《工程力學(xué)II》拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

《工程力學(xué)II》拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)§1拉伸實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)1、概述常溫、靜載作用下的軸向拉伸實(shí)驗(yàn)是測(cè)量材料力學(xué)性能中最基本、應(yīng)用最廣泛的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)，可以全面地測(cè)定材料的力學(xué)性能，如彈性、塑性、強(qiáng)度、斷裂等力學(xué)性能指標(biāo)。這些性能指標(biāo)對(duì)材料力學(xué)的分析計(jì)算、工程設(shè)計(jì)、選擇材料和新材料開(kāi)發(fā)都有極其重要的作用。2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)定低碳鋼的下列性能指標(biāo)：兩個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)：流動(dòng)極限o、強(qiáng)度極限O；sb兩個(gè)塑性指標(biāo)：斷后伸長(zhǎng)率3、斷面收縮率①；測(cè)定鑄鐵的強(qiáng)度極限o。b觀察上述兩種材料在拉伸過(guò)程的各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并繪制拉伸實(shí)驗(yàn)的F-Al曲線。分析比較低碳鋼（典型塑性材料）和鑄鐵（典型脆性材料）的力學(xué)性能特點(diǎn)與試樣破壞特征。了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的構(gòu)造和工作原理，掌握其使用方法。了解名義應(yīng)力應(yīng)變曲線與真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線的區(qū)別，并估算試件斷裂時(shí)的應(yīng)力o。k3、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)一確定形狀試件兩端施加軸向拉力，使有效部分為單軸拉伸狀態(tài)，直至試件拉斷，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程過(guò)測(cè)量試件所受荷載及變形的關(guān)系曲線并觀察試件的破壞特征，依據(jù)一定的計(jì)算及判定準(zhǔn)則，可以得到反映材料拉伸試驗(yàn)的力學(xué)指標(biāo)，并以此指標(biāo)來(lái)判定材料的性質(zhì)。為便于比較，選用直徑為10mm的典型的塑性材料低碳鋼Q235及典型的脆性材料灰鑄鐵HT150標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。常用的試件形狀如圖1.1所示，實(shí)驗(yàn)前在試件標(biāo)距圍有均勻的等分線。圖1.2低碳鋼拉伸圖1.2低碳鋼拉伸F-AL曲線圖1.3鑄鐵拉伸F-AL曲線*-極限荷載Wpd專例業(yè)資長(zhǎng)荷載；Fe-彈性伸長(zhǎng)荷載；Fsu*-極限荷載Fsl-下屈服荷載；Fb-極限荷載；Fk-斷裂荷載WordWord專業(yè)資料典型的低碳鋼（Q235）的F-AL曲線和灰口鑄鐵（HT150）的F-AL曲線如圖1.2、圖1.3所示。低碳鋼Q235試件的斷口形狀如圖1.4所示，圖1.4低碳鋼Q235試件拉伸實(shí)驗(yàn)斷口形式鑄鐵HT150試件的斷口形狀如圖1.5所示，圖1.5鑄鐵HT200試件拉伸實(shí)驗(yàn)斷口形式觀察低碳鋼的F-AL曲線，并結(jié)合受力過(guò)程中試件的變形，可明顯地將其分為四個(gè)階段：彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、局部變形階段。⑴彈性階段OE在OP階段中的拉力和伸長(zhǎng)成正比關(guān)系，表明低碳鋼的應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系，遵循胡克定律。故P點(diǎn)的應(yīng)力稱為材料的比例極限，如圖1.2所示。若當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增加達(dá)到材料彈性極限E點(diǎn)時(shí)，應(yīng)力和應(yīng)變間的關(guān)系不再是線性關(guān)系，但變形仍然是彈性的，即卸除拉力后變形恢復(fù)。工程上對(duì)彈性極限和比例極限并不嚴(yán)格區(qū)分，而統(tǒng)稱為彈性極限，它是控制材料在彈性變形圍工作的有效指標(biāo)，在工程上有實(shí)用價(jià)值。⑵屈服階段ES當(dāng)拉力超過(guò)彈性極限到達(dá)鋸齒狀曲線時(shí)，拉力不再增加或開(kāi)始回轉(zhuǎn)并震蕩，這時(shí)在試樣表面上可看到表面晶體滑移的跡線。這種現(xiàn)象表明在試件承受的拉力不繼續(xù)增加或稍微減少的情況下試件繼續(xù)伸長(zhǎng)，稱為材料的屈服，其應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度（流動(dòng)極限）。拉力首次回轉(zhuǎn)前的最大力（上屈服力F）su及不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)（即不計(jì)載荷首次下降的最低點(diǎn)）時(shí)的最小力（下屈服力F）所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為上、sL下屈服強(qiáng)度。由于上屈服強(qiáng)度受變形速度及試件形式等因素的影響有一定波動(dòng)，而下屈服強(qiáng)度則比較穩(wěn)定，故工程中一般只測(cè)定下屈服強(qiáng)度。其計(jì)算公式為：o=F/S。屈服應(yīng)力是設(shè)計(jì)材料許用sLsL0應(yīng)力的一個(gè)重要指標(biāo)。⑶強(qiáng)化階段SB過(guò)了屈服階段以后，試件材料因塑性變形其部晶體組織結(jié)構(gòu)重新得到了調(diào)整，其抵抗變形的能力有所增強(qiáng)，隨著拉力的增加，伸長(zhǎng)變形也隨之增加，拉伸曲線繼續(xù)上升。SB曲線段稱為強(qiáng)化階段，隨著塑性變形量的增大，材料的力學(xué)性能發(fā)生變化，即材料的變形抗力提高，塑性變差，這個(gè)階段稱為強(qiáng)化階段。當(dāng)拉力增加，拉伸曲線到達(dá)頂點(diǎn)時(shí)，曲線開(kāi)始返回，而曲線頂點(diǎn)所指的最大拉力為F，b由此求得的材料的抗拉強(qiáng)度極限為o=F/S，它也是衡量材料強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)。實(shí)際上由于bb0試件在整個(gè)受力過(guò)程中截面面積不斷發(fā)生變化，按公式o=F/S得到抗拉強(qiáng)度極限為名義值，obb0 b并非為荷載為最大值時(shí)的真實(shí)應(yīng)力，也非整個(gè)拉伸過(guò)程中的最大應(yīng)力，從拉伸實(shí)驗(yàn)的F-AL曲線可以看出，試件并非在最大荷載時(shí)斷裂。試件在拉過(guò)最大荷載后，仍有確定的承載力，低碳鋼拉伸的過(guò)程中試件的應(yīng)變持續(xù)增加，而應(yīng)變是由應(yīng)力引起的，低碳鋼拉伸的過(guò)程同樣也是一個(gè)應(yīng)力持續(xù)增加的過(guò)程，試件的最大應(yīng)力應(yīng)為試件斷裂時(shí)的應(yīng)力。雖然，按公式o=F/S得到抗拉強(qiáng)度極限為名義值，但這種計(jì)算辦法有利于工程設(shè)計(jì)，有著bb0普遍的工程意義。(4)頸縮和斷裂階段BK對(duì)于塑性材料來(lái)說(shuō)，在承受拉力F以前，試樣發(fā)生的變形各處基本上是均勻的。但在達(dá)到F以bb后，變形主要集中于試件的某一局部區(qū)域，該處橫截面面積急劇減小，這種現(xiàn)象即是“頸縮”現(xiàn)象，此時(shí)拉力隨之下降，直至試件被拉斷，其斷口形狀成杯錐狀。試件拉斷后，彈性變形消失，而塑性變形則保留在拉斷的試件上。利用試件標(biāo)距的塑性變形及試件斷裂時(shí)的荷載來(lái)計(jì)算材料的斷裂伸長(zhǎng)率、斷面收縮率及斷裂應(yīng)力的估算值。LL斷裂伸長(zhǎng)率：5=LkL0*100%L0式中，5誕伸率，L-原始標(biāo)距，L-斷后標(biāo)距。0KAA斷面收縮率：①=—0 k-義100%A0式中，①-延伸率，A-原始截面面積，A-斷后最小截面面積。0K斷裂應(yīng)力估算值：o=F/Akkk式中，o-斷裂應(yīng)力估算值，F(xiàn)-斷裂荷載，A-斷裂處最小截面面積。k kK由延伸率5的定義可以看出，5為標(biāo)距長(zhǎng)度圍延伸的均值，實(shí)際上由于試件的頸縮導(dǎo)致試件在標(biāo)距圍的變形并不均勻，若事先在試件表面做等長(zhǎng)的標(biāo)記，將試件分成等長(zhǎng)的多段小標(biāo)距，斷裂后會(huì)發(fā)現(xiàn)，小標(biāo)距離頸縮點(diǎn)越近變形越大，離頸縮點(diǎn)越遠(yuǎn)變形越小，且呈對(duì)稱分布，最終趨于變形均勻。這樣同樣材質(zhì)、同樣直徑的試件采用不同的標(biāo)距進(jìn)行計(jì)算時(shí)會(huì)有不同的5，為了使材料拉伸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果具有可比性與符合性，國(guó)家已制訂統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(簡(jiǎn)稱國(guó)標(biāo))GB6397—86《金屬拉伸試驗(yàn)試樣》、GB228—87《金屬拉伸試驗(yàn)方法》。規(guī)定拉伸試件分為比例和定標(biāo)距兩種，表面分為經(jīng)機(jī)加工試祥和不經(jīng)機(jī)加工的全截面試件，通常多采用經(jīng)機(jī)加工的圓形截面試件或矩形截面試件比例試樣標(biāo)距L0按公式L0=K、可確定，式中S0為試件的截面面積，系數(shù)K通常為5.65或11.3，前者稱為短試件，后者為長(zhǎng)試件。對(duì)于直徑為10mm的試件而言，短、長(zhǎng)試件的標(biāo)距L0應(yīng)分等于50mm及100mm，即L0=5do或L0=10d°,對(duì)應(yīng)的延伸率分別定義為55和810。通常，延伸率小的材料多采用短標(biāo)距試件，延伸率大的材料多采用長(zhǎng)標(biāo)距試件。通過(guò)斷裂應(yīng)力估算值o的計(jì)算，并將其與名義拉伸強(qiáng)度o相比較，可以明顯地看出o>o,k b kb由于公式o=F/A中，A為斷裂后的測(cè)量值，且試件頸縮過(guò)程中有一定的應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象,kkk K所以，o為估算值，但其較接近真值。k這樣通過(guò)對(duì)低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中F-AL曲線的分析就可以得到反映低碳鋼抵抗拉伸荷載的力學(xué)性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度：o，抗拉強(qiáng)度：o，延伸率：5/5，斷面收縮率：①，斷裂應(yīng)力：o。s b 5 10 k同樣通過(guò)對(duì)鑄鐵試件F-AL曲線的分析就可以得到反映鑄鐵抵抗拉伸荷載的相應(yīng)力學(xué)性能指標(biāo)，對(duì)于典型的脆性材料鑄鐵，觀察其F-AL曲線可發(fā)現(xiàn)在整個(gè)拉伸過(guò)程中變形很小，無(wú)明顯的彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、局部變形階段，在達(dá)到最大拉力時(shí)，試樣斷裂。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可發(fā)現(xiàn)無(wú)屈服、頸縮現(xiàn)象，其斷口是平齊粗糙的，屬脆性破壞但由于鑄鐵在拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有表現(xiàn)出塑性指標(biāo)，所以，在拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只能測(cè)得其抗拉強(qiáng)度：o。b4、實(shí)驗(yàn)過(guò)程（略）5、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)前的測(cè)量及實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)讀取就得到了所需要的數(shù)據(jù)，代入相應(yīng)的公式或計(jì)算表格即可得到拉伸的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)。6、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告Word專業(yè)資料Word專業(yè)資料圖2.1壓縮試件§2壓縮實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)1、概述實(shí)驗(yàn)表明，工程中常用的金屬塑性材料，其受拉與受壓是所表現(xiàn)出來(lái)的強(qiáng)度、剛度和塑性等力學(xué)性能是大致相同的。但廣泛使用的脆性材料如鑄鐵、磚、石等，其抗拉強(qiáng)度很低，但抗壓強(qiáng)度卻很高。為便于合理選用工程材料，以及滿足金屬成型工藝的要求，測(cè)定材料受壓時(shí)的力學(xué)性能是十分重要的。因此，壓縮實(shí)驗(yàn)和拉伸實(shí)驗(yàn)一樣，也是測(cè)定材料在常溫、靜載、單向受力狀態(tài)下力學(xué)性能的最常用最基本的實(shí)驗(yàn)之一。2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)定低碳鋼壓縮實(shí)驗(yàn)的屈服極限o；s測(cè)定鑄鐵壓縮實(shí)驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度o；b觀察并比較低碳鋼（塑性材料的代表）和鑄鐵（脆性材料的代表）在壓縮時(shí)的變形和破壞現(xiàn)象。3、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)一確定形狀試件（詳見(jiàn)試件的制作）兩端施加軸向壓力，使試件實(shí)驗(yàn)段處于單軸壓縮狀態(tài)，試件產(chǎn)生變形，在不斷壓縮過(guò)程中不同材料的試件會(huì)有不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程過(guò)測(cè)量試件所受荷載及變形的關(guān)系曲線并觀察試件的破壞特征，依據(jù)一定的計(jì)算及判定準(zhǔn)則，可以得到反映材料壓縮試驗(yàn)的力學(xué)指標(biāo)，并以此指標(biāo)來(lái)判定材料的性質(zhì)。為便于比較，選用如圖2.1所示直徑相同的典型塑性材料低碳鋼Q235及典型的脆性材料灰鑄鐵HT150標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。IHIWordWord專業(yè)資料典型的低碳鋼(Q235)的F-AL曲線和灰口鑄鐵(HT150)的F-AL曲線如圖2.2、圖2.3所示。低碳鋼Q235試件的壓縮變形過(guò)程如圖2.4所示，鑄鐵HT150試件的壓縮破壞形狀如圖2.5所示。圖2.4低碳鋼圖2.4低碳鋼Q235試件壓縮實(shí)驗(yàn)變形過(guò)程圖2.5鑄鐵HT200試件壓縮實(shí)驗(yàn)破壞現(xiàn)象觀察F-Al曲線，及試件的變形可發(fā)現(xiàn)，低碳鋼F-Al曲線有明顯的拐點(diǎn)，稱之為屈

服點(diǎn)，以此點(diǎn)計(jì)算的屈服強(qiáng)度o=F/S，其值與拉伸時(shí)屈服強(qiáng)度接近，繼續(xù)加載，試件ss0持續(xù)變形，由中間稍粗的鼓形變成圓餅形，但并不發(fā)生斷裂破壞。鑄鐵的F-Al曲線無(wú)明顯拐點(diǎn)，當(dāng)壓力增大時(shí)，試件表面出現(xiàn)交錯(cuò)的剪切滑移線，試件中間略微變粗，持續(xù)加壓剪切滑移線明顯增多、增寬，最終試樣在與軸線大約成45。~55。的方向上發(fā)生斷裂破壞，此時(shí)施加的壓力達(dá)到最大值，并以此值定義鑄鐵的抗壓強(qiáng)度o=F/S。bb0實(shí)驗(yàn)表明材料受軸向力產(chǎn)生壓縮變形時(shí)，在徑向上會(huì)產(chǎn)生一定的橫向延伸，尤其是到屈服點(diǎn)以后這種變形更為明顯，但由于試件兩端面與試驗(yàn)機(jī)墊板間存在摩擦力，約束了這種橫向變形，故壓縮試樣在變形時(shí)會(huì)出現(xiàn)中間鼓脹現(xiàn)象，塑性材料試件尤其明顯。為了減少鼓脹效應(yīng)的影響，通常的做法是除了將試樣端面制作得光滑外，還在端面上面涂上潤(rùn)滑油以進(jìn)一步減小摩擦力，但這并不能完全消除此現(xiàn)象。4、實(shí)驗(yàn)過(guò)程（略）圖2.6實(shí)測(cè)低碳鋼壓縮實(shí)驗(yàn)F圖2.6實(shí)測(cè)低碳鋼壓縮實(shí)驗(yàn)F-AL曲線與o-s曲線比較通過(guò)實(shí)驗(yàn)前的測(cè)量及實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)讀取就得到了所需要的數(shù)據(jù)，代入相應(yīng)的公式或計(jì)算表格即可得到壓縮的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)。低碳鋼屈服強(qiáng)度 o=F/SsS0鑄鐵的強(qiáng)度極限 o=F/Sbb0對(duì)于鑄鐵試件而言，由于其無(wú)屈服現(xiàn)象，故其不存在流動(dòng)極限o。s對(duì)于低碳鋼試件而言，由于在壓縮過(guò)程中試件的面積不斷增大，承受的荷載持續(xù)增加，習(xí)慣上認(rèn)為低碳鋼試件無(wú)極限承載力，但假如計(jì)算時(shí)考慮試件面積的變化，會(huì)發(fā)現(xiàn)達(dá)到一定荷載后，壓縮過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變曲線趨于平緩。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)利用在壓縮過(guò)程中測(cè)得的試件高度的變化來(lái)求得試件的對(duì)應(yīng)面積，這樣就可以得到壓縮過(guò)程的o-￡曲線，實(shí)際分析時(shí)往往將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Matlab格式后進(jìn)行分析處理，另外，在荷載較大時(shí)需考慮機(jī)架變形引起的測(cè)試誤差，