力学实验

金属材料拉伸试验22107 第8周_星期二_第7--8节金属材料压缩试验，金属材料扭转试验22107 第10周_星期一_第5--6节梁弯曲正应力实验22214 第11周_星期一_第5--6节实验一拉伸试验一、概述拉伸试验是材料力学性能测试最基本、最常用的试验之一，它通过对各种材料在常温、静载、轴向受力状况下的拉伸破坏，测出材料相应的力学性能指标，这些指标是进行工程设计选材以及鉴定工程材料强度的主要依据。

金属材料的拉伸试验依据国家标准GB228-2002执行。

本试验采用低碳钢和铸铁作为塑性材料和脆性材料的代表，进行破坏性试验。

二、实验目的1．测定低碳钢的下屈服点（屈服强度）R el 、抗拉强度R m、断后伸长率A11.3和断面收缩率Z；2．测定铸铁的抗拉强度R m；3．观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中的各种现象；4．掌握万能材料试验机自动测试系统的操作方法。

三、实验设备1．液压式万能材料试验机2．试件划线机3．游标卡尺4．计算机+智能变送器+材料性能测试系统四、试件制备试件的尺寸和形状对试验结果有影响，为了避免这种影响，使得所测各种材料的机械性能结果具有可比性，国家标准（GB228-2002）《金属材料室温拉伸试验方法》对试件尺寸和形状的加工制作有统一规定。

拉伸试样一般采用圆棒形和板形两种形式。

每个试样由三部分组成，即夹持部分、过渡部分和工作（平行长度）部分。

（见图1）图1常见拉伸试样工作部分必须保持光滑均匀以确保材料表面的单向应力状态，均匀部分的有效工作长度L0称为标距。

d0、S0夹表示工作部分的直径和截面积。

过度部分必须有适当的圆弧过度并光滑，以降低应力集中，保证实验过程中该处不会断裂。

夾持部分用以传递荷载，其形状和尺寸应与试验机钳口相匹配。

平行部分长度对圆形试样不小于L0+d0，对矩形试样不小于L0+b0/2。

试验中如果因原材料尺寸或其他原因不能采用标准试样时，可选用比例试样或定标距试样：比例试样L o=Ks01/2其中系数K通常为5.65或11.3，前者称为短试样，后者称为长试样；S0为试样平行部分原始面积。

对圆棒试样来说，短试样和长试样的标距分别等于5d0和10d0定标距试样的L0与S0无上述关系。

本试验采用d0=10mm，标距L0=100mm的圆棒长比例试件。

五、实验原理应用DZXS-Ⅱ智能应力变送器接受液压万能材料试验机传感器的信号，并对其进行处理后送入JBK测试软件，实现静力材料力学性能的自动测试。

1、低碳钢拉伸低碳钢的拉伸图（图2-a）（如下）；实验过程四个变形阶段，弹性阶段、屈服阶段、断裂破坏阶段，观察各阶段产生的现象，自动采集下屈服力F el、最大力F m；试样拉断后测量断后标距L1和缩颈处最小直径d1并记录。

由此计算试验结果：低碳钢的下屈服点（屈服强度）R el 、抗拉强度R m、断后伸长率A和断面收缩率Z；+图2- a低碳钢拉伸图图2-b铸铁拉伸图应当指出记录的拉伸变形Δl不只是标距部分的伸长，还包括机器本身的弹性变形和试件头部在夹头中的滑动等，试件开始受力时，头部在夹头内的滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。

对于低碳钢材料，屈服阶段（S-S′）出现峰、谷值。

上屈服点S受变形速度和试件形状等的影响较大，而下屈服点S′则相对稳定，故工程上以S′点对应的载荷作为材料下屈服力，用F el来表示。

确定下屈服力F el：当试验进入屈服阶段时，此时可观察曲线的若干谷值，国标GB228-2002规定：取最小谷值作为F el（而第一次谷值不计）。

试件拉伸达到最大力F m 之前，在标距范围内的变形基本是均匀的。

从最大力开始，出现局部轴向伸长加快和缩颈现象。

由于缩颈处的截面面积迅速减小，以同样的位移速度继续拉伸所需的载荷也相应的变小，直至E点断裂为止。

2、铸铁拉伸铸铁试样试验时，利用测试软件可得到拉伸图（图2-b）；自动采集最大力F m；自动得到抗拉强度R m。

六、实验步骤1．试件准备打磨：打磨低碳钢试件工作部分，使其明亮光滑，有助于观察到屈服阶段产生的滑移线。

划线：为便于分析低碳钢试件变形情况，用划线机在试样工作部分表面划标距线。

测量：用游标卡尺测量。

在试样原始标距段内的两端及中间取三个截面，在每一截面分别沿互相垂直的两个方向各测一直径数值，取二者平均值，作为该截面直径数值。

三个截面中最小的数值作为原始直径数值。

2．估选试验机加载量程（挂砝码）根据试样材料的抗拉强度R m估计值和原始横截面面积A0估算试验的最大载荷。

再根据最大载荷的大小，选择合适的量程。

3．低碳钢试样①自动测试a．接通万能材料试验机，将万能试验机工作台上升10mm左右，设备调零（即调整摆锤刻度线与设备刻度线相重合，刻度线见万能试验机）；启动测试软件系统，设置有关实验参数。

b．点击主菜单，选择“系统设置”再点击“测试方法”选择“调用”、接下来点击测试类型（如拉伸）、选中测试方法编号（询问指导老师）后，点击“下一步”。

在“信息登录”空格输入测试数据文件名（如班级、小组，十六字符以内），点击“下一步”。

c．在“运行”项执行测试，屏幕上点击“联机”。

点击“继续”输入试样编号和尺寸。

d．在万能机上安装试件，若需要还可在试件上安装引伸计。

e．点击计算机屏幕上的“启动”，然后打开万能试验机送油阀使试样开始加力，这时计算机自动绘制受力图并可随时观察送油阀进油量的大小，以控制加载速度和记录下屈服力、最大力直至试样断裂。

②手动测试a．打开送油阀将工作台上升10mm左右，设备调零，指针调零即调整测力主动指针对准读数度盘“零”点，并使副针与之靠拢，同时调整好自动绘图仪。

b．检查及试车请教师检查以上步骤的完成情况后，开动试验机，预加少量载荷（应力不应超过材料的比例极限）然后卸载至零点，以检查试验机工作是否正常。

c．进行试验Ⅰ开动试验机使之缓慢匀速加载。

注意观察测力指针的转动、自动绘图的情况和相应的试验现象。

当测力指针不动或反复波动时，说明材料开始屈服，记录下屈服力F el。

并观察试件上的滑移线。

Ⅱ继续加载，当试验进入强化阶段后但不到最大力时可进行卸载，在自动绘图纸上观察到卸载与加载的曲线变化，卸载到零点后，再开动机器继续加载，此时可以观察到冷作硬化现象。

Ⅲ继续加载，当试件受力超过最大力时,主动针开始后退,此时可观察试件上出现局部缩颈现象直至试件断裂。

关闭万能机送油阀，由副针读出最大力F m并记录之。

Ⅳ取下试件。

将断裂试件的两段对齐并尽量挤紧，用游标卡尺测量断裂后的标距L1，测量断口缩颈处的最小平均直径d1，计算断口处最小横截面面积S1。

4．铸铁试样自动测试、手动测试的方法类似于低碳钢的测试方法，测试结果只有一个强度指标R m。

七、实验结果的处理1．自动测试结果处理① 输入试样断后标距L 1和断口处最小平均直径d 1到计算机。

② 可用“逼近线”的方法（JBK 测试软件上的一种方法,可从“结果设置”中调出）来检验自动采集到的数据是否可靠，若不可靠可到主菜单上的“数据管理”中点击“查看数据点”从原始记录曲线上找出正确参数，点击“结果复算”将错误数据给予订正。

③ 结果确认正确后,打开“数据管理”点击“曲线处理”出现绘制曲线图,可将曲线图的比例调至最佳状态下进行打印。

④ 打开报告文件,可将本次试验结果用报告格式打印出来。

2．手动试验结果处理① 根据下屈服力F el 及最大力F m 计算下屈服点R el 及抗拉强度R m ，其值分别为el 0F el R S =0mm FR S =② 根据试验前后的标距长度和横截面面积计算断后伸长率δ和断面收缩率ψ其值分别为10100%L L A L -=⨯01100%S S z S -=⨯注：断后标距L 1的测量直接法：若断口到最邻近标距端点的距离大于1/3L 0时，直接测量标距两端间的距离. 位移法：若断口到最邻近标距端点的距离小于或等于1/3L 0。

时，则需按下述方法进行断口移中测定L 1在长段上从断口0处取基本等于短段的格数得B 点，若所余格数为偶数（图3-a ）则取其一半得C 点。

此时L 1=AB+2BC若所余格数为奇数（图3-b ），则分别取所余格数减一的1/2得C 点和所余格数加一的1/2得C 1点。

此时L 1=AB+BC+BC 1 当断口在标距以外时，试验结果无效。

图3 用移位法确定断后伸长率 （a ）余格为偶数；（b ）余格为奇数八、金属材料拉伸断口分析金属质量的优劣常可以通过断口形状来判别。

此外，当构件发生破坏时，也可以通过断口分析，并结合其它辅助方法来弄清其破坏原因。

用光滑试件进行拉伸试验时，断裂往往发生在宏观或微观缺陷处，例如成分偏析、夹渣、气泡等，是属了材料质量问题，对于构件则由于加工工艺不当或有应力集中等，会造成各种裂纹。

断口分析可以从宏观和微观两个方面进行，宏观分析反映断口全貌，微观分析则可以揭示其本质，拉伸断口分为韧性断口（以低碳钢为代表）和脆性断口（以铸铁为代表）。

韧性断口形成过程：在颈缩形成之前，拉伸试样标距内各横截面上的应力分布是相同的、均匀的。

一旦颈缩开始，颈缩截面上的应力分布就与其他截面不同了，且其截面上的应力分布不再保持均匀，图4即为颈缩截面上的应力分布示意图。

设在离颈缩较远的均匀变形截面S b处试样承受的单向轴向应力为σ1，但在颈缩处附近图中阴影体积部分将基本上处于无应力状态，所以，当颈缩处产生纵向伸长变形的同时横向发生收缩，但这部分体积将阻止其横向收缩变形，从而出现横向阻力。

所以，该处不再是单向受力而是处于三向受力状态，即图示的轴向应力σl，径向应力σr和切向应力σt，而且由于σr和σt的出现，提高了塑性流变所需的轴向应力σl。

因σl在试样心部最大（见图4），裂纹开始于试样心部，起初在试样中心部分出现许多已明显可见的显微空洞（微孔），随后这些微孔增大，聚集而形成锯齿状的纤维断口，通常呈环状（图5）当此环状纤维区扩展到一定尺寸（裂纹临界尺寸）后，裂纹开始快速扩展而形成放射区。

放射区出现后，试样承载面积只剩下最外圈的环状面积，最后由最大剪应力所切断，形成剪切唇。

脆性断口一般断口平齐，并垂直于拉应力方向呈现脆性断裂图4 颈缩截面上的应力分布示意图图5 韧性断口示意图九、实验记录1 原始记录表格十、思考题：1．试比较低碳钢和铸铁在拉伸时的机械性能；试根据不同的断口形状说明材料的两种基本断裂形式。

2．用材料和直径相同而标距长度分别为5d0和10d0两种试件测定断后伸长率δ，试验结果有何差别？为什么？3．液压式万能材料试验机工作之前，为何要将工作台上升10mm左右？4．若受力试件的变形已超出弹性阶段，而进入强化阶段，则试件只有塑性变形而无弹性变形，这一结论对吗？为什么？5．用直径d=10.00mm的低碳钢试件做拉伸试验测得的有关数据已记录于下表，试计算其比例极限、屈服极限、强度极限、弹性模量和延伸率。