力学实验
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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;
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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