实验3 常温单轴拉伸实验
马 杭 编写
单轴拉伸实验是研究材料机械性能的最基本、应用最广泛的实验。由于试验方法简单而且易于得到较为可靠的试验数据，在工程上和实验室中都广泛利用单轴拉伸实验来测取材料的机械性能。多数工程材料拉伸曲线的特性介于低碳钢和铸铁之间，但其强度和塑性指标的定义与测试方法基本相同，因此通过单轴拉伸实验分析比较两种材料的拉伸过程，测定其机械性能，在机械性能的试验研究中具有典型的意义，掌握其拉伸和破坏过程的特点有助于正确合理地认识和选用材料，了解静载条件下结构材料的许用应力的内涵。
一、实验目的
1.通过单轴拉伸实验，观察分析典型的塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的拉伸过程，观察断口，比较其机械性能。
2.测定材料的强度指标（屈服极限
、强度极限
）和塑性指标（延伸率
和面缩率
）。
二、实验设备
1.电子万能材料试验机WDW-100A(见附录一)。
2.计算机、打印机。
3.游标卡尺。
图3-1 圆棒拉伸试样简图
三、试样
材料性能的测试是通过试样进行的，试样制备是试验的重要环节，国家标准GB6397-86对此有详细的规定。本试验采用圆棒试样，如图1-1所示。试样的工作部分（即均匀部分，其长度为
）应保持均匀光滑以确保材料的单向应力状态。均匀部分的有效工作长度
称为标距，
和
分别为工作部分的直径和面积。试样的过渡部分应有适当的圆角以降低应力集中，两端的夹持部分用以传递载荷，其形状与尺寸应与试验机的钳口相匹配。
材料性能的测试结果与试样的形状、尺寸有关，为了比较不同材料的性能，特别是为了使得采用不同的实验设备、在不同的实验场所测试的试验数据具有可比性，试样的形状与尺寸应符合国家标准（GB6397-86）。例如，由于颈缩局部及其影响区的塑性变形在断后延伸率中占很大比重，同种材料的延伸率不仅取决于材质，而且还取决于试样标距。按国家标准规定，材料延伸率的测试应优先采用两类比例试样：
（1）长试样：
（圆形截面试样），或
（矩形截面试样）
（2）短试样：
（圆形截面试样），或
（矩形截面试样）
用长试样和短试样测得的断后延伸率分别记做
和
，国家标准推荐使用短比例试样。
四、实验原理
单轴拉伸实验在电子万能材料试验机上进行。在试验过程中，试验机上的载荷传感器和位移传感器分别将感受到的载荷与位移信号转变成电信号送入EDC控制器，信号经过放大和模数转换后送入计算机，并将处理过的数据同步地显示在屏幕上，形成载荷—位移曲线（即
曲线），试验数据可以存储和打印。在实验前，应进行载荷传感器和位移传感器的标定（校准）。
根据曲线和试样参数，计算材料的各项机械性能指标。根据性能指标、曲线特征并结合断口形貌，分析、评价材料的机械性能。试验机操作软件的使用可参见附录一。
五、试验步骤
1.原始尺寸测量：（1）确定标距。（2）测量直径：在标距中央及两条标距线附近各取一截面进行测量，每截面沿互相垂直方向各测一次取平均值，采用三个截面中的平均值的最小值。
2.初始条件设定：如图1-2，（1）首先进行载荷与位移清零，用鼠标点击载荷与位移（绿色）显示区右上方的0.0按纽，使两者的显示值均为零。（2）点击左上方“曲线参数”，根据材料的强度与塑性，选择合适的显示量程。图二右下方为载荷—位移曲线的显示区，其X轴为横梁位移（mm），Y轴为载荷（kN）。（3）点击左上方“试样信息”，输入试样参数。
3.试样装夹：（1）选择“手动操作”，设定较快的横梁移动速度（20mm/min或50mm/min），点击“上升”或“下降”使横梁移动并观察。当横梁到达合适的位置时，点击“停止”使横梁停止移动。（2）将试样的夹持端插入上楔形夹头并旋紧，点击“下降”使试样的另一端插入下楔形夹头，下降时注意对中以免产生碰撞，停机后旋紧下夹头。
注意，试样装夹之后不再进行载荷清零。
图3-2 拉伸试验的计算机界面
4.加载试验：（1）选择“手动操作”，设定试验速度，建议低碳钢试样设为5mm/min，铸铁试样设为1-2mm/min。（2）点击“上升”开始拉伸试验，注意观察试样、曲线显示区的曲线以及载荷与位移显示值的变化。（3）低碳钢试样将依次出现变形的四个阶段。当载荷从最大值开始下降时可以看到试样的颈缩区，如果试样表面光滑、材料杂质含量少，可以清楚地看到表面45°方向的滑移线。试样断裂后试验机自动停止加载。
5.试验结束前的重要工作：（1）打印记录曲线，开启打印机电源后，依次点击右上角“分析”（弹出新界面）、“打印”。 点击右上角“保存”，可以将本次试验的信息以文本文件的形式保存起来，文件名的后缀为“.dat”。（2）取下试样，对拢已破坏的试样，测量有关数据，观察断口形貌。
六、试验结果整理
1.强度指标计算：
（1）屈服极限 
（MPa）
（2）强度极限 
（MPa）
屈服载荷
取屈服平台的下限值。
取曲线上的最大载荷（参见图三）。脆性材料不存在屈服阶段，所以只需计算
。
2.塑性指标计算：
（1）延伸率 
（2）面缩率 
3.绘制曲线：将载荷—位移记录曲线绘制在坐标纸上，标注坐标的刻度，标明变形的各个阶段，标出曲线上的特殊点（例如下屈服点，等等）。
4.画出断口形貌草图，根据试验结果，对两种材料的性能进行分析比较，完成试验报告。
七、预习与思考
1.认真预习实验指导书，明确实验目的和方法，明了试验中应当注意观察的现象。
2.本试验的曲线上的变形量与试样上的变形量是否相同？如果要利用曲线来近似确定试样的断后延伸率，应怎样做？
3.为什麽要采用比例试样？同一材料的和有何关系？
八、两种典型材料的曲线
低碳钢具有良好的塑性，从图1-3可以看出，低碳钢的曲线明显地分为四个阶段：（1）弹性阶段（OA）：试样的变形是弹性的，若在弹性阶段卸载，试样恢复原来的尺寸，几乎不存在残余变形。材料在弹性范围内服从Hooke定律，其载荷—伸长、应力—应变成正比。
（2）屈服阶段（AB）：标志着宏观塑性变形的开始，材料暂时丧失抵抗继续变形的能力。在屈服阶段，载荷（应力）往往出现锯齿状波动，载荷开始下降所对应的应力称为上屈服点，其数值受材料状态和试验条件多种因素的影响，而屈服阶段应力的最低值—下屈服点的数值则比较稳定，所以通常用下屈服点作为材料的屈服极限。结构、零件的应力一旦超过屈服极限，就会因为变形过量而失效。从屈服阶段开始，材料的变形包含弹性与塑性两部分。
（3）强化阶段（BC）：亦称均匀变形阶段，材料恢复了对继续变形的抵抗能力，载荷随着变形而持续上升。如果在该阶段卸载，试验机和试样组成的系统的弹性变形随之消失，试样的塑性变形将永远保留下来，卸载路径与弹性阶段平行。如果卸载后再次加载，加载路径近似与卸载路径重合，载荷到达原卸载点时将重新进入屈服并产生塑性变形，材料表现出强度上升、塑性下降的现象，称作
形变强化（或冷作硬化、加工硬化）。形变强化是金属材料的宝贵品质，是材料强化的重要手段。
（4）颈缩阶段（CD）：亦称局部变形阶段。这时，材料形变强化对载荷增加的贡献已经不能抵偿试样截面积减小对载荷的削弱作用，载荷下降，塑性变形在局部进行，承载面积迅速减小，直到断裂。断裂后试样的弹性变形消失，塑性变形则保留在断裂的试样上。
图3-3 低碳钢与铸铁的曲线
铸铁是典型的脆性材料，拉伸过程比较简单，不存在低碳钢那样的四个阶段，可以近似认为经弹性阶段直接过渡到断裂，断裂后的延伸率极小，因此这类材料若使用不当，容易发生事故。
实验4 单轴压缩实验
李享荣 编写
一、实验目的
1.观察并比较低碳钢和铸铁在压缩时的变形和破坏现象。
2.测定低碳钢的屈服极限
和铸铁的强度极限。
二、实验原理
1.低碳钢：一般取圆柱形试件，尺寸为1＜
＜3，在屈服以前，其应力-应变关系基本上与拉伸时相同，随后横截面逐渐增大，试件最后压成饼形而不破裂(图2-1)，故只能测出
，由
=
于是得出材料受压时的屈服极限，而得不出受压时的强度极限。
2.铸铁：铸铁压缩一般也取圆柱形试件，其尺寸与低碳钢一样，试件受力直至破坏(图2-2)，破坏断面与试样轴线约成35o — 45o，测出破坏时的载荷
，由=
得到铸铁的强度极限。
图4-1 低碳钢压缩 图4-2 铸铁压缩
图4-3 低碳钢压缩
图 图4-4 铸铁压缩的图
三、实验设备
1.WE300型万能试验机(见附录二)。
2.游标卡尺。
四、实验方法及步骤
1.校正测力盘零点(详见附录二油压式万能试验机说明)，调整好记录仪。
2.用游标卡尺量取试件的横截面直径。
3.将试件放在压板的中心。
4.缓慢均匀地加载荷，注意低碳钢压缩时的屈服载荷，并记下这一载荷
，过屈服后一直压到试样成扁平状．铸铁一直压到破坏为止，记下破坏时的载荷。
五、预习题和思考题
1.本试验的目的是什么?
2.压缩试件为什么做成短柱形?
3.低碳钢和铸铁压缩试验时应记录哪些试验数据?
实验5 扭转实验
李享荣 编写
一、实验目的
1.测定低碳钢的扭转屈服极限和强度极限。
2.测定铸铁的扭转强度极限。
3.观察低碳钢和铸铁的断口情况，并分析其原因。
二、实验设备
1.K—500型扭转机(见附录三)
2.游标卡尺
三、实验原理及装置
1.低碳钢园截面试件扭转时，其尺寸和形式视试验机而定。在弹性范围内，扭矩T 与扭转角
为直线关系(图3-1a)。
当扭矩超过比例极限扭矩
时，曲线变弯并逐渐趋于水平。在屈服阶段时，扭角增加而扭矩不增加，此时的扭矩即为屈服扭矩
。屈服后，圆截面上的剪应力，由边缘向中心将逐步升值到扭转屈服极限
(图3-1b)，即截面材料处于全屈服状态，由此，可以求得材料的剪切屈服极限为：
图5-1a 低碳钢扭转时的
曲线 5-1b 低碳钢扭转时横截面在全屈服下的应力分布
， 其中 
此后，扭转变形继续增加，试件扭矩又继续上升至C点，试件被剪断，记下破坏扭矩
，扭转强度极限
为：
铸铁受扭时，曲线如图3-2所示。从开始受扭，直到破坏，近似为一条直线，故其强度极限可按线弹性应力公式计算如下：
图5-2 铸铁扭转时的曲线 图5-3 铸铁扭转时沿45o 斜截面的应力
材料在纯剪切时，横截面上受到切应力作用，而与杆轴成45o螺旋面上，分别受到拉应力
和压应力
的作用(图3-3)。
低碳钢的抗拉能力大于抗剪能力，故试件沿横面剪断(图3-4a)，而铸铁抗拉能力小于抗剪能力，故沿45o方向拉断(图3-4b)。
图5-4a 低碳钢扭转破坏 图5-4b 铸铁扭转破坏
四、试验步骤：
1.用游标卡尺测量试件直径。
2.根据低碳钢的强度极限估计试件的最大扭矩，确定测力盘读数范围并调整摆锤重量及校正表盘零点，检查自动绘图仪是否正常。
3.将试件装在扭转机二夹头内，并用粉笔在试件轴线方向画一条细线。以观察变形。
4.检查准备妥当后，开始试验。用慢速加速或手摇加载使试件缓慢而均匀地变形。仔细观察测力指针的转动，当测力盘指针几乎不动而扭角继续增加时，说明材料已屈服，记下此时的扭矩T 。过了屈服阶段以后，取下加载摇手柄，开动电机加载，直到试件扭断为止。停车并记下破坏。
实验6 材料弹性常数E、
的测定
刘红欣 编写
一、试验目的
1.在比例极限内验证虎克定律并测定材料的弹性模量E及泊松比μ。
2.初步使用YJ28A-P10R型静态电阻应变仪（见附录四）。
二、试验设备
1.YJ28A-P10R型静态电阻应变仪。
2.电子测力仪。
3.组合试验台。
4.游标卡尺。
三、试验原理及装置
测定材料的弹性常数时，一般采用在比例极限内的拉伸试验。采用矩形截面试件(GB228—76规定选取)，在试件中央部分两侧沿纵向和横向各贴二片电阻应变片（如图5-1），温度补偿片贴在不受力的与试件相同的材料上，一般取两侧读数的平均值作为测量结果。
图6-1 矩形截面试件
为了验证虎克定律和消除测量中的可能产生的误差，本试验采用增量法逐级加载，每增加相同的载荷增量
P，测量相应的纵向应变
及横向应变
。再由两次载荷的纵向应变之差
算出其纵向应变增量
。同理算出其横向应变增量
，其中
、
、
和
分别为应变片R1、R2、R3和R4的应变增量。然后取纵向应变增量的平均值
代人虎克定律计算出弹性模量
，由横向应变增量的平均值
与纵向应变增量的平均值的比值计算出泊松比
，其中试件横截面面积A。=a × b。
在试验前要拟订加载方案。拟订加载方案时根据上述要求，一般考虑以下几点：
1.由于在比例极限内进行试验，故最大应力值不能超过比例极限，碳钢一般取屈服极限的70—80％。
2.初载荷可按屈服载荷的10％来选定。
3.至少应有4—5级加载。
四、试验步骤
1.测量试件尺寸。
2.将工作应变片接在仪器的A、B接线柱上，补偿片接在B，C接线柱上。然后按仪器使用方法将仪器调整好。
3.先加初载荷P。．然后每增加相同载荷△P，记录相应的应变值。
4.重复以上试验三次。
5.请教师检查试验数据。
五、试验结果的处理
1.取几次试验数据最好的一组列表计算，表格形式自拟。
纵向应变平均值 
横向应变平均值 
2.根据载荷计算应力值
为纵坐标,纵向应变值
为横坐标，画出其应力-应变曲线。观察各点是否近似在一直线，以验证虎克定律。
六. 预习与思考
1.根据采用试件尺寸及材料的屈服极限，试拟订加载方案。
2.为什么测E时要加初载荷,并采用增量加载法?
3.为什么测E时要在试件两侧布置应变片?
4.还可采用何种桥路联接形式来进行测量?
5.略述弹性模量E和泊松比的物理意义。
6.试件的尺寸和形式对测定弹性模量有无影响?
实验7 梁的弯曲正应力测定
陈采凤 编写
一、实验目的
1.测定梁纯弯曲时横截面上的正应力大小及分布规律，并与理论值比较，以验证弯曲正应力公式。
2.观察正应力与弯矩的线性关系。
3.了解电测法的基本原理和电阻应变仪的使用方法。
二、实验设备
1.弯曲梁实验装置和贴有电阻应变片的矩形截面钢梁。
2.静态数字电阻应变仪YJ28A-P10R（见附录四）和载荷显示仪。
3.直尺。
三、实验原理及装置
梁纯弯曲时横截面上的正应力公式为σ=
，式中M为作用在横截面上的弯矩，Y为欲求应力点到中性轴Z的距离，Iz为梁横截面对中性轴的惯性矩。本实验采用矩形截面钢梁，实验时将梁的支承及载荷情况布置如图6-1所示，梁的CD段为纯弯曲，在梁的CD段某截面不同高度（四等分点）处贴五片电阻应变片，方向平行梁轴，温度补偿片粘贴梁上不受力处，当纯弯梁受载变形时，利用电阻应变仪测出各应变片的应变值（即梁上各纵向应变值）ε实。由于纵向纤维间不互相挤压，故根据单向应力状态的虎克定律求出应力σ实=Eε实。E为梁所用材料的弹性模量。为了减少测量误差，同时也可以验证正应力与弯矩的线性关系，采用等量加载来测定沿高度分布的各相应点的应变，每增加等量的载荷F，测定各点相应的应变一次，取应变增量的平均值ε实。求出各应力增量σ实=Eε实，并与理论值σ理=
进行比较，其中M=
Fa.，从而验证理论公式的正确性。
图7-1纯弯梁示意图
四、实验步骤
1.将梁放在实验装置的支座上。注意应尽量使梁受平面弯曲，用尺测量力作用点的位置及梁的截面尺寸。
2.在确保梁的最大应力小于材料的比例极限σp前提下，确定加载方案。
3.将梁上各测点的工作应变片逐点连接到应变仪的A、B接线柱上，而温度补偿片接在B、C接线柱上。按电阻应变仪的使用方法，将应变仪调整好。
4.先加载至初载荷，记录此时各点的应变值，然后每次等量增加载荷ΔF，逐次测定各点相应的应变值，直到最终载荷终止。卸载后，注意记录各测点的零点漂移。
5.检查实验数据是否与离开中性轴的距离成正比，是否与载荷成线形关系，结束工作。
五、实验数据处理
1.根据实验记录，将载荷、各测点相应的应变读数及读数增量填写在报告记录表中。
2.计算各测点的应变增量平均值ε实及应力增量平均值σ实，梁的弹性模量E为210 GPa。
3.根据理论公式求出在弯矩增量M=Fa.作用下的应力增量σ理。
4.将不同点的σ实与理论公式求出的σ理分别画在坐标纸上（纵坐标为点的位移，横坐标为应力值）进行比较。
六、思考题
1.你认为实验值与理论值的误差原因有哪些？
2.采用等量加载的目的是什么？
3.弯曲正应力的大小是否会受到弹性模量E的影响，其应变值与弹性模量有关吗？
4.如考虑梁的自重，所得梁上各点的应力是否有变化？
七、预习题
1.什么是半桥温度补偿接法，温度补偿片应粘贴在何处？
2.根据实验目的分析需要记录和测量哪些数据，拟定好实验数据的记录表。
八、注意事项
1.加载荷前要检查梁受载是否在纵向对称面内。
2.应变仪调好后，不要移动和碰、触应变片的连线，以免造成测量误差。
实验9 各向异性材料的单轴拉伸实验
马 杭 编写
工程上使用的大量材料例如木材、纤维增强复合材料的力学性能是与受力方向有关的，即为各向异性材料。各向异性材料的应力应变关系和机械性能与各向同性材料有很大的差别，存在应力应变主轴不重合、拉剪耦合、弹性常数具有方向性等一些新的现象。本实验采用木材试样，观察比较木材在不同方向上机械性能的差异。
一、实验目的
1.通过单轴拉伸实验，观察分析木材在纵向和横向两个方向上的拉伸过程，观察断口，比较其机械性能。
2.测定材料在纵向和横向两个方向上的强度指标。
3.进一步熟悉电子万能材料试验机的使用。
二、实验设备
1.电子万能材料试验机WDW-100A(见附录一)。
2.计算机、打印机。
3.游标卡尺。
三、试样
板状拉伸试样几何形状如图4-1所示，采用两块试样，其拉伸方向分别为木材纤维的纵向和横向，材质为水曲柳。
图9-1 板状拉伸试样简图
四、实验原理
单轴拉伸实验在电子万能材料试验机上进行。在试验过程中，试验机上的载荷传感器和位移传感器分别将感受到的载荷与位移信号转变成电信号送入EDC控制器，信号经过放大和模数转换后送入计算机，并将处理过的数据同步地显示在屏幕上，形成载荷—位移曲线（即曲线），试验数据可以存储和打印。在实验前，应进行载荷传感器和位移传感器的标定（校准）。
根据曲线和试样参数，计算木材纵向和横向的强度指标。根据强度指标、曲线特征并结合断口形貌，分析、评价木材纵向和横向的性能。
五、试验步骤
1.试样原始尺寸测量：
，
，如图4-1所示。
2.初始条件设定（参见附录一：电子式万能材料试验机控制软件使用说明）：（1）首先进行载荷与位移清零，用鼠标点击载荷与位移（绿色）显示区右上方的0.0按纽，使两者的显示值均为零。（2）点击左上方“曲线参数”，根据材料的强度与塑性，选择合适的显示量程，对于纵向拉伸，载荷范围选40 kN，位移范围为30 mm比较合适。附图一右下方为载荷—位移曲线的显示区，其X轴为横梁位移（mm），Y轴为载荷（kN）。（3）点击左上方“试样信息”，输入试样参数。
3.试样装夹：（1）选择“手动操作”，设定较快的横梁移动速度（20mm/min或50mm/min），点击“上升”或“下降”使横梁移动并观察。当横梁到达合适的位置时，点击“停止”使横梁停止移动。（2）将试样的夹持端插入上楔形夹头并旋紧，点击“下降”使试样的另一端插入下楔形夹头，下降时注意对中以免产生碰撞，停机后旋紧下夹头。
注意，试样装夹之后不再进行载荷清零。
4.加载试验：（1）选择“手动操作”，设定试验速度为5mm/min，观察曲线的变化和实验中出现的现象。试样断裂后试验机自动停止加载。
5.试验结束前的重要工作：（1）打印记录曲线，开启打印机电源后，依次点击右上角“分析”（弹出新界面）、“打印”。 点击右上角“保存”，可以将本次试验的信息以文本文件的形式保存起来，文件名的后缀为“.dat”。（2）取下试样，观察断口形貌。（3）对于纵向拉伸，实验结束后试样可能并未完全断开，可以在打印记录曲线之后选择较大的横梁移动速度（例如20mm/min或50mm/min）将试样完全拉断。
六、试验结果整理
1.根据曲线和试样参数，计算木材纵向和横向的强度指标。
2.画出断口形貌简图，根据试验结果，对木材纵向和横向的性能进行计算和分析比较，包含极限强度、曲线初始段斜率（相当弹性模量），计算纵向与横向强度的比值，并进行简要的讨论。
3.独立完成试验报告。