拉伸與壓縮實驗

1、材料力學實驗指導書§1 拉伸實驗指導書1、概述常溫、靜載作用下（應變速率10-1）的軸向拉伸實驗是測量材料力學性能中最基本、應用最廣泛的實驗。通過拉伸實驗，可以全面地測定材料的力學性能，如彈性、塑性、強度、斷裂等力學性能指標。這些性能指標對材料力學的分析計算、工程設計、選擇材料和新材料開發(fā)都有極其重要的作用。2、實驗目的2.1 測定低碳鋼的下列性能指標：兩個強度指標：流動極限、強度極限；兩個塑性指標：斷后伸長率、斷面收縮率；測定鑄鐵的強度極限。2.2觀察上述兩種材料在拉伸過程的各種實驗現(xiàn)象，并繪制拉伸實驗的F曲線。2.3分析比較低碳鋼（典型塑性材料）和鑄鐵（典型脆性材料）的力學性能特

2、點與試樣破壞特征。2.4了解實驗設備的構(gòu)造和工作原理，掌握其使用方法。2.5了解名義應力應變曲線與真實應力應變曲線的區(qū)別，并估算試件斷裂時的應力。3、實驗原理圖1.1常用拉伸試件形狀圖1.2 低碳鋼拉伸曲線 圖1.3 鑄鐵拉伸曲線Fp-比例伸長荷載；Fe-彈性伸長荷載；Fsu-上屈服荷載； Fb-極限荷載Fsl-下屈服荷載；Fb-極限荷載；Fk-斷裂荷載對一確定形狀試件兩端施加軸向拉力，使有效部分為單軸拉伸狀態(tài)，直至試件拉斷，在實驗過程中通過測量試件所受荷載及變形的關(guān)系曲線并觀察試件的破壞特征，依據(jù)一定的計算及判定準則，可以得到反映材料拉伸試驗的力學指標，并以此指標來判定材料的性質(zhì)。為便于比較

3、，選用直徑為10mm的典型的塑性材料低碳鋼Q235及典型的脆性材料灰鑄鐵HT200標準試件進行對比實驗。常用的試件形狀如圖1.1所示，實驗前在試件標距范圍內(nèi)有均勻的等分線。典型的低碳鋼(Q235)的曲線和灰口鑄鐵（HT200）的曲線如圖1.2、圖1.3所示。低碳鋼Q235試件的斷口形狀如圖1.4所示，鑄鐵 圖1.5 鑄鐵HT200試件拉伸實驗斷口形式HT200試件的斷口形狀如圖1.5所示， 圖1.4 低碳鋼Q235試件拉伸實驗斷口形式觀察低碳鋼的曲線，并結(jié)合受力過程中試件的變形，可明顯地將其分為四個階段：彈性階段、屈服階段、強化階段、局部變形階段。(1)彈性階段OE 在OP階段中的拉力和伸長成

4、正比關(guān)系，表明低碳鋼的應力與應變?yōu)榫€性關(guān)系，遵循胡克定律。故P點的應力稱為材料的比例極限,如圖1.2所示。若當應力繼續(xù)增加達到材料彈性極限E點時，應力和應變間的關(guān)系不再是線性關(guān)系，但變形仍然是彈性的，即卸除拉力后變形恢復。工程上對彈性極限和比例極限并不嚴格區(qū)分，而統(tǒng)稱為彈性極限，它是控制材料在彈性變形范圍內(nèi)工作的有效指標，在工程上有實用價值。 (2)屈服階段ES 當拉力超過彈性極限到達鋸齒狀曲線時，拉力不再增加或開始回轉(zhuǎn)并震蕩，這時在試樣表面上可看到表面晶體滑移的跡線。這種現(xiàn)象表明在試件承受的拉力不繼續(xù)增加或稍微減少的情況下試件繼續(xù)伸長，稱為材料的屈服，其應力稱為屈服強度(流動極限)。拉力首次

5、回轉(zhuǎn)前的最大力(上屈服力)及不計初始瞬時效應(即不計載荷首次下降的最低點)時的最小力 (下屈服力)所對應的應力為上、下屈服強度。由于上屈服強度受變形速度及試件形式等因素的影響有一定波動，而下屈服強度則比較穩(wěn)定，故工程中一般只測定下屈服強度。其計算公式為： 。屈服應力是設計材料許用應力的一個重要指標。 (3)強化階段SB過了屈服階段以后，試件材料因塑性變形其內(nèi)部晶體組織結(jié)構(gòu)重新得到了調(diào)整，其抵抗變形的能力有所增強，隨著拉力的增加，伸長變形也隨之增加，拉伸曲線繼續(xù)上升。SB曲線段稱為強化階段，隨著塑性變形量的增大，材料的力學性能發(fā)生變化，即材料的變形抗力提高，塑性變差，這個階段稱為強化階段。當拉力

6、增加，拉伸曲線到達頂點時，曲線開始返回，而曲線頂點所指的最大拉力為，由此求得的材料的抗拉強度極限為 ，它也是衡量材料強度的一個重要指標。實際上由于試件在整個受力過程中截面面積不斷發(fā)生變化，按公式得到抗拉強度極限為名義值，并非為荷載為最大值時的真實應力，也非整個拉伸過程中的最大應力，從拉伸實驗的曲線可以看出，試件并非在最大荷載時斷裂。試件在拉過最大荷載后，仍有確定的承載力，低碳鋼拉伸的過程中試件的應變持續(xù)增加，而應變是由應力引起的，低碳鋼拉伸的過程同樣也是一個應力持續(xù)增加的過程，試件的最大應力應為試件斷裂時的應力。雖然，按公式得到抗拉強度極限為名義值，但這種計算辦法有利于工程設計，有著普遍的工程

7、意義。 (4)頸縮和斷裂階段BK對于塑性材料來說，在承受拉力以前，試樣發(fā)生的變形各處基本上是均勻的。但在達到以后，變形主要集中于試件的某一局部區(qū)域，該處橫截面面積急劇減小，這種現(xiàn)象即是“頸縮”現(xiàn)象，此時拉力隨之下降，直至試件被拉斷，其斷口形狀成杯錐狀。試件拉斷后，彈性變形消失，而塑性變形則保留在拉斷的試件上。利用試件標距內(nèi)的塑性變形及試件斷裂時的荷載來計算材料的斷裂伸長率、斷面收縮率及斷裂應力的估算值。斷裂伸長率： 式中，-延伸率，-原始標距，-斷后標距。斷面收縮率 ：式中，-延伸率，-原始截面面積，-斷后最小截面面積。斷裂應力估算值 ：式中，-斷裂應力估算值，-斷裂荷載，-斷裂處最小截面面積

8、。由延伸率的定義可以看出，為標距長度范圍內(nèi)延伸的均值，實際上由于試件的頸縮導致試件在標距范圍內(nèi)的變形并不均勻，若事先在試件表面做等長的標記，將試件分成等長的多段小標距，斷裂后會發(fā)現(xiàn)，小標距離頸縮點越近變形越大，離頸縮點越遠變形越小，且呈對稱分布，最終趨于變形均勻。這樣同樣材質(zhì)、同樣直徑的試件采用不同的標距進行計算時會有不同的，為了使材料拉伸實驗的結(jié)果具有可比性與符合性，國家已制訂統(tǒng)一標準(簡稱國標)GB639786金屬拉伸試驗試樣、GB22887金屬拉伸試驗方法。規(guī)定拉伸試件分為比例和定標距兩種，表面分為經(jīng)機加工試祥和不經(jīng)機加工的全截面試件，通常多采用經(jīng)機加工的圓形截面試件或矩形截面試件比例試

9、樣標距按公式確定，式中為試件的截面面積，系數(shù)通常為5.65或11.3，前者稱為短試件，后者為長試件。對于直徑為10mm的試件而言，短、長試件的標距應分等于50mm及100mm,即或，對應的延伸率分別定義為和。通常，延伸率小的材料多采用短標距試件，延伸率大的材料多采用長標距試件。同樣由于低碳鋼試件頸縮變形的不均勻性和梯次遞減的特性，同樣的試件，當斷口在中間時和斷口在靠近邊緣時會有一定的差異，這樣不利于數(shù)據(jù)的相互比較，為減小由于斷口位置導致的誤差，GB22887規(guī)定：若斷口距標距端點的距離小于或等于L0/3時，則需要用“移位法”來計算LK。其方法是：以斷點為中心，利用長段上相對應的變形格的長度加到

10、短段已有的變形格上，使短段的計算變形格數(shù)為N/2或N/2-1個（N為原始有效標距的個數(shù)），加上長段的N/2或N/2+1個格數(shù)的長度，就為斷裂后的計算長度LK。其原理如圖1.6：金屬材料塑性斷裂變形示意圖圖1.6金屬材料塑性斷裂變形示意圖在上圖中，假定斷口在試件的中間，則有L1L1，L2L2，L3L3， L1L2L3。這樣通過移位處理就可以減小由于試件斷裂位置不同引起的誤差。圖1.7為金屬材料移位處理示意圖 圖1.7 位法處理示例從上圖可以看出：不進行移位處理時LK=LAD+ LDB，進行移位處理后LK=LAD+ LCD，由于試件斷裂的不均勻性可知：LCDLDB，因此經(jīng)移位處理后的LK大于未移位

11、處理的LK，且其更接近于斷點在試件中間的情形，這樣有利于提高實驗結(jié)果的相符性及可比性。 通過斷裂應力估算值的計算，并將其與名義拉伸強度相比較，可以明顯地看出，由于公式中，為斷裂后的測量值，且試件頸縮過程中有一定的應力分布不均勻現(xiàn)象，所以，為估算值，但其較接近真值。 這樣通過對低碳鋼拉伸實驗過程中曲線的分析就可以得到反映低碳鋼抵抗拉伸荷載的力學性能指標：屈服強度：，抗拉強度：，延伸率：/，斷面收縮率：，斷裂應力：。同樣通過對鑄鐵試件曲線的分析就可以得到反映鑄鐵抵抗拉伸荷載的相應力學性能指標，對于典型的脆性材料鑄鐵，觀察其曲線可發(fā)現(xiàn)在整個拉伸過程中變形很小，無明顯的彈性階段、屈服階段、強化階段、局

12、部變形階段，在達到最大拉力時，試樣斷裂。觀察實驗現(xiàn)象可發(fā)現(xiàn)無屈服、頸縮現(xiàn)象，其斷口是平齊粗糙的，屬脆性破壞但由于鑄鐵在拉伸實驗過程中沒有表現(xiàn)出塑性指標，所以，在拉伸實驗過程中只能測得其抗拉強度：。4、實驗方案4.1實驗設備、測量工具及試件圖1.8 YDD-1型多功能材料力學試驗機YDD-1型多功能材料力學試驗機（圖1.8）、150mm游標卡尺、標準低碳鋼、鑄鐵拉伸試件（圖1.1）。YDD-1型多功能材料力學試驗機由試驗機主機部分和數(shù)據(jù)采集分析兩部分組成，主機部分由加載機構(gòu)及相應的傳感器組成，數(shù)據(jù)采集部分完成數(shù)據(jù)的采集、分析等。圖1.9 安裝好的拉伸試件試件采用標準圓柱體短試件，為方便觀測試件的

13、變形及判定延伸率，試驗前需用游標卡尺測量出試件的最小直徑，并根據(jù)試件的最小直徑（）確定標距的長度（,需進行必要的修約），并在標距長度內(nèi)均勻制作標記，為方便數(shù)據(jù)處理，通常將標距長度10等份刻痕。常用的標記方式有：機械刻痕、腐蝕刻痕、激光刻痕等。圖1.1為已進行刻痕處理的低碳鋼拉伸短試件。4.2 裝夾、加載方案安裝好的試件如圖1.9所示。實驗時，裝有夾頭的試件通過夾頭與試驗機的上、下夾頭相聯(lián)接，上夾頭通過鉸拉桿與試驗機的上橫梁呈鉸接狀態(tài)，實驗時，當油缸下行帶動下夾頭向下移動并與夾頭相接觸時，試件便受到軸向拉力。加載過程中通過控制進油手輪的旋轉(zhuǎn)來控制加載速度。4.3 數(shù)據(jù)測試方案圖1.11 實測鑄鐵

14、拉伸實驗曲線試件所受到的拉力通過安裝在油缸底部的拉、壓力傳感器測量，變形通過安裝在油缸活塞桿內(nèi)的位移傳感器測量。4.4 數(shù)據(jù)的分析處理數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，實時記錄試件所受的力及變形，并生成力、變形實時曲線及力、變形X-Y曲線，圖1.10為實測低碳鋼拉伸實驗曲線，圖1.11為實測鑄鐵拉伸實驗曲線圖1.10 實測低碳鋼拉伸實驗曲線在圖1.10中左窗口，力、變形實時曲線，上部曲線為試件所受的力，下部曲線為試件的變形。右窗口，力、變形的X-Y曲線，從力變形的X-Y曲線可以清晰地區(qū)分低碳鋼拉伸的四個階段：彈性階段、屈服階段、強化階段和頸縮斷裂階段。在左窗口中，通過移動光標可以方便地讀取所需要的數(shù)據(jù)，屈服荷

15、載、極限荷載、斷裂荷載。實驗中需要的其它數(shù)據(jù)，原始標距斷裂后的長度、斷裂處最小截面面積，依據(jù)實驗要求由游標卡尺直接或間接測量。在圖1.11中，透過移動光標可得到鑄鐵拉伸的極限荷載，通過峰值光標或利用統(tǒng)計功能可方便得到極限荷載。得到相關(guān)數(shù)據(jù)后，依據(jù)實驗原理，就可以得到所需要的力學指標。5、完成實驗預習報告 在了解實驗原理、實驗方案及實驗設備操作后，就應該完成實驗預習報告。實驗預習報告包括：明確相關(guān)概念、預估試件的最大載荷、明確操作步驟等，在完成預習報告時，有些條件實驗指導書已給出（包括后續(xù)的試驗操作步驟簡介）、有些條件為已知條件、有些條件則需要查找相關(guān)標準或參考資料。通過預習報告的完成，將有利于

16、正確理解及順利完成實驗。有條件的同學可以利用多媒體教學課件，分析以往的實驗數(shù)據(jù)、觀看實驗過程等。 完成實驗預習報告，并獲得輔導教師的認可，是進行正式實驗操作的先決條件。6、實驗操作步驟簡介6.1試件原始參數(shù)的測量及標距的確定實驗采用標準短試件，試件形狀見圖1.6，用游標卡尺在標距長度的中央和兩端的截面處，按兩個垂直的方向測量直徑，取其算術(shù)平均值，選用三處截面中最小值進行計算。依據(jù)測得的直徑確定標距長度（）并修約到最接近的5mm的倍數(shù)的長度，并在原始標距長度L0范圍內(nèi)標記十等分格用于測量試件破壞后的伸長率。圖1.12試件裝夾示意6.2裝夾試件旋轉(zhuǎn)上夾頭使之與上橫梁為鉸接狀態(tài)（夾頭可以靈活晃動）。

17、用M6的內(nèi)六角扳手先后插入上下夾頭一側(cè)的鎖孔內(nèi)，逆時針旋轉(zhuǎn)打開閉合的夾片。圖1.12為試件裝夾示意圖。將試件插入到上夾頭內(nèi)，當試件夾持部分剛好遮住夾頭觀察孔時，順時針旋轉(zhuǎn)內(nèi)六角扳手，夾緊試件。調(diào)整試驗機下夾頭的位置，操作步驟：關(guān)閉“進油手輪”，打開“調(diào)壓手輪”，選擇“油泵啟動”，“油缸上行”，打開“進油手輪”，下夾頭上行，此時嚴禁將手放在上、下夾頭的任何位置，當試件下部夾持部分沒入下夾頭兩夾片之間時，關(guān)閉“進油手輪”，順時針旋轉(zhuǎn)內(nèi)六角扳手，夾緊試件，試件裝夾完畢。6.3連接測試線路按要求聯(lián)接測試線路，1CH選擇測力，3CH道選擇測位移。聯(lián)線時應注意不同類型傳感器的測量方式及接線方式。聯(lián)線方式應

18、與傳感器的工作方式相對應。6.4設置數(shù)據(jù)采集環(huán)境進入測試環(huán)境 按要求聯(lián)接測試線路，確認無誤后，打開儀器電源及計算機電源，雙擊桌面上的快捷圖標，提示檢測到采集設備確定進入如圖1.13所示的測試環(huán)境。設置測試參數(shù)測試參數(shù)是聯(lián)系被測物理量與實測電信號的紐帶，設置正確合理的測試參數(shù)是得到正確數(shù)據(jù)的前提。測試參數(shù)由系統(tǒng)參數(shù)、通道參數(shù)及窗口參數(shù)三部分組成。其中，系統(tǒng)參數(shù)包括測試方式、采樣頻率、報警參數(shù)及實時壓縮時間等；通道參數(shù)反映被測工程量與實測電信號之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，由測量內(nèi)容、轉(zhuǎn)換因子及滿度值等組成；窗口是指為了在實驗中顯示及實驗完成后分析數(shù)據(jù)而設置的曲線窗口，曲線分為實時曲線及X-Y函數(shù)曲線兩種。檢測

19、到儀器后，系統(tǒng)將自動給出上一次實驗的測試環(huán)境。圖1.13 數(shù)據(jù)采集分析環(huán)境第一項、通道參數(shù)通道參數(shù)位于采集環(huán)境的底部，反映被測工程量與實測電信號之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，由通道號、測量內(nèi)容、工程單位、轉(zhuǎn)換因子及滿度值組成。通道號：與測試分析系統(tǒng)的通道一一對應。一般選擇1通道測量試件所受的荷載，3通道測量試件的變形（位移）。測量內(nèi)容：由被測電信號的類型決定，由數(shù)據(jù)采集內(nèi)（電壓測量）、應力應變、脈沖計數(shù)等組成。由于，荷載、位移通道所測信號均為傳感器輸出的電壓信號，故均選擇：數(shù)據(jù)采集內(nèi)（電壓測量）。工程單位：被測物理量的工程單位。荷載-kN，變形-mm。轉(zhuǎn)換因子：轉(zhuǎn)換因子由a、b、c三個系數(shù)組成，其與被測物理

20、量（Y）及傳感器輸出的電壓（X，單位 mV）有如下的關(guān)系： Y = aX2 + bX + c需要說明的是：由于試驗機所采用的傳感器類型并不相同，及同一類型的傳感器個體之間存在差異，不同試驗機的轉(zhuǎn)換因子并不相同。如當通過拉、壓力傳感器直接測量試件所受的荷載時，只需選擇修正比例系數(shù)b即可，且拉、壓實驗具有相同的系數(shù)；而當通過測量油缸油壓間接測量試件的荷載時，由于油缸活塞桿運行時的摩擦力、及油缸拉壓面積的不等，需要選擇b、c兩個系數(shù)，且拉、壓時，兩個系數(shù)各不相同。因此，在輸入相關(guān)系數(shù)時，一定要確保數(shù)據(jù)的正確性。滿度值：即通道的量程，每一通道均有不同的量程，需選擇與被測信號相匹配的量程。荷載通道的量程

21、為2.5/10mV，變形通道的量程為5000mV。需要注意的是，滿度值通常顯示工程單位的滿度值，即滿度值受修正系數(shù)的影響。第二項、采樣參數(shù)“采樣參數(shù)”存放在菜單欄中的“設置”下拉菜單中，包括測試方式、采樣頻率及實時壓縮時間等。單擊“設置”，選擇采樣參數(shù)。其中測試方式包括拉壓測試和扭轉(zhuǎn)測試兩種方式，拉壓測試方式采用定時采樣的方式，采樣頻率即為其記錄數(shù)據(jù)的頻率；扭轉(zhuǎn)測試是以脈沖觸發(fā)的方式記錄數(shù)據(jù)，采樣頻率為其判斷脈沖有無的頻率。拉伸實驗時，將采樣參數(shù)設置成如右圖參數(shù)：采樣頻率：“20-100Hz”，“拉壓測試”。第三項、窗口參數(shù)窗口是指為了在實驗中顯示及實驗完成后分析數(shù)據(jù)而設置的曲線窗口，位于整個

22、數(shù)據(jù)采集分析環(huán)境的中部，曲線分為實時曲線及X-Y函數(shù)曲線兩種，每個實時曲線窗口可顯示四條實時曲線，每個X-Y函數(shù)曲線窗口可顯示兩條X-Y函數(shù)曲線。在拉伸實驗中主要應用X-Y函數(shù)曲線窗口及實時曲線窗口，X-Y函數(shù)曲線窗口用以觀測試件所受力與變形的關(guān)系，即關(guān)系曲線，實時曲線窗口以時間為橫坐標，實時顯示1024個數(shù)據(jù)。窗口參數(shù)的設置包括窗口的新建、關(guān)閉、排列、繪圖方式、圖例、曲線顏色、文字顏色、統(tǒng)計信息、坐標等，各參數(shù)的選擇可通過菜單欄或按相應的快捷鍵進入。拉伸試驗可以開設兩個數(shù)據(jù)窗口，左窗口，力、變形實時曲線，右窗口，力、變形的X-Y曲線，并設定好窗口的其它參數(shù)如坐標等。設置坐標參數(shù)的時，需對被測

23、試件的極限承載力及變形進行預估，這樣可以得到較好的圖形比例。對于直徑為10mm的低碳鋼（Q235）試件,計算其極限承載力不超過45KN，變形不超過50mm，故設置其縱橫坐標的上限均為50KN(mm)，考慮到初始零點并非絕對零值，故將其坐標的下限設置成一較小的負值。實際上在數(shù)據(jù)采集的過程中可以隨時在不中斷數(shù)據(jù)采集的前提下進行窗口參數(shù)的修改，但在實驗前對所采數(shù)據(jù)進行相應的判斷并設置較為合理的窗口，還是很有必要的。對比當前各參數(shù)與實際的測試內(nèi)容是否相符，若相符進入“ 數(shù)據(jù)預采集”，如不符，則應選擇正確的參數(shù)或通過引入項目的方式引入所需要的測試環(huán)境。具體操作：打開“文件”選擇“引入項目”，引入所需要的

24、采集環(huán)境。數(shù)據(jù)預采集.1 采集設備滿度值對應檢查檢查采集設備各通道顯示的滿度值是否與通道參數(shù)的設定值相一致，如不一致，需進行初始化硬件操作，單擊菜單欄中的“控制”，選擇“初始化硬件”，就可以實現(xiàn)采集設備滿度值與通道參數(shù)設置滿度值相一致。.2 數(shù)據(jù)平衡、清零單擊菜單欄中的“控制”，選擇“平衡”，對各通道的初始值進行硬件平衡，可使所采集到的數(shù)據(jù)接近于零，然后，單擊菜單欄中的“控制”，選擇“清除零點”，“清除零點”為軟件置零，可將平衡后的殘余零點清除。此時若信號有無法平衡提示，說明通道的初始值過大，尤其是試件變形通道容易出現(xiàn)此情況，說明下夾頭的位置過于靠下，可將下夾頭的位置適當上行即可。對于平衡前有

25、過載指示，平衡后指示消失的情形，說明儀器本身記憶的初始平衡值過大，屬正常情況。.3啟動采樣單擊菜單欄中的“控制”，選擇“啟動采樣”，選擇好數(shù)據(jù)存儲的目錄，便進入相應的采集環(huán)境，采集到相應的零點數(shù)據(jù)，此時啟動油泵，選擇“壓縮上行”或“拉伸下行”，打開“進油手輪”，使下夾頭上行或下行，此時所采集到的數(shù)據(jù)便會發(fā)生相應的變化，將下夾頭調(diào)整到拉伸位置。此時從實時曲線窗口內(nèi)便可以讀到相應的力和位移的零點數(shù)據(jù)，證明采集設備正常工作。單擊菜單欄中的“控制”，選擇“停止采樣”，停止采集數(shù)據(jù)，并分析所采集的數(shù)據(jù)，確認所設置各參數(shù)的正確性。這樣就完成了數(shù)據(jù)采集環(huán)境的設置。6.5 加載測試在試件裝夾完畢，并確定數(shù)據(jù)采

26、集系統(tǒng)能正常工作后，就可以進行加載測試了。具體操作步驟如下：首先需要確定試驗機的狀態(tài)，“進油手輪 ”關(guān)閉，“調(diào)壓手輪 ”關(guān)閉。然后選擇“油泵啟動”，“拉伸下行” ，完成后，開始數(shù)據(jù)采集，選擇“控制”-“平衡”-“清除零點”，“啟動采樣”。左窗口，采集到的零點數(shù)據(jù)，打開“進油手輪”進行加載測試，控制加載速度，注意觀察各階段實驗現(xiàn)象，起始階段應緩慢加載。試件受力后，首先是彈性階段試件所受的荷載與試件的變形呈線性關(guān)系。接著進入屈服階段此時試件所受的力在一定范圍內(nèi)浮動震蕩而位移不斷地向前增加，這就是低碳鋼的屈服現(xiàn)象。離開了屈服階段后，進入了強化階段。此時應旋轉(zhuǎn)“進油手輪”加快加載速度，可以看到試件的變

27、形明顯加快。注意捕捉頸縮點，頸縮后，為觀察頸縮現(xiàn)象，應放慢加載速度，注意捕捉頸縮點，及觀看頸縮現(xiàn)象。當出現(xiàn)頸縮后，放慢加載速度，至試件斷裂后，關(guān)閉“進油手輪”，“停止采樣”，“油泵停止”，“拉壓停止”。這樣就完成了實驗的加載測試過程。7、分析數(shù)據(jù)完成實驗報告7.1 驗證數(shù)據(jù) 設置雙窗口顯示數(shù)據(jù)，左窗口實時曲線、右窗口力-位移X-Y曲線。單擊左窗口，橫向壓縮數(shù)據(jù)，顯示全數(shù)據(jù)；單擊右窗口，X-Y增加數(shù)據(jù)，顯示力-位移X-Y曲線。從低碳鋼拉伸實驗曲線中應清晰區(qū)分低碳鋼拉伸的四個階段，鑄鐵則無屈服階段。7.2讀取數(shù)據(jù) 荷載數(shù)據(jù)的讀取圖1.10中，采用雙光標可以方便地得到低碳鋼拉伸的屈服荷載和極限荷載。

28、選擇并移動單光標，結(jié)合試件的變形，讀出試件的斷裂荷載。 鑄鐵無屈服荷載，極限荷載的讀取同低碳鋼。試件變形指標的讀取 首先，將斷裂后的試件從上下夾頭中取出，觀察斷口形式。然后將斷裂后的試件對接，用游標卡尺測量斷口直徑，垂直方向測量兩次，然后測量斷裂后試件的標距。為了方便測量，也可以把試件先取出，然后再測量，采用專門的取出墊塊，將帶有夾頭的試件斷口向上放在墊塊上，用試件斷口保護套套住試件，用錘子敲擊試件保護套，便可將斷裂后的試件取出，當然，試件的取出工作需要在地面上進行。需要注意的是：當斷口距標距端點的距離小于或等于L0/3時，則需要用“移位法”來計算LK。7.3 分析數(shù)據(jù)通過實驗前的測量及實驗后

29、的數(shù)據(jù)讀取就得到了所需要的數(shù)據(jù)，代入相應的公式或計算表格即可得到拉伸的各項力學指標。7. 4完成實驗報告通過觀察試驗現(xiàn)象、分析試驗數(shù)據(jù)就可以進行試驗報告的填寫了，完成實驗報告的各項內(nèi)容。并總結(jié)試驗過程中遇到的問題及解決方法。需要注意的是由于數(shù)據(jù)的采集及分析均在計算機上進行，數(shù)據(jù)的讀數(shù)位數(shù)可能沒有正確反映試驗機的分辨率，讀數(shù)時首先需確定該通道的分辨率，然后對所讀的數(shù)據(jù)進行相應的取舍。而對于通過計算得到的力學性能指標，其有效數(shù)字的位數(shù)應能反映試驗的精度，即只允許其最后一位為不確定值，且不確定值的大小在試驗機的精度范圍內(nèi)，為方便數(shù)據(jù)處理及便于比較，國標GB228-87規(guī)定了測試結(jié)果的修約要求：測 試

30、 項 目數(shù) 值 范 圍修 約 到、200MPa2001000 MPa1000 MPa1 MPa5 MPa10 MPa10%10%0.5%1%25%25%0.5%1%8、實驗注意事項 1、在緊急情況下，沒有明確的方案時，按急停按鈕；2、上夾頭應處于活動鉸狀態(tài)，但不應旋出過長，夾頭與上橫梁墊板之間的間隙應在3-10mm之間；3、調(diào)整下夾頭開口位置時，需在油缸上行或下行的狀態(tài)下進行，此時應特別注意手的位置；4、試件裝夾時應確保試件在夾片中有全長的工作長度；5、在裝夾試件確定油缸位置時，嚴禁在油缸運行時手持試件在夾頭中間判斷油缸的位置；6、裝夾試件時要調(diào)整好試件與下夾頭的間隙，間隙在5-10mm之間較

31、為合適；7、正式采集數(shù)據(jù)時，應在試件夾頭與試件夾頭間隙較小的時候進行重新平衡、清零，這樣可使所采集的曲線的起始點較為接近零點；8、實驗初始階段加載要緩慢，以免試件屈服階段變形不充分； 9、進行數(shù)據(jù)采集的第一步為初始化硬件，初始化完成后應確認采集設備的量程指示與通道參數(shù)的設定值一致；且平衡后各通道均無過載現(xiàn)象；10、在通過旋轉(zhuǎn)加載控制手輪控制加載速度時，應首先關(guān)閉加載控制手輪，然后加載，旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)推薦值為1/41/2圈，不可超過5圈，以免將進油閥芯旋出。 §2 壓縮實驗指導書1、概述實驗表明，工程中常用的金屬塑性材料，其受拉與受壓是所表現(xiàn)出來的強度、剛度和塑性等力學性能是大致相同的。但

32、廣泛使用的脆性材料如鑄鐵、磚、石等，其抗拉強度很低，但抗壓強度卻很高。為便于合理選用工程材料，以及滿足金屬成型工藝的要求，測定材料受壓時的力學性能是十分重要的。因此，壓縮實驗和拉伸實驗一樣，也是測定材料在常溫、靜載、單向受力狀態(tài)下力學性能的最常用最基本的實驗之一。2、實驗目的2.1測定低碳鋼壓縮實驗的屈服極限；2.2測定鑄鐵壓縮實驗的抗壓強度；2.3觀察并比較低碳鋼（塑性材料的代表）和鑄鐵（脆性材料的代表）在壓縮時的變形和破壞現(xiàn)象。3、實驗原理對一確定形狀試件（詳見試件的制作）兩端施加軸向壓力，使試件實驗段處于單軸壓縮狀態(tài)，試件產(chǎn)生變形，在不斷壓縮過程中不同材料的試件會有不同的實驗現(xiàn)象, 在實

33、驗過程中通過測量試件所受荷載及變形的關(guān)系曲線并觀察試件的破壞特征，依據(jù)一定的計算及判定準則，可以得到反映材料壓縮試驗的力學指標，并以此指標來判定材料的性質(zhì)。為便于比較，選用如圖2.1所示直徑相同的典型塑性材料低碳鋼Q235及典型的脆性材料灰鑄鐵HT200標準試件進行對比實驗。圖2.1壓縮試件圖2.2低碳鋼壓縮曲線 圖2.3鑄鐵壓縮曲線 典型的低碳鋼(Q235)的曲線和灰口鑄鐵（HT200）的曲線如圖2.2、圖2.3所示。低碳鋼Q235試件的壓縮變形過程如圖2.4所示，鑄鐵HT200試件的壓縮破壞形狀如圖2. 5所示。圖2.5 鑄鐵HT200試件壓縮實驗破壞現(xiàn)象圖2.4 低碳鋼Q235試件壓縮實

34、驗變形過程觀察F曲線，及試件的變形可發(fā)現(xiàn)，低碳鋼F曲線有明顯的拐點，稱之為屈服點，以此點計算的屈服強度，其值與拉伸時屈服強度接近，繼續(xù)加載，試件持續(xù)變形，由中間稍粗的鼓形變成圓餅形，但并不發(fā)生斷裂破壞。鑄鐵的F曲線無明顯拐點，當壓力增大時，試件表面出現(xiàn)交錯的剪切滑移線，試件中間略微變粗，持續(xù)加壓剪切滑移線明顯增多、增寬，最終試樣在與軸線大約成的方向上發(fā)生斷裂破壞，此時施加的壓力達到最大值，并以此值定義鑄鐵的抗壓強度。實驗表明材料受軸向力產(chǎn)生壓縮變形時，在徑向上會產(chǎn)生一定的橫向延伸，尤其是到屈服點以后這種變形更為明顯，但由于試件兩端面與試驗機墊板間存在摩擦力，約束了這種橫向變形，故壓縮試樣在變形

35、時會出現(xiàn)中間鼓脹現(xiàn)象，塑性材料試件尤其明顯。為了減少鼓脹效應的影響，通常的做法是除了將試樣端面制作得光滑外，還在端面上面涂上潤滑油以進一步減小摩擦力，但這并不能完全消除此現(xiàn)象。4、實驗方案4.1實驗設備、測量工具及試件YDD-1型多功能材料力學試驗機（圖1.8）、150mm游標卡尺、標準低碳鋼、鑄鐵壓縮試件（圖2.1）。YDD-1型多功能材料力學試驗機由試驗機主機部分和數(shù)據(jù)采集分析兩部分組成，主機部分由加載機構(gòu)及相應的傳感器組成，數(shù)據(jù)采集部分完成數(shù)據(jù)的采集、分析等。 圖2.6 壓縮實驗試件的裝夾1.拉、壓上夾頭 2.壓縮上承壓板（帶防護罩）3.壓縮試件4.壓縮下鉸承壓板 5.壓縮下承壓板 6.

36、拉、壓下夾頭試件采用標準圓柱體短試件，為方便觀測試件的變形及測量低碳鋼試件的真實應力，試驗前需用游標卡尺測量出試件的最小直徑（）及高度（）。4.2 裝夾、加載方案安裝好的試件如圖2.6所示。壓縮試驗時，試件放在下承壓板的中央，當控制下承壓板上行，試件和上部承壓板接觸時就會對試件施加一軸向壓力。上承壓板為一固定承壓板，下承壓板為一活動鉸承壓板，在加載過程中起到自動找正的作用，從而保證試件處于單軸受壓狀態(tài)。加載時通過控制進油手輪的旋轉(zhuǎn)來控制加載速度。4.3 數(shù)據(jù)測試方案同拉伸實驗一樣，試件所受到的壓力通過安裝在油缸底部的拉、壓力傳感器測量，變形通過安裝在油缸活塞桿內(nèi)的位移傳感器測量。與拉伸試驗所不

37、同的是，在壓縮實驗中所測得的力及位移均為負值。4.4 數(shù)據(jù)的分析處理數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，實時記錄試件所受的力及變形，并生成力、變形實時曲線及力、變形X-Y曲線，圖2.7為實測低碳鋼壓縮實驗曲線，圖2.8為實測鑄鐵壓縮實驗曲線。圖2.8 實測鑄鐵壓縮實驗曲線圖2.7 實測低碳鋼壓縮實驗曲線左窗口為力和變形的實時曲線窗口，右窗口為力和變形的X-Y曲線窗口。通過移動光標可以方便地讀取所需要的數(shù)據(jù)。得到相關(guān)數(shù)據(jù)后，依據(jù)實驗原理，就可以得到所需要的力學指標。5、完成實驗預習報告 在了解實驗原理、實驗方案及實驗設備操作后，就應該完成實驗預習報告。實驗預習報告包括：明確相關(guān)概念、預估試件的最大載荷、明確操作步

38、驟等，在完成預習報告時，有些條件實驗指導書已給出（包括后續(xù)的試驗操作步驟簡介）、有些條件為已知條件、有些條件則需要查找相關(guān)標準或參考資料。通過預習報告的完成，將有利于正確理解及順利完成實驗。有條件的同學可以利用多媒體教學課件，分析以往的實驗數(shù)據(jù)、觀看實驗過程等。 完成實驗預習報告，并獲得輔導教師的認可，是進行正式實驗操作的先決條件。6、實驗操作步驟簡介6.1試件原始參數(shù)的測量用游標卡尺在試件的中央按兩個垂直方向多次測量試件的直徑以及試件的原始高度，并將實驗數(shù)據(jù)填入實驗表格。6.2裝夾試件實驗預壓將上下承壓板分別安裝在上下夾頭上。如下圖所示： 預壓操作步驟：打開“壓力控制手輪”，選擇“啟動油泵”

39、、“壓縮上行”，打開“進油手輪”，油缸活塞桿上行，上、下承壓板接觸，壓力表顯示當前力值，旋轉(zhuǎn)“調(diào)壓手輪”，荷載變化，證明加載設備正常工作。試件安裝打開“壓力控制手輪”、選擇“拉伸下行”，至下夾頭運行至試件安裝位置，關(guān)閉“進油手輪”、將試件放在下部承壓板的中央、選擇“壓縮上行”、打開“進油手輪”，油缸活塞桿上行至壓縮試件頂面距離上部承壓板1-2mm時關(guān)閉“進油手輪”，關(guān)閉“調(diào)壓手輪”。這樣就完成了試件的裝夾。6.3連接測試線路按要求聯(lián)接測試線路，同拉伸實驗，一般第一通道選擇測力，第三通道選擇測位移。6.4設置數(shù)據(jù)采集環(huán)境進入測試環(huán)境 按要求聯(lián)接測試線路，確認無誤后，打開儀器電源及計算機電源，雙擊

40、桌面上的快捷圖標，提示檢測到采集設備進入測試環(huán)境。檢測到儀器后，系統(tǒng)將自動給出上一次實驗的測試環(huán)境。設置測試參數(shù)測試參數(shù)是聯(lián)系被測物理量與實測電信號的紐帶，設置合理的測試參數(shù)是得到正確數(shù)據(jù)的前提。測試參數(shù)由系統(tǒng)參數(shù)、通道參數(shù)及窗口參數(shù)三部分組成。第一項、通道參數(shù)選擇第一通道測量試件所受的壓力，第三通道測油缸活塞桿位移。需要選擇及輸入的參數(shù)有：測量內(nèi)容、工程單位、修正系數(shù)，并選擇相應的滿度值。需要注意的是：1、同拉伸試驗相比，壓縮試驗數(shù)據(jù)均為負值，為理解方便，習慣于將相關(guān)修正系數(shù)設置為負值，這樣讀取的荷載及變形就為正值。2、由于試驗機所采用的傳感器類型并不相同，及同一類型的傳感器個體之間存在差異

41、，不同試驗機的轉(zhuǎn)換因子并不相同。如當通過拉、壓力傳感器直接測量試件所受的荷載時，只需選擇修正比例系數(shù)b即可，且拉、壓實驗具有相同的系數(shù)；而當通過測量油缸油壓間接測量試件的荷載時，由于油缸活塞桿運行時的摩擦力、及油缸拉壓面積的不等，需要選擇b、c兩個系數(shù)，且拉、壓時，兩個系數(shù)各不相同。第二項、采樣參數(shù)采樣頻率：“20-100Hz”，“拉壓測試”。第三項、窗口參數(shù)可以開設兩個數(shù)據(jù)窗口，左窗口為力、變形的實時曲線窗口，右窗口為力、變形的X-Y曲線窗口，并設定好窗口的其它參數(shù)如坐標等。在對坐標參數(shù)的設置時，需對被測試件的極限承載力及變形進行預估，這樣可以得到較好的圖形比例。對比當前各參數(shù)與實際的測試內(nèi)

42、容是否相符，若相符進入“ 數(shù)據(jù)預采集”，如不符，則應選擇正確的參數(shù)或通過引入項目的方式引入所需要的測試環(huán)境。具體操作：打開“文件”選擇“引入項目”，引入所需要的采集環(huán)境。數(shù)據(jù)預采集.1 采集設備滿度值對應檢查檢查采集設備各通道顯示的滿度值是否與通道參數(shù)的設定值相一致，如不一致，需進行初始化硬件操作，單擊菜單欄中的“控制”，選擇“初始化硬件”，就可以實現(xiàn)采集設備滿度值與通道參數(shù)設置滿度值相一致。.2 數(shù)據(jù)平衡、清零單擊菜單欄中的“控制”，選擇“平衡”，對各通道的初始值進行硬件平衡，可使所采集到的數(shù)據(jù)接近于零，然后，單擊菜單欄中的“控制”，選擇“清除零點”，“清除零點”為軟件置零，可將平衡后的殘余

43、零點清除。此時若信號經(jīng)平衡后的數(shù)值過大，會有相應提示。此時，儀器的相應通道會有過載指示，說明通道的初始值過大，尤其試件變形通道容易出現(xiàn)此情況，說明下夾頭的位置過于靠下，可將下夾頭的位置適當上行即可。對于平衡前有過載指示，平衡后指示消失的情形，說明儀器本身記憶的初始平衡值過大，屬正常情況。.3啟動采樣單擊菜單欄中的“控制”，選擇“啟動采樣”，選擇數(shù)據(jù)存儲的目錄，便進入相應的采集環(huán)境，采集到相應的零點數(shù)據(jù)，此時從實時曲線窗口內(nèi)便可以讀到相應的力和位移的零點數(shù)據(jù)，證明采集設備能正常工作。單擊菜單欄中的“控制”，選擇“停止采樣”，停止采集數(shù)據(jù)，并分析所采集的數(shù)據(jù)，確認所設置的各參數(shù)正確無誤。這樣就完成了數(shù)據(jù)采集環(huán)境的設置。6.5 加載測試在試件裝夾完畢，并確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能正常工作后，就可以進行加載測試了。具體操作步驟如下：首先需要確定試驗機的狀態(tài)，“進油手輪 ”關(guān)閉，“調(diào)壓手輪 ”關(guān)閉。然后選擇“油泵啟動”，“壓縮下行” ，完成后，開始數(shù)據(jù)采集，選擇“控制”- “平衡”- “清除零點”，“啟動采樣”。左窗口，采集到的零點數(shù)據(jù)，打開“進油手輪”進行加載測試，控制加載速度，注意觀察各階段