机械学基础实验

指导书

力学实验中心

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R_p、上和下屈服强度R_eH和R_eL、强度极限R_m、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＝10d₀时（L₀为试件计算长度，d₀为直径），延伸率A₁₀＝24~29%，当L₀＝5d₀时，A₅＝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/T228-20##、GB/P7314-2005的要求，拉伸试件一般采用下面两种形式：

图1-1

1.  10倍试件；

圆形截面时，L₀＝10d₀            矩形截面时，L₀＝11.3

2.  5倍试件

圆形截面时，L₀＝5d         矩形截面时, L₀＝5.65=

d₀——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，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R_p、下屈服强度R_eL、强度极限R_m、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：

       

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d_u。

2）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          

五、实验步骤

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L_u（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d_u。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R_eL，R_m。并求出：

下屈服点                                   R_eL＝

强度极限                            R_m＝

3)计算延伸率：

A＝100%

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）。

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%

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%

S_u——颈缩处的最小面积。

5) 拉断时颈缩处的实际应力：

R_m＝

1.2金属材料的压缩试验

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＜L₀/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。

R_sc＝.

2．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）。

R_m＝

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

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

 

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

表1.3  力传感器的基本参数

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

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采集处理均可通过其功能强大的实验软件来实现。软件名称为TestXpertⅡ，可以实现对材料的拉伸、压缩、弯曲实验。

软件可实现的功能主要有：设定加载方式（可采用位移加载、恒应变加载、恒应力加载）；设定实验机的环境参数；选择测试结果；编辑、打印实验报告等。

四、Zwick 电子万能试验机的操作步骤

1.         打开主机及计算机电源

2.          静候数秒，以待机器系统检测

3.          打开TestXpertII测试软件，选取相应测试程序 （金属材料伸测试.ZP2、本科生教学用压缩测试. ZP2）（见图1-10、图1-11）

4.         按主机“ON”按钮，以使主机与程序相连

5.         顺利后，点击“起始位置”图标以使夹具恢复到设定值（见图1-11）

6.         输入测量的试样尺寸（见图1-10）

7.         摆放试样于试样台，用夹具夹持试样一端

8.         点击“力清零”图标，使力值清零（见图1-11）

9.         用夹具夹持试样另一端

10.     点击“开始”图标，开始测试（见图1-11）

11.     测试终止后，取出试样

12.     测量试样的相关尺寸，输入后，点击“确定”，程序自动计算测试结果并作出图表（见图1-12）

13.     按“起始位置”按钮，使横梁自动恢复到初始位置

14.     所有测试结束后，点击“向导”、“测试报告中的参数”，输入个人相关信息（见图1-13）

15.     点击“打印”图标，打印测试报告（见图1-13）

16.     保存测试结果文件，另存为*.ZS2格式的文件（见图1-14）

17.     开始其它试件测试

18.     完成实验后，退出程序

19.     清理工作台，将废试样放到废品箱里

图1-10

图1-11

图1-12

图1-13

图1-14

1.4思考题：

一、试验结果比较

1、比较低碳钢与铸铁试件拉伸与压缩图的差异。

2、比较低碳钢与铸铁试件在拉伸与压缩时的力学性能。

3、比较低碳钢与铸铁试件在拉伸与压缩破坏时形状。

4、比较铸铁试件在拉伸与压缩时的强度。

二、思考题：

1、低碳钢和铸铁在拉伸实验中的性能和特点有什么不同？

2、低碳钢在拉伸过中可分为几个阶段，各阶段有何特征？

3、何谓“冷作硬化”现象？此现象在工程中如何运用。

4、分析低碳钢与铸铁试件在压缩过程中及破坏后有哪些区别？

5、为什么低碳钢压缩时测不出强度极限？

6、铸铁压缩时沿大约45^o斜截面破坏，拉伸时沿横截面破坏，这种现象说明了什么？

7、名义应力——应变曲线的定义是什么？如何得到真实的应力——应变曲线？

8、讨论环境条件（温度、加载速率、受力状态）对屈服强度有何影响？

第二篇：1材料力学实验指导书1

材料力学实验指导书

（第一部分）

材料的力学

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5学时，包括：轴向拉伸实验、轴向压缩实验、低碳钢拉伸弹性模量E的测定、扭转实验、低碳钢剪切弹性模量G的测定。

§1－1  轴向拉伸实验

一、实验目的

1、  测定低碳钢的屈服强度（）、抗拉强度（）、断后伸长率A_11.3（₁₀）和断面收缩率Z（）。

2、  测定铸铁的抗拉强度（）。

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、  电液伺服万能试验机（自行改造）。

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L₀十等分，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与原始横截面积的关系满足。比例系数取5.65时称为短比例试样，取11.3时称为长比例试样，国际上使用的比例系数取5.65。非比例试样与无关。

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。

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S₀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Ｌ_O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

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σ_S，σ_S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σ_S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σ_b。对低碳钢来说σ_b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、和铸铁的。

（1）原始横截面面积（S₀）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S₀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（、）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S₀得低碳钢的屈服强度和抗拉强度；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S₀得铸铁抗拉强度；

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L₀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S₀－S_u与原始横截面面积S₀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－L₀与原始标距L₀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，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L₀为的试样断后伸长率。

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L₀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。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，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。

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，详细操作要求见电液伺服万能试验机使用说明。

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，根据电液伺服万能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。

六、思考题

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σ_s。

2、测定铸铁压缩时的抗压强度σ_by。

3、比较低碳钢和铸铁在压缩时的变形规律和破坏现象，并进行比较。

二、设备及试样

1、电液伺服万能试验机（自行改造）。

2、游标卡尺。

3、低碳钢、铸铁圆形横截面短试样各一枚。

注：材料压缩短试样试样标距段原始高度h₀和标距段原始直径d₀ 的比值通常规定为：1≤h₀/ d₀≤3。而长试样通常用于拉伸试验。

三、实验原理及方法

当试样承受压缩时，其上下端面与试验机垫板之间产生很大的摩擦力，如下图，这些摩擦力阻碍试样上部和下部的横向变形，使其抗压能力有所提高，故试验时试样两端面应涂以润滑剂以减小摩擦力的影响。另外，当h₀/ d₀增大时，摩擦力的影响也会减少，因此试样的抗压能力将随比值h₀/ d₀的增大而略有降低。由此可见，只有在相同的试验条件下，才能对不同材料的压缩性能进行比较。

施加载荷时，要求其合力作用线与试样轴线一致，为此试样两端面必须平行且与轴线垂直；同时，在试验机下垫板底部有球形承垫，见上图。当试样两端面稍有不平行时，会自动调整下垫板平面的方位，使接触面载荷均匀分布。

    低碳钢压缩试验中，屈服现象不及拉伸时那样明显，从F—Δl曲线读下屈服载荷F_s，由此可求得屈服极限。此后由于材料良好的塑性，使其压成饼状而不致破坏，故低碳钢不存在压缩强度极限。

    铸铁压缩试验则在出现较大（相对于拉伸而言）的塑性变形后发生破坏，其裂纹方向与

轴线约成45⁰角，此时的载荷即为最大载荷F_by，由此可算得压缩强度极限。

四、实验步骤

1、测量试样的原始尺寸。

2、安装试样并保持上下对中。

3、根据试样的负荷和变形水平，按试验机操作软件设定试验的详细步骤加载试验。

4、观察试样变形和破坏特征。

五、实验数据及处理要求（同轴向拉伸实验）

六、思考题

1、说明铸铁压缩破坏原因？

2、总结低碳钢、铸铁的拉伸、压缩力学性能。

§1－3  低碳钢拉伸弹性模量E的测定

一、实验目的

1、测定低碳钢拉伸时的弹性模量E。

2、了解引伸仪的原理和球铰式引伸仪的使用。

二、设备及试样

1、小型测E台。

2、球铰式引伸仪。

3、φ8mm低碳钢拉伸比例长试样一根。

三、实验原理及方法

弹性模量E是材料在单向应力状态，应力低于比例极限时应力与应变的比值，即

。试样轴向拉伸时，上式也可写成（F为轴向载荷，A为横截面面积，ΔL为长L₀的一段试样的总变形）。所以在材料的比例极限内，对试样施加轴向拉伸载荷F，并测量长L₀的一段试样的总变形ΔL，即可求得弹性模量E。

因为试样在比例极限内变形很小，测量需要高放大倍数的引伸仪。为减少测量误差，试验采用等增量法加载，即把载荷分成若干相等的加载等级ΔF，逐级加载。

本实验设置一个较小的初载砝码，然后分四级等量加载。测量长L₀的一段试样在等量ΔF加载时的各级变形增加量（δ_ΔL）_i。若各级（δ_ΔL）_i 基本相等，就表明ΔL与F成线性关系，符合虎克定律。

实验完成一次加载过程，将得到F_i和ΔL_i的一组数据。用弹性模量平均法求得：

  （i=1、2、3、4…）

四、实验注意事项

1、球铰引伸仪是精密仪器，使用时用上、下两对顶尖固定在试样上。实验前，安装已由指导老师完成。学生使用时，不允许自行拆装，以免造成引伸仪脱落而损坏。

2、由于一堂实验课每台装置需要重复使用二、三十次，所以学生实验时，不要自行转动千分表的刻度盘。刻度盘指针不对零，并不影响测量结果，实验时不用调零。

3、使用前应检查球铰引伸仪的千分表小指针是否有大于2的初始值，否则联系指导老师作调整。学生不要自行调整，以免损坏引伸仪。

4、砝码加、卸时应轻拿轻放，避免引起千分表指针的摆动，增大测量误差。加载时砝码与砝码托盘、砝码与砝码之间应对齐并套合凹凸面，防止砝码脱落造成安全隐患。

5、因为千分表装在下标距叉一侧，试样伸长时，触头向下移动，千分表大指针会逆时针转动，所以千分表应记读“红字”刻度值，记读时估读一位小数。

6、完成一次四级等量加载并记录各级载荷相应的千分表读数后应及时卸下所有砝码，避免砝码碰落造成安全隐患。

五、实验步骤

1、查看引伸仪安装是否可靠，千分表是否有预压量（小指针是否有大于2的初始值）。如不满足，告知指导老师，由指导老师进行调整。

2、加最小的初载砝码，记录千分表大指针读数，然后逐个加等量砝码，逐级记读，完成四级等量加载，并记录各级千分表读数后即刻卸下所有砝码。

3、计算千分表的各级读数增量。当试样轴向拉伸，材料在比例极限内时，若增加的砝码重量相同，理论上其相应的位移增加量也应相同，如误差较大，应检查原因。

4、重复上述“2、”“3、”过程二到三次。

5、设备复原。

六、实验数据处理要求

用弹性模量平均法测定E，弹性模量取3位有效数字，横截面面积取4位有效数字。

七、思考题

1、试样的截面形状和尺寸对测量弹性模量有无影响。

2、测定E时为何要加初载？采用分级加载的目的是什么？

§1－4  扭转实验

一、实验目的

1、测定低碳钢的剪切屈服点τ_s，抗扭强度τ_b。

2、测定铸铁的抗扭强度τ_b。

3、比较低碳钢和铸铁在扭转时的变形和破坏特征。

二、设备及试样

1、伺服电机控制扭转试验机（自行改造）。

2、0.02mm游标卡尺。

3、低碳钢φ10圆试件一根，画有两圈圆周线和一根轴向线。

4、铸铁φ10圆试件一根。

三、实验原理及方法

塑性材料试样安装在伺服电机驱动的扭转试验机上，以6-10º/min的主动夹头旋转速度对试样施加扭力矩，在计算机的显示屏上即可得到扭转曲线（扭矩-夹头转角图线），如下图为低碳钢的部分扭转曲线。试样变形先是弹性性的，在弹性阶段，扭矩与扭转角成线性关系。

弹性变形到一定程度试样会出现屈服。扭转曲线扭矩首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩T_su；屈服段中最小扭矩为下屈服扭矩T_sl，通常把下屈服扭矩对应的应力值作为材料的屈服极限τ_s，即：τ_s=τ_sl= T_sl/W。当试样扭断时，得到最大扭矩T_b，则其抗扭强度为τ_b= T_b/W

式中W为抗扭截面模量，对实心圆截面有

W=πd₀³/16。

铸铁为脆性材料，无屈服现象，扭矩-夹头转角图线如左图，故当其扭转试样破断时，测得最大扭矩T_b，则其抗扭强度为：τ_b= T_b/W

四、实验步骤

1、测量试样原始尺寸  分别在标距两端及中部三个位置上测量的直径，用最小直径计算抗扭截面模量。

2、安装试样并保持试样轴线与扭转试验机转动中心一致。

3、低碳钢扭转破坏试验，观察线弹性阶段、屈服阶段的力学现象，记录上、下屈服点扭矩值，试样扭断后，记录最大扭矩值，观察断口特征。

4、铸铁扭转破坏试验，试样扭断后，记录最大扭矩值，观察断口特征。

五、实验数据处理

1、试样直径的测量与测量工具的精度一致。

2、抗扭截面模量取4位有效数字。

3、力学性能指标数值的修约要求同拉伸实验。

六、思考题

1、低碳钢扭转时圆周线和轴向线如何变化？与扭转平面假设是否相符？

2、如用木材或竹材制成纤维平行于轴线的圆截面试样，受扭时它们将按怎样的方式破坏？

3、根据低碳钢和铸铁的破口特征，分析两种材料扭转破坏的原因？

4、  比较低碳钢拉伸和扭转实验，从进入塑性变形阶段到破坏的全过程，两者变形有何明显的区别？

§1－5  低碳钢剪切弹性模量G的测定

一、实验目的

1、测定低碳钢扭转时的剪切弹性模量G。

2、了解扭角仪的原理。

二、设备及试样

1、小型测G台。

2、扭角仪。

3、φ10mm低碳钢扭转试样一根。

三、实验原理及方法

剪切弹性模量G是材料在纯剪切应力状态，应力低于比例极限时切应力与切应变的比值，即τ＝G（G＝）。试样扭转时，上式也可写成（式中M_e为扭力偶、I_p为圆形横截面对圆心的极惯性矩，对实心圆截面有I_p=πd₀⁴/32、Φ为试样距离为L₀的两横截面的相对扭转角）。所以在材料的比例极限内，对试样施加扭力偶M_e，并测量距离为L₀的两横截面的相对扭转角φ，即可求得弹性模量G。

为减少测量误差，试验采用等增量法加载，即把载荷分成若干相等的加载等级ΔM_e，逐级加载。

本实验未设初始载荷，分四级等量加载。测量距离为L₀的两横截面A、B的相对扭转角在等量ΔM_e加载时的各级扭转角增量（ΔΦ）_i。若各级（ΔΦ）_i基本相等，就表明Φ与M_e成线性关系，符合虎克定律。

实验完成一次加载过程，将得到（M_e）_i和Φ_i的一组数据。用弹性模量平均法求得：

  （i=1、2、3、4…）

四、实验注意事项

1、本实验时，扭角仪（包括百分表）已安装在低碳钢扭转试样上。为避免扭角仪脱落造成损坏，同学操作时应尽量小心。

2、百分表也属精密仪表，为避免损坏，测量前不要转动刻度盘，此时若指针不对零，记录初始读数即可。百分表读数时，应估读一位小数。

3、砝码加、卸时应轻拿轻放，避免引起百分表指针的摆动，增大测量误差。

4、完成一次四级等量加载并记录各级千分表读数后马上卸下所有砝码，避免砝码碰落造成安全隐患。

五、实验步骤

1、查看扭角仪安装是否可靠，百分表是否有预压量（小指针应在量程的1/4左右）。如不满足，告知指导老师，由指导老师进行调整。

2、加载记读百分表读数，先记录百分表初始读数，然后逐个加载，逐级记读，完成四级等量加载，并记录各级百分表读数后即刻卸下所有砝码。

3、计算百分表的各级读数增量。若增加的砝码重量相同，理论上其相应的扭转角增加量也应相同，如误差较大，应检查原因。

4、重复上述“2、”“3、”过程二到三次。

5、设备复原。

六、实验数据处理

用弹性模量平均法测定G，剪切弹性模量取3位有效数字，极惯性矩取4位有效数字。