材料力学实验指导书

第一部分 材料的力学性能测试任何一种材料受力后都有变形产生，变形到一定程度材料就会降低或失去承载能力，即发生破坏，各种材料的受力——变形——破坏是有一定规律的。

材料的力学性能（也称机械性能），是指材料在外力作用下表现出的变形和破坏等方面的性能，如强度、塑性、弹性和韧性等。

为保证工程构件在各种负荷条件下正常工作，必须通过试验测定材料在不同负荷下的力学性能，并规定具体的力学性能指标，以便为构件的强度设计提供可靠的依据。

材料的主要力学性能指标有屈服强度、抗拉强度、材料刚度、延伸率、截面收缩率、冲击韧性、疲劳极限、断裂韧性和裂纹扩展特性等。

金属材料的力学性能取决于材料的化学成分、金相结构、表面和内部缺陷等，此外，测试的方法、环境温度、周围介质及试样形状、尺寸、加工精度等因素对测试结果也有一定的影响。

材料的力学性能测试必修实验为4学时，包括：轴向拉伸实验、轴向压缩实验、扭转实验。

§1－1 轴向拉伸实验一、实验目的1、 测定低碳钢的屈服强度eL R （s σ）、抗拉强度m R （b σ）、断后伸长率A 11.3（δ10）和断面收缩率Z （ψ）。

2、 测定铸铁的抗拉强度m R （b σ）。

3、 比较低碳钢（塑性材料）和铸铁（脆性材料）在拉伸时的力学性能和断口特征。

注：括号内为GB/T228-2002《金属材料 室温拉伸试验方法》发布前的旧标准引用符号。

二、设备及试样1、 液压式万能材料试验机。

2、 0.02mm 游标卡尺。

3、 低碳钢圆形横截面比例长试样一根。

把原始标距段L 0十等分，并刻画出圆周等分线。

4、 铸铁圆形横截面非比例试样一根。

注：GB/T228-2002规定，拉伸试样分比例试样和非比例试样两种。

比例试样的原始标距0L 与原始横截面积0S 的关系满足00S k L =。

比例系数k 取5.65时称为短比例试样，k 取11.3时称为长比例试样，国际上使用的比例系数k 取5.65。

非比例试样0L 与0S 无关。

三、实验原理及方法低碳钢是指含碳量在0.3％以下的碳素钢。

这类钢材在工程中使用较广，在拉伸时表现出的力学性能也最为典型。

ΔL （标距段伸长量）O低碳钢拉伸图（F —ΔL 曲线）以轴向力F 为纵坐标，标距段伸长量ΔL 为横坐标，所绘出的试验曲线图称为拉伸图，即F —ΔL 曲线。

低碳钢的拉伸图如上图所示，F eL 为下屈服强度对应的轴向力，F eH 为上屈服强度对应的轴向力，F m 为最大轴向力。

F —ΔL 曲线与试样的尺寸有关。

为了消除试样尺寸的影响，把轴向力F 除以试样横截面的原始面积S 0就得到了名义应力，也叫工程应力，用σ表示。

同样，试样在标距段的伸长ΔL 除以试样的原始标距ＬO 得到名义应变，也叫工程应变，用ε表示。

σ—ε曲线与F —ΔL 曲线形状相似，但消除了儿何尺寸的影响，因此代表了材料本质属性，即材料的本构关系。

低碳钢应力—应变图（σ—ε曲线）典型低碳钢的拉伸σ—ε曲线，如上图所示，可明显分为四个阶段：（1）弹性阶段oa ’：在此阶段试样的变形是弹性的，如果在这一阶段终止拉伸并卸载，试样仍恢复到原先的尺寸，试验曲线将沿着拉伸曲线回到初始点，表明试样没有任何残余变形。

习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律，其应力、应变为正比关系，即E σε= 式中比例系数E 代表直线的斜率，称为材料的弹性模量，其常用单位为GPa 。

它是代表材料发生弹性变形的主要性能参数。

E 的大小反映材料抵抗弹性变形的一种能力，代表了材料的刚度。

此外，材料在发生杆的轴向伸长的同时还发生横向收缩。

反映横向变形的横向应变ε＇与ε之比的绝对值μ称为材料的泊松比。

它是代表材料弹性变形的另一个性能参数。

（2）屈服阶段ab ：在超过弹性阶段后出现明显的屈服过程，即曲线沿一水平段上下波动，即应力增加很少，变形快速增加。

这表明材料在此载荷作用下，宏观上表现为暂时丧失抵抗继续变形的能力，微观上表现为材料内部结构发生急剧变化。

从微观结构解释这一现象，是由于构成金属晶体材料结构晶格间的位错，在外力作用下发生有规律的移动造成的。

如果试样表面足够光滑、材料杂质含量少，可以清楚地看出试样表面有450方向的滑移线。

根据GB/T228－2002标准规定，试样发生屈服而力首次下降前的最大应力称为上屈服强度，记为“R eH ”；在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力称为下屈服强度，记为“R eL ”，若试样发生屈服而力首次下降的最小应力是屈服期间的最小应力时，该最小应力称为初始瞬时效应，不作为下屈服强度。

通常把试验测定的下屈服强度R eL 作为材料的屈服极限σS ，σS 是材料开始进入塑性的标志。

不同的塑性材料其屈服阶段的曲线类型有所不同，其屈服强度按GB/T228-2002规定确定。

结构、零件的外加载荷一旦超过这个应力，就可以认为这一结构或零件会因为过量变形而失效。

因此，强度设计中常以屈服极限σS 作为确定许可应力的基础。

由于材料在这一阶段已经发生过量变形，必然残留不可恢复的变形（塑性变形），因此，从屈服阶段开始，材料的变形就包含弹性和塑性两部分。

（3）强化阶段bc ：屈服阶段结束后，σ—ε曲线又出现上升现象，说明材料恢复了对继续变形的抵抗能力，材料若要继续变形必须施加足够的载荷。

如果在这一阶段卸载，弹性变形将随之消失，而塑性变形将永远保留。

强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。

卸载后若(工程应变)重新加载，材料的弹性阶段线将加长、屈服强度明显提高，塑性将降低。

这种现象称作应变强化或冷作硬化。

冷作硬化是金属材料极为宝贵的性质之一。

塑性变形与应变强化二者结合，是工厂强化金属的重要手段。

例如：喷丸、挤压，冷拔等工艺，就是利用材料的冷作硬化来提高材料的强度。

强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布的。

随塑性变形的增长，试样表面的滑移线亦愈趋明显。

σ—ε曲线的应力峰值R m 为材料的强度极限σb 。

对低碳钢来说σb 是材料均匀塑性变形的最大抵抗能力，也是材料进入颈缩阶段的标志。

（4）颈缩阶段cd ：应力到达强度极限后，开始在试样最薄弱处出现局部变形，从而导致试样局部截面急剧颈缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直至断裂。

断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在断裂的试样上。

塑性材料和脆性材料的拉伸曲线存在很大差异。

低碳钢和铸铁是工程材料中最具典型意义的两种材料，前者为塑性材料，后者为脆性材料。

观察它们在拉伸过程中的变形和破坏特征有助于正确、合理地认识和选用材料。

根据试验机绘制的拉伸F —ΔL 曲线确定低碳钢的s σ、b σ和铸铁的b σ。

（1）原始横截面面积（S 0）的测定：圆形横截面试样，应分别在标距内两端及中部测 量直径。

测量某处的直径时，应在该处测量两个互垂方向的直径，取其算术平均值。

原始横截面面积S 0取三处测得的最小直径计算，并至少保留4位有效数字。

（2）强度指标（s σ、b σ）的测定：从低碳钢的F —ΔL 曲线读取试样的F eL 和F m 值，将其分别除以试样的原始横截面面积S 0得低碳钢的屈服强度s σ和抗拉强度b σ；从铸铁的F —ΔL 曲线读取试样的F m 值，将其除以试样的原始横截面面积S 0得铸铁抗拉强度b σ；根据拉断后低碳钢试样的断口直径及标距段长度确定A 11.3 和Z（1）原始标距L 0的标记：低碳钢拉伸试样的标距段原始长度为100mm ，分十等分，用划线机划细的圆周线作为标记。

（2）低碳钢断面收缩率Z 的测定：断裂后试样横截面的最大缩减量S 0－S u 与原始横截面面积S 0之比的百分率为断面收缩率。

测量时将试样断裂部分仔细地配接在一起，使其轴线处于同一直线上。

测量圆形横截面缩颈处的最小直径计算缩颈后的试样最小横截面面积S u 。

（3）低碳钢断后伸长率A 11.3的测定：断后标距的残余伸长L u －L 0与原始标距L 0之比的百分率为断后伸长率。

对于比例试样，若原始标距不为065.5S ，则符号A 应附下标注明所使用的比例系数，例如A 11.3表示原始标距L 0为03.11S 的试样断后伸长率。

测量时将试样断裂部分仔细地配接在一起，应使试样二段的轴线处于同一直线上，并且断裂部分适当接触。

当断裂处与最接近的标距标记的距离不小于原始标距的三分之一时，标距段长度L u 按要求配接后直接测量，否则应按下述移位方法测量L u 。

试验前将原始标距L 0细分为N 等分，把每一等分的细圆周线称为标距等分标记试验后，以符号X 表示断裂后试样短的一段距离试样夹持部最近的标距等分标记，以符号Y 表示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求Y 与断裂处的距离最接近X 与断裂处的距离，X 与Y 之间的标距等分格数为n 。

若N －n 为偶数，以符号Z 表示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求Z 与Y 的标距等分格数为2n N -。

分别测量X 与Y 之间的距离记为XY 、Y 与Z 之间的距离记为YZ ，则试样断后的标距段长度L u ＝XY ＋2YZ ，如下图（a ）所示。

若N－n为奇数，以符号Z’和Z’’表示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求Z’与Y的标距等分格数为21－nN，Z’与Z’’的标距等分格数为1。

分别测量X与Y之间的距离记为XY、Y与Z’之间的距离记为Y Z’、Z’与Z’’之间的距离记为Z’Z’’，则试样断后的标距段长度L u＝XY＋2Y Z’＋Z’ Z’’，如下图（b）所示。

Y ZX(a)Y Z'X(b)Z”四、实验步骤1、按要求测量试样的原始横截面面积S0。

低碳钢标距段原始长度不用测量，为100mm。

铸铁不定标距，不用测量。

2、按要求装夹试样（先选其中一根），并保持上下对中。

3、按指导老师要求选择“试验方案”→“新建实验”→“金属圆棒拉伸实验”进行试验，详细操作要求见液压式万能材料试验机使用说明。

4、试样拉断后拆下试样，重新调整试验机活动台的合理高度（一般为10mm），按要求装夹另一根试样，选择“继续实验”进行第二根试样的拉伸试验。

5、第二根试样拉断后拆下试样，根据液压式万能材料试验机使用说明把两根试样的F—ΔL曲线添加不同的颜色一起显示在微机显示屏上。

从低碳钢的F—ΔL曲线上读取F eL、F m值，从铸铁的F—ΔL曲线上读取F m值。

并比较两条曲线的特征。

6、测量低碳钢拉断后的断口最小横截面面积S u。

7、根据低碳钢断口的位置选择直接测量或移位方法测量标距段长度L u。

8、比较低碳钢和铸铁的断口特征。

9、试验机复原。

五、实验数据及处理要求1、试样直径的测量与测量工具的精度保持一致。

2、横截面面积的计算值取4位有效数字。

3、拉伸力学性能指标的数值确定应保留计算过程，最终结果值按下表要求修约。

1、为什么在实验前需要测试件原始尺寸，包括哪些数据，如何测？2、如果试件直径为10mm ,按标准短比例试件要求，标距应定为多少？3、哪种材料需要在试件拉断后测量试件尺寸？4、铸铁拉伸变形为什么没有屈服、强化及缩颈等阶段？5、 测定材料屈服强度的意义？哪些材料需要测定屈服强度？6、 应变强化是哪类材料的特点，发生在拉伸过程的哪个阶段，有何作用和意义？§1－2 轴向压缩实验一、实验目的1、测定低碳钢压缩时的屈服强度σs 。