材料力學實驗指導書

1、機械學基礎(chǔ)實驗指導書力學實驗中心11金屬材料的拉伸與壓縮實驗1.1 金屬材料的拉伸實驗拉伸實驗是材料力學實驗中最重要的實驗之一。任何一種材料受力后都要產(chǎn)生變形，變形到一定程度就可能發(fā)生斷裂破壞。材料在受力一一變形斷裂的這一破壞過程中， 不僅有一定的變形能力， 而且對變形和斷裂有 一定的抵抗能力，這些能力稱為材料的力學機械性能。通過拉伸實驗，可以確定材料的許多重要而又最基本的力學機械性能。例如：彈性模量e、比例極限r(nóng)p、上和下屈服強度 reh和&l、強度極限r(nóng)m、延伸率a、收縮率z。 除此而外，通過拉伸實驗的結(jié)果，往往還可以大致判定某種其它機械性能， 如硬度等。我們以兩種材料 一一低碳鋼，鑄鐵做

2、拉伸試驗，以便對于塑性材料和脆 性材料的力學機械性能進行比較。這個實驗是研究材料在靜載和常溫條件下的拉斷過程。利用電子萬能材料試驗機自動繪出的載荷 一一變形圖，及試驗前后試件的尺寸來確定其機械 性能。試件的形式和尺寸對實驗的結(jié)果有很大影響，就是同一材料由于試件的計算長度不同，其延伸率變動的范圍就很大。例如：對45#鋼：當lo=10do時（lo為試件計算長度，do為直徑），延伸率aio =2429%,當 l0=5d0 時，a5 = 2325%。為了能夠準確的比較材料的性質(zhì)，對拉伸試件的尺寸有一定的標準規(guī) 定。按國標 gb/t228-2002、gb/p7314-2005的要求，拉伸試件一般采用下

3、面兩種形式：1. 10倍試件；圓形截面時，l= 10d02. 5倍試件圓形截面時，lo= 5d圖1-1矩形截面時，l=11.3 s0矩形截面時，l0=5.65js0 =514s。nd0試驗前試件計算部分的直徑；s0試驗前試件計算部分斷面面積。此外，試件的表面要求一定的光潔度。光潔度對屈服點有影響。因此,試件表面不應有刻痕、切口、翹曲及淬火裂紋痕跡等。一、實驗目的：1 .研究低碳鋼、鑄鐵的應力 一一應變曲線拉伸圖。2 .確定低碳鋼在拉伸時的機械性能（比例極限r(nóng)p、下屈服強度 rel、強度極限r(nóng)m、延伸率a、斷面收縮率z等）。3 .確定鑄鐵在拉伸時的力學機械性能。二、實驗原理：拉伸實驗是測定材料力

4、學性能最基本的實驗之一。在單向拉伸時f al （力一一變形）曲線的形式代表了不同材料的力學性能，利用:fl0r 二一 so可得到re曲線關(guān)系。三、實驗所用的設備、儀器和工具1、zwick電子萬能材料試驗機一臺2、游標卡尺一支3、記號筆一支4、低碳鋼、鑄鐵試件各一個四、試件尺寸測量1 .量度試件尺寸：1）試驗前在試件兩端及中部選擇三個截面，每個截面用游標卡尺分別相互垂直各測一次直徑，取其三點平均值中的最小值作為試件的直徑do。當?shù)吞间撛嚰瓟嗪螅糜螛丝ǔ咴陬i縮段的最小截面處的互相垂直的兩個 方向各測量一次直徑，取其平均值作為試件斷口處的最小值duo2） 確定計算長度lo在試件中間等粗的細長部分

5、內(nèi)，量取計算長度lo （按10倍或5倍試件確定）。然后用記號筆把計算長度 l0分成若干等分（通常是以5mm或10mm 為一等分）。以便當試件斷裂不在中間時進行換算，從而求得比較正確的延 伸率。建議使用下列表格表 1.1。表1.1拉伸試件原始尺寸數(shù)據(jù)記錄材料標 距l(xiāng)0(mm)直彳至d（mm）楨截 面 面積s0截回iaw ii截面iii12平均12平 均12平 均低碳鋼鑄鐵五、實驗步驟參見1.3中的zwick電子萬能試驗機操作步驟6 .試驗注意事項：隨時注意觀察試件在拉伸過程中的形狀變化和應力應變曲線的變化情況。1）當試件拉伸過程中，當應力一一應變曲線出現(xiàn)平臺時載荷即到達 屈服階段，在試件表面可能

6、出現(xiàn)契爾諾夫滑移線。2）過了屈服階段后，觀察冷作硬化現(xiàn)象。3）當載荷到達最大值（fm）時，曲線開始回落下降，密切注意試件 形狀的變化，此時可看到頸縮現(xiàn)象。4）試件拉斷后，立即停機存盤。打印出所得的拉伸圖，取下試件并 量度此時的斷后標距長度lu （如果試件是斷在計算長度之外的作廢）和頸縮處的最小直徑 du。量度時將試件的兩半接在一起，使其盡量緊貼。7 .試驗結(jié)果整理和計算：1）對拉伸曲線的修正。拉伸曲線得到后，往往在開始處形成如圖1-2中所示的不規(guī)則的曲線。這是由于試驗開始時，握緊器、夾具和試件之間尚未緊密相接。并非完全由于試件變形所致。因此對此曲線要進行修正，即將拉伸圖直線部分往下延長， 它與

7、橫座標相交，交點即為原點。2）根據(jù)拉伸圖，找出相應的 rel, rm。并求出：下屈服點rel= -fesorm =圖1-3強度極限3）計算延伸率:fmsolu - l0a=父100%l0試件拉斷后的殘余變形在整個長度的分布是非均勻的。在頸縮部分大, 而非頸縮部分殘余變形小一些（見圖1-4）。圖1-4圖1-5由此看出，斷在中間時，試件殘余變形最大，延伸率也最大。為了對同一種材料只得出一個相對穩(wěn)定的值，不因斷裂的位置而異，可以將試驗所得到的殘余變形換算成相當于試件在中間斷裂時的標準數(shù)值”此方法叫 斷處移中法”（見圖1-5）。例如在圖1.5中，其延伸率應換算為m 2n l0a = 100%lo其中：

8、m及n的小格數(shù)目依具體情況而選定。 4）斷面收縮率：& - suz=-100%sosu頸縮處的最小面積。5）拉斷時頸縮處的實際應力：/fmr msu1.2金屬材料的壓縮試驗、試驗目的研究和比較塑性材料與脆性材料在室溫下單向壓縮時的力學性能。二、壓縮試件與試驗所用機器、儀器和工具：1、壓縮試件取兩種不同材料的試件 一一低碳鋼和鑄鐵。金屬試件一般采用圓柱形, 其高與直徑之比應為lvlo/d0v2。其它材料的試件一般都采用立方體。2、試驗所用機器、儀器和工具：與拉伸試驗相同，采用壓縮夾具。三、實驗步驟：1、量試件尺寸（長、寬、高、直徑） 。2、把試件放在試驗機上。3、開機動器，進行試驗，一直到試件破

9、壞。4、卸去載荷，取出破壞的試件。5、打印出實驗報告。具體可參見1.3中的zwick電子萬能試驗機操作步驟四、實驗注意事項：1、低碳鋼不能壓到破壞，壓到 45kn時即停止試驗。2、為了能很好地觀察鑄鐵的破壞裂紋，在試驗中，一但發(fā)現(xiàn)載荷值上 升緩慢時，需及時停止加載。五、實驗結(jié)果的整理和計算1 .低碳鋼：低碳鋼為塑性材料，其壓縮圖見圖1-6,開始時遵守胡克定律沿直線上升，比例極限以后變形加快，但無明顯屈服階段。相反地，圖形逐漸向上彎曲。這是因為在過了比例極限后，隨著塑性變形的迅速增長，而試件的橫截面積逐漸增大，因而承受的載荷也隨之增大。從實驗我們知道，低碳鋼試件可以被壓成極簿的平板而一般不破壞。

10、因此，其強度極限一般是不能確定的。我們只能確定的是壓縮的屈服極限應力。rsc=fscso2 .鑄鐵：鑄鐵為脆性材料，其壓縮圖在開始時接近于直線，與縱軸之夾角很小， 以后曲率逐漸增大，最后至破壞，因此只確定其強度極限（見圖1-7）。rm =fbcso圖1-6低碳鋼壓縮圖1-7鑄鐵壓縮鑄鐵試件受壓力作用而縮短，表明有很少的塑性變形的存在。當載荷達到最大值時，試件即破壞，并在其表面上出現(xiàn)了傾斜的裂縫（裂縫一般大致在與橫截面成45。的平面上發(fā)生）鑄鐵受壓后的破壞是突然發(fā)生的，這是脆 性材料的特征。從試驗結(jié)果與以前的拉伸試驗結(jié)果作一比較，可以看出，鑄鐵承受壓縮的能力遠遠大于承受拉伸的能力。 抗壓強度遠遠

11、超過抗拉強度， 這是脆性材 料的一般屬性。1.3電子萬能材料試驗機簡介圖1-8電子萬能材料試驗機電子萬能材料試驗機簡稱電子萬能試驗機，是材料力學性能測試的專用設備，主要用于材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等力學性能試驗。電子萬能 試驗機是機械技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子（計算機）測量、控制及數(shù)據(jù)處理技 術(shù)結(jié)合的新型試驗機。與以往的機械式和液壓式試驗機相比，近年來生產(chǎn)的電子萬能試驗機最突出的特點是利用計算機控制試驗過程，并完成測量數(shù)據(jù)的自動采集和處理。 不同廠家生產(chǎn)的電子萬能試驗機雖然在結(jié)構(gòu)形式、操作界面、使用功能及技術(shù)性能上存在差異，但基本結(jié)構(gòu)和工作原理是類似的， 一般都包括機械加載架、試樣夾持裝置、測

12、量系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)等基本工作單元。常見電子萬能試驗機按照最大載荷 戈u分為 10kn、20 kn、50 kn、100 kn、200 kn、250 kn 等不同的規(guī)格。一、電子萬能材料試驗機的結(jié)構(gòu)與工作原理試驗機主要由機械加載、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等部分組成（如圖 1.9所 示）。加載是通過伺服電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動而使活動橫梁上下移動來實現(xiàn)。在 汽打印機圖1-9電子萬能材料試驗機的結(jié)構(gòu)及工作原理1.立柱2.拉伸夾具3.拉伸試樣4.移動橫梁5.測力傳感器6.壓縮夾具7.彎曲夾具8.下橫梁9.同步齒型傳動帶 10.帶輪11.光電編碼器12.伺服電機13.上橫梁14.滾珠絲杠

13、15.引伸計 16.手控鍵盤17.減速機活動橫梁和工作臺上安裝一對拉伸、壓縮或彎曲卡具，組成了加載空間。伺服控制系統(tǒng)則控制伺服電機在給定速度下勻速轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)不同速度下橫梁移動從而對試件加載。測量系統(tǒng)包括負荷測量、試件變形測量和橫梁位移測量。負荷和變形測 量都是利用電測傳感技術(shù)，通過傳感器將機械信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。負荷傳感器安裝在活動橫梁上， 測量變形的傳感器一般稱作引伸計，并且安裝在試件上。橫梁位移的測量是采用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過安裝在步進電機上的脈沖編碼器將轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號。三路信號均經(jīng)過信號調(diào)理電路變?yōu)闃藴实?信號。通過轉(zhuǎn)換傳給計算機，實施控制和數(shù)據(jù)采集。zwick電子萬能試驗及的工作參

14、數(shù)見表 1、2、3。表1.2試驗機的基本參數(shù)型號成人載何測量空間橫梁速度mm/min位置精度驅(qū)動分辨率z01010kn440*11000.0005-20000.10.027 岬z05050kn440*10000.0005-60000.10.016 岬z100100kn640*5000.0005-2000.10.0206 岬表1.3力傳感器的基本參數(shù)型號測量范圍精度1級精度0.5級500n2n 500n2n 10n10n500n10kn40n10kn40n 200n200n-10kn50kn200n 50kn200n 1000n1kn-50kn100kn400n100kn400n2000n2kn

15、 100kn二、zwick電子萬能試驗機的基本參數(shù)本實驗室主要儀器設備是德國zwick/roell公司生產(chǎn)的6臺電子萬能試驗機，其中在 z010和z100試驗機配有目前國際先進的longstroke （大變形）和macro （小變形）引伸計。該室可執(zhí)行拉伸、壓縮、彎曲剝離、裂紋 擴展等試驗，并能實現(xiàn)循環(huán)加載及材料的松弛、蠕變等試驗，滿足金屬、塑 料、橡膠、紙張、食品、紡織品以及生物力學方面的測試要求。其測試軟件 testxpert ii靈活性強、使用方便，配備強大的數(shù)據(jù)處理和分析功能，以及靈 活的測試報告編輯功能；還具有獨一無二的多媒體測試功能，可以將實驗過程同步拍攝下來，并在試驗結(jié)束后將測試

16、過程和測試曲線同步回放、分析。其主要工作參數(shù)見表 1.2、表1.3、表1.4。表1.4引伸計的基本參數(shù)型號標距范圍（mm）測量范圍（mm）分辨率最大測量厚度longstroke10-10000-1000530mmmacro10-1000-100.330mm三、zwick電子萬能試驗機操作軟件簡介zwick電子式萬能試驗機的控制和數(shù)據(jù)采集處理均可通過其功能強大 的實驗軟件來實現(xiàn)。軟件名稱為testxpertn,可以實現(xiàn)對材料的拉伸、壓縮、彎曲實驗。軟件可實現(xiàn)的功能主要有：設定加載方式（可采用位移加載、恒應變 加載、恒應力加載）；設定實驗機的環(huán)境參數(shù)；選擇測試結(jié)果；編輯、打印 實驗報告等。四、zw

17、ick電子萬能試驗機的操作步驟1 .打開主機及計算機電源2 .靜候數(shù)秒，以待機器系統(tǒng)檢測3 .打開testxpertll測試軟件，選取相應測試程序（金屬材料伸測試.zp2、本科生教學用壓縮測試.zp2）（見圖1-10、圖1-11）4 .按主機“on按鈕，以使主機與程序相連5 .順利后，點擊 起始位置”圖標以使夾具恢復到設定值（見圖 1-11）6 .輸入測量的試樣尺寸（見圖 1-10）7 .擺放試樣于試樣臺，用夾具夾持試樣一端8 .點擊 力清零”圖標，使力值清零（見圖 1-11）9 .用夾具夾持試樣另一端10 .點擊開始”圖標，開始測試（見圖 1-11）11 .測試終止后，取出試樣12 .測量試

18、樣的相關(guān)尺寸，輸入后，點擊 確定”，程序自動計算測試結(jié) 果并作出圖表（見圖1-12）13 .按 起始位置”按鈕，使橫梁自動恢復到初始位置14 .所有測試結(jié)束后，點擊向?qū)А?、測試報告中的參數(shù)”，輸入個人相關(guān)信息（見圖1-13）15 .點擊打印”圖標，打印測試報告（見圖 1-13）16 .保存測試結(jié)果文件，另存為 *.zs2格式的文件（見圖1-14）17 .開始其它試件測試18 .完成實驗后，退出程序19 .清理工作臺，將廢試樣放到廢品箱里1 hktlijiel ii - 0;上工idkq*h* *m r e ltstsdjltasx11、工向廨41工幅i演 ek1本科生數(shù)字用里吧站k解此 gri g g mp白 . 山，a % h |共用g圖 1-111310203j也交附圖 1-10uttiitl*學苴phpna b無停 kffeix /ffwjrfrtftr i ril% i mp自t h-rt spn rt tt i = evi ;kt nxi epn r e ti h$t：501tlit.十 1111ks |._口？，“2r-* mpa學科百題面|過v2. 1央民同距mj99. 983橫攀堆部位豈 m653. 401正虹dffl小限比神 控t糠井zw7ck roell百科f含庭a i討y*試eey0一8.2央奧阿他l-jj 35. 875橫攀空對位第mj