金属材料的拉伸与压缩实验.doc

0机械学基础实验指导书力学实验中心1金属材料的拉伸与压缩实验1.1 金属材料的拉伸实验拉伸实验是材料力学实验中最重要的实验之一任何一种材料受力后都要产生变形，变形到一定程度就可能发生断裂破坏材料在受力——变形——断裂的这一破坏过程中，不仅有一定的变形能力，而且对变形和断裂有一定的抵抗能力，这些能力称为材料的力学机械性能通过拉伸实验，可以确定材料的许多重要而又最基本的力学机械性能例如：弹性模量E、比例极限 Rp、上和下屈服强度 ReH 和 ReL、强度极限 Rm、延伸率 A、收缩率 Z除此而外，通过拉伸实验的结果，往往还可以大致判定某种其它机械性能，如硬度等我们以两种材料——低碳钢，铸铁做拉伸试验，以便对于塑性材料和脆性材料的力学机械性能进行比较这个实验是研究材料在静载和常温条件下的拉断过程利用电子万能材料试验机自动绘出的载荷——变形图，及试验前后试件的尺寸来确定其机械性能试件的形式和尺寸对实验的结果有很大影响，就是同一材料由于试件的计算长度不同，其延伸率变动的范围就很大例如：对 45#钢：当 L0＝10d 0 时（L 0 为试件计算长度，d 0 为直径） ，延伸率A10＝24~29% ，当 L0＝5d 0 时，A 5＝23~25%。

为了能够准确的比较材料的性质，对拉伸试件的尺寸有一定的标准规定按国标 GB/T228-2002、GB/P7314-2005 的要求，拉伸试件一般采用下面两种形式：图 1-11. 10 倍试件；圆形截面时，L 0＝10d 0 矩形截面时，L 0＝11.3 0S2. 5 倍试件圆形截面时，L 0＝5d 矩形截面时, L 0＝5.65 =045d0——试验前试件计算部分的直径；S0——试验前试件计算部分断面面积此外，试件的表面要求一定的光洁度光洁度对屈服点有影响因此，2试件表面不应有刻痕、切口、翘曲及淬火裂纹痕迹等一、实验目的：1．研究低碳钢、铸铁的应力——应变曲线拉伸图2．确定低碳钢在拉伸时的机械性能（比例极限 Rp、下屈服强度 ReL、强度极限 Rm、延伸率 A、断面收缩率 Z 等） 3. 确定铸铁在拉伸时的力学机械性能二、实验原理：拉伸实验是测定材料力学性能最基本的实验之一在单向拉伸时 F——ΔL（力—— 变形）曲线的形式代表了不同材料的力学性能，利用：0FRS0L可得到 R—ε 曲线关系三、实验所用的设备、仪器和工具1、Zwick 电子万能材料试验机 一台2、游标卡尺 一支3、记号笔 一支4、低碳钢、铸铁试件 各一个四、试件尺寸测量1．量度试件尺寸：1）试验前在试件两端及中部选择三个截面，每个截面用游标卡尺分别相互垂直各测一次直径，取其三点平均值中的最小值作为试件的直径d0。

当低碳钢试件拉断后，用游标卡尺在颈缩段的最小截面处的互相垂直的两个方向各测量一次直径，取其平均值作为试件断口处的最小值 du2）确定计算长度 L0在试件中间等粗的细长部分内，量取计算长度 L0（按 10 倍或 5 倍试件确定） 然后用记号笔把计算长度 L0 分成若干等分（通常是以 5mm 或10mm 为一等分） 以便当试件断裂不在中间时进行换算，从而求得比较正确的延伸率建议使用下列表格表 1.1表 1.1 拉伸试件原始尺寸数据记录 直径 d0(mm)截面 I 截面 II 截面 III材料标距L0(mm) 1 2 平均 1 2平均 1 2平均横截面面积S0 低碳钢铸 铁五、实验步骤3参见 1.3 中的 Zwick 电子万能试验机操作步骤六．试验注意事项：随时注意观察试件在拉伸过程中的形状变化和应力——应变曲线的变化情况1）当试件拉伸过程中，当应力——应变曲线出现平台时载荷即到达屈服阶段，在试件表面可能出现契尔诺夫滑移线2）过了屈服阶段后，观察冷作硬化现象3）当载荷到达最大值（F m）时，曲线开始回落下降，密切注意试件形状的变化，此时可看到颈缩现象4）试件拉断后，立即停机存盘。

打印出所得的拉伸图，取下试件并量度此时的断后标距长度 Lu（如果试件是断在计算长度之外的作废）和颈缩处的最小直径 du量度时将试件的两半接在一起，使其尽量紧贴七．试验结果整理和计算：1）对拉伸曲线的修正拉伸曲线得到后，往往在开始处形成如图 1-2 中所示的不规则的曲线这是由于试验开始时，握紧器、夹具和试件之间尚未紧密相接并非完全由于试件变形所致因此对此曲线要进行修正，即将拉伸图直线部分往下延长，它与横座标相交，交点即为原点2）根据拉伸图，找出相应的 ReL，R m并求出：下屈服点 ReL＝ 0SFe图 1-2 图 1-3强度极限 Rm＝ 0SF3)计算延伸率：A＝ 100%0Lu4试件拉断后的残余变形在整个长度的分布是非均匀的在颈缩部分大，而非颈缩部分残余变形小一些（见图 1-4） 图 1-4图 1-5由此看出，断在中间时，试件残余变形最大，延伸率也最大为了对同一种材料只得出一个相对稳定的值，不因断裂的位置而异，可以将试验所得到的残余变形换算成相当于试件在中间断裂时的“标准数值”此方法叫“断处移中法”（见图 1-5） 例如在图 1.5 中，其延伸率应换算为A＝ 100%02Lnm其中：m 及 n 的小格数目依具体情况而选定。

4) 断面收缩率：Z＝ 100%0SuSu——颈缩处的最小面积5) 拉断时颈缩处的实际应力：R m＝/uF1.2 金属材料的压缩试验5一、试验目的研究和比较塑性材料与脆性材料在室温下单向压缩时的力学性能二、压缩试件与试验所用机器、仪器和工具：1、压缩试件取两种不同材料的试件——低碳钢和铸铁金属试件一般采用圆柱形，其高与直径之比应为 l＜L 0/d0＜2其它材料的试件一般都采用立方体2、试验所用机器、仪器和工具：与拉伸试验相同，采用压缩夹具三、实验步骤：1、量试件尺寸（长、宽、高、直径） 2、把试件放在试验机上3、开机动器，进行试验，一直到试件破坏4、卸去载荷，取出破坏的试件5、打印出实验报告具体可参见 1.3 中的 Zwick 电子万能试验机操作步骤四、实验注意事项：1、低碳钢不能压到破坏，压到 45kN 时即停止试验2、为了能很好地观察铸铁的破坏裂纹，在试验中，一但发现载荷值上升缓慢时，需及时停止加载五、实验结果的整理和计算1．低碳钢：低碳钢为塑性材料，其压缩图见图 1-6，开始时遵守胡克定律沿直线上升，比例极限以后变形加快，但无明显屈服阶段相反地，图形逐渐向上弯曲这是因为在过了比例极限后，随着塑性变形的迅速增长，而试件的横截面积逐渐增大，因而承受的载荷也随之增大。

从实验我们知道，低碳钢试件可以被压成极簿的平板而一般不破坏因此，其强度极限一般是不能确定的我们只能确定的是压缩的屈服极限应力Rsc＝ .0scFS2．铸铁：铸铁为脆性材料，其压缩图在开始时接近于直线，与纵轴之夹角很小，以后曲率逐渐增大，最后至破坏，因此只确定其强度极限（见图 1-7） 6Rm＝ 0bcFS图 1-6 低碳钢压缩 图 1-7 铸铁压缩铸铁试件受压力作用而缩短，表明有很少的塑性变形的存在当载荷达到最大值时，试件即破坏，并在其表面上出现了倾斜的裂缝（裂缝一般大致在与横截面成 45°的平面上发生）铸铁受压后的破坏是突然发生的，这是脆性材料的特征从试验结果与以前的拉伸试验结果作一比较，可以看出，铸铁承受压缩的能力远远大于承受拉伸的能力抗压强度远远超过抗拉强度，这是脆性材料的一般属性1.3 电子万能材料试验机简介图 1-8 电子万能材料试验机7电子万能材料试验机简称电子万能试验机，是材料力学性能测试的专用设备，主要用于材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等力学性能试验电子万能试验机是机械技术、传感器技术、电子（计算机）测量、控制及数据处理技术结合的新型试验机与以往的机械式和液压式试验机相比，近年来生产的电子万能试验机最突出的特点是利用计算机控制试验过程，并完成测量数据的自动采集和处理。

不同厂家生产的电子万能试验机虽然在结构形式、操作界面、使用功能及技术性能上存在差异，但基本结构和工作原理是类似的，一般都包括机械加载架、试样夹持装置、测量系统、动力系统、传动系统、控制系统、计算机系统等基本工作单元常见电子万能试验机按照最大载荷划分为 10kN、20 kN、50 kN、100 kN、200 kN、250 kN 等不同的规格一、电子万能材料试验机的结构与工作原理试验机主要由机械加载、控制系统、测量系统等部分组成（如图 1.9所示） 加载是通过伺服电机带动丝杠转动而使活动横梁上下移动来实现在8图 1-9 电子万能材料试验机的结构及工作原理1.立柱 2.拉伸夹具 3.拉伸试样 4.移动横梁 5.测力传感器 6.压缩夹具 7.弯曲夹具 8.下横梁 9.同步齿型传动带 10.带轮 11.光电编码器 12.伺服电机 13.上横梁 14.滚珠丝杠 15.引伸计 16.手控键盘 17.减速机131012伺服控制器数据采集与控制系统计算机显示器打印机1415123164567891117活动横梁和工作台上安装一对拉伸、压缩或弯曲卡具，组成了加载空间伺服控制系统则控制伺服电机在给定速度下匀速转动，实现不同速度下横梁移动从而对试件加载。

测量系统包括负荷测量、试件变形测量和横梁位移测量负荷和变形测量都是利用电测传感技术，通过传感器将机械信号转变为电信号负荷传感器安装在活动横梁上，测量变形的传感器一般称作引伸计，并且安装在试件上横梁位移的测量是采用光电转换技术，通过安装在步进电机上的脉冲编码器将转动信号转变为脉冲信号三路信号均经过信号调理电路变为标准的信号通过转换传给计算机，实施控制和数据采集Zwick 电子万能试验及的工作参数见表 1、2、3表 1.2 试验机的基本参数型号 最大载荷 测量空间 横梁速度 mm/min 位置精度 驱动分辨率9Z010 10kN 440*1100 0.0005--2000 0.1μm 0.027μmZ050 50kN 440*1000 0.0005--6000 0.1μm 0.016μmZ100 100kN 640*500 0.0005--200 0.1μm 0.0206μm表 1.3 力传感器的基本参数型号 测量范围 精度 1 级 精度 0.5 级500N 2N—500N 2N—10N 10N—500N10kN 40N—10kN 40N—200N 200N--10kN50kN 200N—50kN 200N—1000N 1kN--50kN100kN 400N—100kN 400N—2000N 2kN—100kN二、Zwick 电子万能试验机的基本参数本实验室主要仪器设备是德国 Zwick/Roell 公司生产的 6 台电子万能试验机，其中在 Z010 和 Z100 试验机配有目前国际先进的 Longstroke （大变形）和 Macro（小变形）引伸计。

该室可执行拉伸、压缩、弯曲剥离、裂纹扩展等试验，并能实现循环加载及材料的松弛、蠕变等试验，满足金属、塑料、橡胶、纸张、食品、纺织品以及生物力学方面的测试要求其测试软件 testXpert II 灵活性强、使用方便，配备强大的数据处理和分析功能，以及灵活的测试报告编辑功能；还具有独一无二的多媒体测试功能，可以将实验过程同步拍摄下来，并在试验结束后将测试过程和测试曲线同步回放、分析其主要工作参数见表 1.2、表 1.3、表 1.4表 1.4 引伸计的基本参数型号 标距范围(mm) 测量范围(mm) 分辨率 最大测量厚度Longstroke 10--1000 0--1000 5μm 30mmMacro 10--100 0--10 0.3μm 30mm三、Zwick 电子万能试验机操作软件简介Zwick 电子式万能试验机的控制和数据。