)，比較低碳鋼的屈服極限在拉伸和壓縮時(shí)的差異？通過(guò)拉伸與壓縮試驗(yàn)，比較鑄鐵的強(qiáng)度極限在拉伸和壓縮時(shí)的差異？14一、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

試驗(yàn)三低碳鋼和鑄鐵的 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)觀看低碳鋼的扭轉(zhuǎn)破壞現(xiàn)象，并測(cè)定其剪切屈服極限τ 和剪切強(qiáng)度極限τ ；s b觀看鑄鐵的扭轉(zhuǎn)破壞現(xiàn)象，并測(cè)定其剪切強(qiáng)度極限τ 。b二、試驗(yàn)設(shè)備CTT1000/最大扭矩500Nm游標(biāo)卡尺。3-1CTT1000/最大扭矩500Nm三、試驗(yàn)試樣依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB10128—88《金屬室溫扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法是圓形截面試樣，如圖2-1所示。通常，圓形截面試樣的直徑d10mml5d或l10d，平行局部的長(zhǎng)度為l20mm。假設(shè)承受其它直徑的試樣，其平行局部的長(zhǎng)度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍直徑。試樣頭部的外形和尺寸應(yīng)適合扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的夾頭夾持。家標(biāo)準(zhǔn)GB10128—88。15圖2-1 扭轉(zhuǎn)試樣16四、試驗(yàn)原理與方法〔圖2-點(diǎn)處的剪應(yīng)力τ，即，其方向?yàn)榕c圓桿軸線成±45角的螺旋面上。圓桿扭1 3轉(zhuǎn)時(shí)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斷破壞；而鑄鐵抗拉強(qiáng)度低于抗剪強(qiáng)度，試件由與桿軸線成45°的斜截面上的σ1引起拉斷破壞。17圖2-2 園軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力1低碳鋼是塑性材料，其扭轉(zhuǎn)曲線〔圖2-3〕與拉伸類(lèi)似，隨扭矩T的增加，材料經(jīng)過(guò)彈性變形〔O-A段、塑性變形〔A-B段、強(qiáng)化〔B-C段〕和斷裂四個(gè)階段而被破壞，斷口是很齊的橫斷面，這是由于剪應(yīng)力超過(guò)了材料的剪切強(qiáng)度極限所致。圖圖2-3 低碳鋼扭轉(zhuǎn)曲線對(duì)于低碳鋼材料M-φ2-4所示。TTT Tb bT Ts s圖2-4低碳鋼T- 曲線18τ τsττsτb(b) (c)圖2-5 低碳鋼圓軸試件扭轉(zhuǎn)時(shí)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φ成正比關(guān)系，橫截面上剪應(yīng)力沿半2-5aMn極限 ，且塑性區(qū)漸漸向圓心擴(kuò)展，形成環(huán)形塑性區(qū)見(jiàn)圖2-5b。但中心局部仍是彈性的。s試件連續(xù)變形，屈聽(tīng)從試件表層向心部擴(kuò)展直到整個(gè)截面幾乎都是塑性區(qū)如圖2-5c所示。在T- 曲線上消滅屈服平臺(tái)見(jiàn)圖2-4。試驗(yàn)機(jī)指針根本不動(dòng)此時(shí)對(duì)應(yīng)的扭矩即為屈服扭矩T。隨后，材料進(jìn)入強(qiáng)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(wú)s頸縮現(xiàn)象。所以，扭轉(zhuǎn)曲線始終上升而無(wú)下降狀況，試件破壞時(shí)的扭矩即為最大扭矩T。b現(xiàn)在推導(dǎo)扭轉(zhuǎn)屈服極限τs

τ的計(jì)算公式。b扭矩超過(guò)比例極限后，截面上的剪應(yīng)力分布發(fā)生變化，如圖2-5b。在截面上消滅了一個(gè)環(huán)狀塑性區(qū)，并隨著T的增長(zhǎng)，塑性區(qū)逐步向中心擴(kuò)展，T- 曲線略微上升，直到B點(diǎn)上指示出的扭矩或指針搖擺的最小值即為屈服扭矩Ts

。如圖2-5b，依據(jù)靜力平衡條件，可τs

與T的關(guān)系為：s

T=òs

ρτdA 〔2-1〕A s將式中dA2d表示，則有T=2πτò

d/2 4ρ2dρ=

〔2-2〕故剪切屈服極限為：

s s oτ 3T

3 s p= S 〔2-3〕s 4Wp類(lèi)似可求得193Tb 〔2-4〕bp式中W 為圓軸的抗扭截面模量，其值由下式計(jì)算pπd3W = 0p 162圖2-4 鑄鐵扭轉(zhuǎn)曲線鑄鐵屬脆性材料，其扭轉(zhuǎn)曲線如圖2-4所示，扭轉(zhuǎn)時(shí)變形很小就突然斷裂，有爆裂聲，45度角的螺旋面，這是由于最大拉應(yīng)力超過(guò)了材料的強(qiáng)度極限圖2-4 鑄鐵扭轉(zhuǎn)曲線沿最大剪應(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)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2-5圖2-5a，明顯是沿最大剪應(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力氣低于抗拉〔壓〕力氣；鑄鐵圓形試件破壞斷面與軸線成45°螺旋面見(jiàn)圖2-5b，破壞斷口垂直于最大拉應(yīng)σ1方向，斷面呈晶粒狀，這是正應(yīng)力作用下形成脆性斷口，故鑄鐵材料是當(dāng)最大拉應(yīng)力首先到達(dá)其抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，在該截面發(fā)生拉斷破壞。20(a)低碳鋼：剪斷 (b)鑄鐵：拉斷圖2-5扭轉(zhuǎn)斷口示意圖五、試驗(yàn)方法與步驟１、試件的預(yù)備：用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距范圍內(nèi)測(cè)量中間和兩端三處直徑d〔在每處的兩個(gè)相互垂直的方向各測(cè)一次取其平均值〕取最小值作為計(jì)算試件橫截面面積用。２、操作步驟：、開(kāi)電腦顯示器電源，開(kāi)把