實驗一 拉伸與壓縮實驗

實驗一拉伸與壓縮實驗拉伸實驗是對試件施加軸向拉力，以測定材料在常溫靜荷載作用下的力學性能的實驗。它是材料力學最基本、最重要的實驗之一。拉伸實驗簡單、直觀、技術成熟、數據可比性強，它是最常用的實驗手段。由此測定的材料力學性能指標，成為考核材料的強度、塑性和變形能力的最基本的依據，被廣泛、直接地用于工程設計、產品檢驗、工藝評定等方面。而有些材料的受壓力學性能和受拉力學性能不同，所以，要對其施加軸向壓力，以考核其受壓性能，這就是壓縮實驗。一、實驗目的1．通過對低碳鋼和鑄鐵這兩種不同性能的典型材料的拉伸、壓縮破壞過程的觀察和對實驗數據、斷口特征的分析，了解它們的力學性能特點。2．了解電子萬能試驗機的構造、原理和操作。3．測定典型材料的強度指標及塑性指標，低碳鋼拉伸時的屈服極限，(或下屈服極限)，強度極限，延伸率，截面收縮率，壓縮時的壓縮屈服極限，鑄鐵拉伸、壓縮時的強度極限、。二．實驗設備及試件電子萬能試驗機：

圖1-1萬能材料試驗機結構圖1-1萬能材料試驗機結構圖試驗機結構與原理――材料力學基本實驗設備是靜態(tài)萬能材料試驗機,能進行軸向拉伸、軸向壓縮和三點彎曲等基本實驗。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。當前試驗機主要的機型是電子萬能試驗機，其加載是由伺服電機帶動絲杠轉動而使活動橫梁上下移動而實現的。在活動橫梁和上橫梁（或工作臺上）安裝一對拉伸夾具或壓縮彎曲的附件，就組成了加載空間。伺服控制系統(tǒng)則控制伺服電機在給定速度下勻速轉動，實現不同速度下橫梁移動或對被測試件加載。活動橫梁的移動速度范圍是0.05～500毫米/每分鐘。測量系統(tǒng)包括負荷測量、試件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，通過傳感器將機械信號轉變?yōu)殡娦盘?。負荷傳感器安裝在活動橫梁上，通過萬向聯(lián)軸節(jié)和夾具與試件聯(lián)在一起，測量變形的傳感器一般稱作引伸計安裝在試件上。橫梁位移的測量是采用光電轉換技術，通過安裝在絲杠頂部的脈沖編碼器將絲杠轉動信號轉變?yōu)槊}沖信號。三路信號均經過信號調理電路變?yōu)闃藴实男盘枴?/p>

現在實驗室用于材力教學的試驗機全部是計算機控制的電子萬能試驗機,計算機控制的電子萬能試驗機用鼠標操作可完成試驗機的各種功能，此外增加了數據文件存儲、實驗數據處理、實驗曲線及結果打印等功能。2．試件為了使實驗結果具有可比性，且不受其他因素干擾，實驗應盡量在相同或相似的條件下進行，國家為此制定了實驗標準，其中包括對試件的規(guī)定。1．試件制備拉伸實驗的試件又分比例試件和定標距試件兩種。比例試件是指按相似原理，原始標距與試件截面積平方根有一定的比例關系，即。取5.65或11.3，前者稱短比例試件，后者稱長比例試件，并修約到5mm，10mm的整倍數長。對圓試件，二者的則分別為，。一般推薦用短比例試件。定標距試件是指取規(guī)定長度與無比例關系。本實驗取長比例圓試件。圖1-2為一種圓試件圖樣，試件頭部與平行部分要過渡緩和，以減少應力集中，其圓弧半徑r依試件尺寸、材質和加工工藝而定，而的圓試件，r＞4mm。試樣頭部形狀依試驗機夾頭形式而定，要保證拉力通過試件軸線，不產生附加彎矩，其長度H，至少為楔形夾具長度的3／4。中部平行長度。為測定延伸率，要在試件上標出原始標距，可采用劃線或打點法，標出一系列等分格標記。圖1—圖1—3圓柱形壓縮試件圖1圖1—2拉伸圓試件壓縮實驗的試件有圓柱形、正方柱形和板狀三種。本實驗取圓柱形。為了既防止試件壓彎，又使試件中段為均勻單向壓縮(距端面小于內，受端面摩擦力影響，應力分布不是均勻單向的)，其長度L限制為，或。為防止偏心受力引起的彎曲影響，對兩端面的不平行度及它們與圓柱軸線的不垂直度也有一定要求。圖1-3為圓柱形試件圖樣。3．試件尺寸測量對拉伸試件，取標距的兩端和中間共三個截面，每個截面測量相互垂直的兩個直徑，取二者的算術平均值為平均直徑，取三個平均直徑中最小者計算原始橫截面積。對壓縮試件，測量長度一次，測量中間截面相互垂直的兩個直徑，取二者的算術平均值計算原始橫截面積。本實驗用最小分度值為0.02mm的游標卡尺為量具。三、實驗原理低碳鋼的拉伸：實驗原理如圖1-3所示，首先，實驗各參數的設置由PC傳送給測控中心后開始實驗，拉伸時，力傳感器和引伸計分別通過兩個通道將式樣所受的載荷和變形連接到測控中心，經相關程序計算后，再在PC機上顯示出各相關實驗結果。以拉力P為縱坐標、伸長ΔL為橫坐標，所繪出的實驗曲線圖形稱為拉伸圖，即P-ΔL曲線。典型的低碳鋼的拉伸P—ΔL曲線，可明顯分為四個階段(圖1—4)。1-31-3拉伸實驗原理圖1—4低碳鋼拉伸P—ΔL曲線1．彈性階段拉伸初始階段(OA段)為彈性階段，在此階段若卸載，記錄筆將沿原路返回到O點，變形完全消失，即彈性變形是可恢復的變形。特別是其前段，力P與變形ΔL成正比關系，為斜直線。2．屈服階段實驗進行到A點以后，在試件繼續(xù)變形情況下，力P卻不再增加，或呈下降，甚至反復多次下降，使曲線呈波形。若試件表面加工光潔，可看到45°傾斜的滑移線。這種現象稱為屈服，即進入屈服階段(AB段)。其特征值屈服極限表征材料抵抗永久變形的能力，是材料重要的力學性能指標。3．強化階段過了屈服階段(B點)，力又開始增加，曲線亦趨上升，說明材料結構組織發(fā)生變化，得到強化，需要增加荷載才能使材料繼續(xù)變形。隨著荷載增加，曲線斜率逐漸減小，直到C點，達到峰值，該點為抗拉極限荷載，即試件能承受的最大載荷。此階段(BC段)稱強化階段，若在強化階段某點D卸去荷載，可看到記錄筆沿與彈性階段(OA)近似平行的直線(DF)，降到F點；若再加載，它又沿原直線(DF)升到D點，說明亦為線彈性關系，只是比原彈性階段提高了。D點的變形可分為兩部分，即可恢復的彈性變形(FM段)和殘余(永久)的塑性變形(OF段)。這種在常溫下冷拉過屈服階段后呈現的性質，稱為冷作硬化，常作為一種工藝手段，用于工程中以提高金屬材料的線彈性范圍。但此工藝亦同時削弱了材料的塑性，如圖l-6所示，冷拉后的斷后伸長(FN)比原來的斷后伸長(ON)減少了。這種冷作硬化性質，只有經過退火處理，才能消失。4．頸縮階段實驗達到D點后，試件出現不均勻的軸線伸長，在其某薄弱處，截面明顯收縮，直到斷裂，稱頸縮現象。因截面不斷削弱，承載力減小，曲線呈下降趨勢，直到斷裂點E，該階段(CE段)為頸縮階段。頸縮現象是材料內部晶格剪切滑移的表現。（二）脆性材料的拉伸（圓形截面鑄鐵）鑄鐵等脆性材料拉伸時的載荷—變形曲線不象低碳鋼拉伸那樣明顯地分為彈性、屈服、頸縮和斷裂四個階段，而是一根接近直線的曲線，且載荷沒有下降段。它是在非常小的變形下突然斷裂的，斷裂后幾乎不到殘余變形。只要測定它的強度極限就可以了。實驗前測定鑄鐵試件的橫截面積A0，然后在試驗機上緩慢加載，直到試件斷裂，記錄其最大載荷，求出其強度極限。四、拉伸、壓縮力學性能的實驗定義和測定1．屈服極限、上屈服極限、下屈服極限,壓縮時屈服極限在屈服階段，若載荷是恒定的(圖1—5(a))，則此時的應力稱屈服極限；若荷載下降或波動，則首次下降前的最大應力為上屈服極限，(圖1—5(b)，(c)，(d)))；第一個波谷后的最小應力為下屈服極限(圖1—5(b)，(c))。第一個波谷不僅是材料屈服的結果，還受實驗系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)的動慣性守恒影響，被稱為“初始瞬時效應”，它與加載速度等因素有關，故不計在內。若只有一次下降波動，則規(guī)定波動的最小應力為下屈服極限，(圖1—5(d))。本實驗系測定材料的屈服極限或下屈服極限。壓縮時，則不分上、下屈服極限，把按上述方法測定的或，當作屈服極限是對應屈服極限的載荷，可從測力指針移動的特定位置讀取。2．強度極限試件拉伸過程中最大荷載對應的標稱應力稱為強度極限。標稱應力為用原始截面計算的應力：最大荷載可從破壞后，隨動指針停留位置讀取。3．壓縮強度極限試件受壓至破壞前承受的最大標稱應力稱為壓縮強度極限,不發(fā)生破裂的材料，如低碳鋼則沒有壓縮強度極限。圖1—5屈服極限的幾種類型4．延伸率δ當載荷超過彈性極限時，就會產生塑性變形。金屬的塑性變形主要是材料晶面產生了滑移，是剪應力引起的。描述材料塑性的指標主要有材料斷裂后的延伸率δ和截面收縮率ψ來表示。試件拉斷后，標距內的伸長與原始標距。的百分比稱為延伸率(δ)：其中，是將試件斷口原狀對接后量取的標距。許多塑性材料在斷裂前發(fā)生頸縮(如低碳鋼)，會發(fā)生不均勻伸長(斷口處伸長最大)，于是，斷口發(fā)生在標距內的不同位置，量取的也會不同。如斷口到最近的標距端點的距離大于l0/3，則直接測量兩標距端點間的長度為；若斷口不在標距中部長度區(qū)段內，為具有可比性，需采用斷口移中的辦法。該方法是：在長段上取離斷口近似一半標距格數的標記點C，短段上取標距端A，量取AC長；再從C點向斷口方向量取BC長，BC的格數＝標距格數-AC格數，則，如圖1-6所示。圖1-6斷口移中示意5．截面收縮率ψ試件斷后，頸縮處橫截面積的最大收縮量與原始橫截面積A0的百分比稱為截面收縮率ψ:頸縮處最小截面積A1的測定，是在斷口原狀對接后，量取最細處垂直兩個方向的直徑，取二者的算術平均值計算。五、實驗步驟1．拉伸實驗1)

確定標距選擇適當的標距，并測量l0的實際值。為了便于測量，將標距均分為若干格，如10格。2)

試樣的測量用游標卡尺在試樣標距的兩端和中央的三個截面上測量直徑，每個截面在互相垂直的兩個方向各測一次，取其平均值，并用三個平均值中最小者作為計算截面積的直徑d，并計算出A0值。3)

儀器設備的準備打開電子萬能試驗機右下角電源開關，打開計算機，進行測試軟件的相關設定。4)

安裝試件試件先安裝在試驗機的上夾頭內，再移動下夾頭，使其達到適當的位置，并把試件下端夾緊。5）

試加載、卸載。注意試加載值不能超過比例極限。6）

測試電子萬能材料實驗機操作步驟1）打開電子萬能試驗機右下角電源開關，再打開計算機主機電源；2）靜候數秒，以待機器系統(tǒng)檢測；3）打開“華龍測試”軟件；（選取相應測試程序，或直接在電腦桌面上雙擊程序圖標）；4）按軟件右下角【啟動】按鈕，以使主機上電與程序相連；5）點擊軟件左側【調零】圖標，以使各值清零6）設定試樣參數7）點擊【操作向導】按鈕，進行相關設定。其中〔第三步〕實驗類型選擇中，選擇所需實驗類型：如拉伸、壓縮等；〔第七步〕實驗過程控制設置中，第一階段控制方式中選位移控制，低碳鋼速率8mm/min，鑄鐵速率2mm/min；〔第九步〕實驗正常結束控制參數選60%；其他選項已設定好，不用重新設定。8）完成后，點擊【試樣參數】按鈕，輸入試樣數量及對應的尺寸。9）在文件下拉菜單下的實驗方法存儲中儲存文件10）在主界面上輸入儲存文件名（報告編號）11）開始夾試件，先夾上夾頭，（上夾頭，順時針夾緊），夾到鉗口的3/4~4/5處，利用軟件上的按鈕或手持按鈕點動向下移動到合適位置，點【向下】按鈕右鍵，出現移動速度設定，選350。試件移動到鉗口的3/4~4/5處，停止夾緊，（下夾頭，逆時針夾緊）。12）點擊【開始測試】圖標，開始測試;如果出現曲線不正常，立即按stop鍵。13）測試終止后，先取出上夾頭斷裂試樣;再取下上夾頭斷裂試樣。程序自動計算測試結果并作出圖表;14）將曲線圖保存，進行圖形分析，計算彈性模量;15）斷裂試件的兩斷口對齊并盡量靠緊，測量斷裂后標距段的長度l1；測量斷口頸縮處的直徑d，計算斷口處的橫截面積A,點擊【試樣參數】按鈕,輸入測量的數據得到斷后伸長率，斷面收縮率，記錄計算結果，整理形成實驗報告;16）保存測試結果文件，另存為*.dat格式的文件，退出程序;17）關閉主機電源，清理工作臺;2．壓縮實驗準備工作及實驗方法與拉伸實驗基本相同，先進行測試條件的設定，再移動水平橫梁安裝試件，注意置試件于其受力中心?？刂茩M梁位置，使其停在無壓接觸位置，即上壓頭與試件空隙剛好消除。加載測試，平緩加載。因壓縮試件較短，屈服不明顯，要特別注意平穩(wěn)，干擾屈服點測讀。應力速率控制在每秒鐘1～10N／mm2，