低碳鋼、鑄鐵的拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)一 ： 低碳鋼、鑄鐵的拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.測(cè)定低碳鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率。2.測(cè)定鑄鐵的抗拉強(qiáng)度。3.測(cè)定鑄鐵壓縮時(shí)的抗壓強(qiáng)度。4.觀察上述兩種材料在拉伸過(guò)程中的各種現(xiàn)象，并繪制拉伸圖。5.分析比較低碳鋼和鑄鐵的力學(xué)性能特點(diǎn)與試樣破壞特征。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.鑄鐵拉伸實(shí)驗(yàn)；2.鑄鐵壓縮實(shí)驗(yàn)；3.低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)。三、實(shí)驗(yàn)原理、方法和手段常溫、靜載下的軸向拉伸實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)試驗(yàn)中最基本、應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)。通過(guò)拉伸試驗(yàn)，可以全面地測(cè)定材料的力學(xué)性能，如彈性、塑性、強(qiáng)度、斷裂等力學(xué)性能指標(biāo)。這些性能指標(biāo)對(duì)材料力學(xué)的分析計(jì)算、工程設(shè)計(jì)、選擇材料和新材料開(kāi)發(fā)都有及

2、其重要的作用。實(shí)驗(yàn)表明，工程中常用的塑性材料，其受壓與受拉時(shí)所表現(xiàn)出的強(qiáng)度、剛度和塑性等力學(xué)性能是大致相同的。但廣泛使用的脆性材料，其抗壓強(qiáng)度很高，抗拉強(qiáng)度卻很低。為便于合理選用工程材料，以及滿(mǎn)足金屬成型工藝的需要，測(cè)定材料受壓時(shí)的力學(xué)性能是十分重要的。因此，壓縮實(shí)驗(yàn)同拉伸實(shí)驗(yàn)一樣，也是測(cè)定材料在常溫、靜載、單向受力下的力學(xué)性能的最常用、最基本的實(shí)驗(yàn)之一。依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 2282002金屬室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法分別敘述如下：1.低碳鋼試樣。在拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)繪圖器可繪出低碳鋼的拉伸曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1-1所示的FL曲線(xiàn)。FpFDEBBAOFbFsOK圖 1-1圖中最初階段呈曲線(xiàn)，是由于試樣頭部

3、在夾具內(nèi)有滑動(dòng)及試驗(yàn)機(jī)存在間隙等原因造成的。分析時(shí)應(yīng)將圖中的直線(xiàn)段延長(zhǎng)與橫坐標(biāo)相交于O點(diǎn)，作為其坐標(biāo)原點(diǎn)。拉伸曲線(xiàn)形象的描繪出材料的變形特征及各階段受力和變形間的關(guān)系，可由該圖形的狀態(tài)來(lái)判斷材料彈性與塑性好壞、斷裂時(shí)的韌性與脆性程度以及不同變形下的承載能力。但同一種材料的拉伸曲線(xiàn)會(huì)因試樣尺寸不同而各異。為了使同一種材料不同尺寸試樣的拉伸過(guò)程及其特性點(diǎn)便于比較，以消除試樣幾何尺寸的影響，可將拉伸曲線(xiàn)圖的縱坐標(biāo)（力P）除以試樣原始橫截面面積,并將橫坐標(biāo)（伸長(zhǎng)L）除以試樣的原始標(biāo)距L0得到的曲線(xiàn)便與試樣尺寸無(wú)關(guān)，此曲線(xiàn)稱(chēng)為應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)，它與拉伸圖曲線(xiàn)相似，也同樣表征了材料力學(xué)性能。拉伸實(shí)驗(yàn)過(guò)程分為四

4、個(gè)階段：（1）線(xiàn)彈性階段； （2）屈服階段； （3）強(qiáng)化階段；（4）局部變形階段。2. 鑄鐵試樣。做拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)繪圖器繪出鑄鐵的拉伸曲線(xiàn)，如圖1-2所示。在整個(gè)拉伸過(guò)程中變形很小，無(wú)屈服、頸縮現(xiàn)象，拉伸曲線(xiàn)無(wú)直線(xiàn)段，可以近似認(rèn)為經(jīng)彈性階段直接斷裂，其斷口是平齊粗糙的。以低碳鋼為代表的塑性材料，軸向壓縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的橫向變形，但由于試樣兩端面與試驗(yàn)機(jī)支承墊板間存在摩擦力，約束了這種橫向變形，故試樣出現(xiàn)顯著的鼓脹，如圖1-2所示。塑性材料在壓縮過(guò)程中的彈性模量、屈服點(diǎn)與拉伸時(shí)相同，但在到達(dá)屈服階段時(shí)不像拉伸試驗(yàn)時(shí)那樣明顯，因此要仔細(xì)觀察才能確定屈服載荷Ps。當(dāng)繼續(xù)加載時(shí)，試樣越壓越

5、扁，由于橫截面面積不斷增大，試樣抗壓能力也隨之提高，曲線(xiàn)持續(xù)上升。 以鑄鐵為代表的脆性金屬材料，由于塑性變形很小，所以盡管有端面摩擦，鼓脹效應(yīng)卻并不明顯，而是當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值后，試樣在與軸線(xiàn)大約成的方向上發(fā)生破裂，如圖1-4所示。這是由于脆性材料的抗剪強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度，從而使試樣被剪斷。     圖 1-2   圖1-3 圖1-4 四、實(shí)驗(yàn)條件1.液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)；2.游標(biāo)卡尺；3.試件。五、實(shí)驗(yàn)步驟1.測(cè)量試件尺寸 根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 2282002金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法中的規(guī)定，測(cè)定試樣原始橫截面積。本次試驗(yàn)采用圓形試樣，應(yīng)在標(biāo)距的兩

6、端及中間處的兩個(gè)相互垂直的方向上各測(cè)一次橫截面直徑，取其算術(shù)平均值，選用三處測(cè)得的直徑最小值，并以此值計(jì)算橫截面面積。測(cè)定試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度2.選試驗(yàn)機(jī)量程 根據(jù)試樣的形狀、尺寸和預(yù)計(jì)材料的抗拉強(qiáng)度來(lái)估算最大拉力，并以此力作為示力盤(pán)量程的4080，以選擇合適的示力盤(pán)和相應(yīng)的擺錘。然后，選用與試樣相適應(yīng)的夾具。3.為消除活動(dòng)框架等的自重影響，應(yīng)開(kāi)動(dòng)油泵送油，將活動(dòng)平臺(tái)升高到10毫米以上 。4.轉(zhuǎn)動(dòng)齒桿微調(diào)或指針齒輪粗調(diào)將示力盤(pán)指針調(diào)整到零位。5 安裝試樣，快速調(diào)節(jié)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾頭位置，并將自動(dòng)繪圖裝置調(diào)好。經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后即可開(kāi)始試驗(yàn)。5.加載試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中，要求均勻緩慢地進(jìn)行加載。對(duì)于低碳

7、鋼試樣的拉伸試驗(yàn)，要注意觀察拉伸過(guò)程四個(gè)階段中的各種現(xiàn)象。并記下屈服載荷值，最大載荷值。對(duì)于鑄鐵試樣，只需測(cè)定其最大載荷值。試樣被拉斷后立即停機(jī)，并取下試樣。 6.對(duì)于拉斷后的低碳鋼試樣，要分別測(cè)量斷裂后的標(biāo)距和頸縮處的最小直徑。按照國(guó)標(biāo)GB/T2282002中的規(guī)定測(cè)定時(shí)，將試樣斷裂后的兩段在斷口處緊密地對(duì)接起來(lái)，直接測(cè)量原標(biāo)距兩端的距離。 六、思考題1. 實(shí)驗(yàn)時(shí)如何觀察低碳鋼的屈服點(diǎn)？測(cè)定時(shí)為何要對(duì)加載速度提出要求？2. 比較低碳鋼和鑄鐵的拉伸壓縮斷口形狀，分析其破壞的力學(xué)原因。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)應(yīng)包括試驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量并記錄、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、分析討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及

8、誤差原因并寫(xiě)出心得體會(huì)。 材料載荷F/KN標(biāo)距l(xiāng)0/mm直徑d0/mm最小橫截面積A0/mm2截面截面截面屈服載荷最大載荷12平均12平均12平均附1-1液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī) 材料試驗(yàn)機(jī)是測(cè)定材料力學(xué)性能的主要設(shè)備。常用的材料試驗(yàn)機(jī)有拉力試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)、疲勞試驗(yàn)機(jī)等。能兼作拉伸、壓縮、彎曲等多種試驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)稱(chēng)為萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)萬(wàn)能機(jī)。供靜力試驗(yàn)用的普通萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，按其傳遞載荷的原理可分為液壓式和機(jī)械式兩類(lèi)?，F(xiàn)以國(guó)產(chǎn)WE系列為例，介紹液壓萬(wàn)能機(jī)。圖 1-5為這一系列中最常見(jiàn)的WE一1000A、600試驗(yàn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-6所示。下面分別介紹其加載系統(tǒng)和測(cè)力

9、系統(tǒng)。 測(cè)力計(jì) 主機(jī) 圖 1-51 底座；2固定立柱；3固定橫梁；4工作油缸；6上橫梁；7活動(dòng)立柱；2 8活動(dòng)平臺(tái)；9上夾頭；12下夾頭；13螺桿；17送油閥；18，19油管；20回油閥；29示力指針；30示力度盤(pán)；32滾筒；35油泵電機(jī)開(kāi)關(guān)；3 36下夾頭升降按鈕；37油箱；38放油閥一、加載系統(tǒng) 在底座1上由兩根固定立柱2和固定橫梁3組成承載框架。工作油缸4固定于框架上。在工作油缸的活塞5上支承著由上橫梁6、活動(dòng)立柱7和活動(dòng)平臺(tái)8組成的活動(dòng)框架。當(dāng)油泵16開(kāi)動(dòng)時(shí)，油液通過(guò)送油閥17，經(jīng)送油管18進(jìn)入工作油缸，把活塞5連同活動(dòng)平臺(tái)8一同頂起。這樣，如把試樣安裝于上夾頭9和下夾頭12之間，由于

10、下夾頭固定，上夾頭隨活動(dòng)平臺(tái)上升，試樣將受到拉伸。若把試樣置放于兩個(gè)承壓墊板11之間，或?qū)⑹軓澰嚇又梅庞趦蓚€(gè)彎曲支座10上，則因固定橫梁不動(dòng)而活動(dòng)平臺(tái)上升，試樣將分別受到壓縮或彎曲。此外，試驗(yàn)開(kāi)始前如欲調(diào)整上、下夾頭之間的距離，則可開(kāi)動(dòng)電機(jī)14，驅(qū)動(dòng)螺桿13，便可使下夾頭12上升或下降。但電機(jī)14不能用來(lái)給試樣施加拉力。圖1-.6二、測(cè)力系統(tǒng) 加載時(shí)，開(kāi)動(dòng)油泵電機(jī)，打開(kāi)送油閥17，油泵把油液送入工作油缸4頂起工作活塞5給試樣加載；同時(shí)，油液經(jīng)回油管19及測(cè)力油管21（這時(shí)回油閥20是關(guān)閉的，油液不能流回油箱）。進(jìn)人測(cè)力油缸22，壓迫測(cè)力活塞23，使它帶動(dòng)拉桿24向下移動(dòng)，從而迫使擺桿26和擺錘

11、25聯(lián)同推桿27繞支點(diǎn)偏轉(zhuǎn)。推桿偏轉(zhuǎn)時(shí)，推動(dòng)齒桿28作水平移動(dòng)，于是驅(qū)動(dòng)示力盤(pán)的指針齒輪，使示力指針29繞示力度盤(pán)30的中心旋轉(zhuǎn)。示力指針旋轉(zhuǎn)的角度與測(cè)力油缸活塞上的總壓力（即拉桿24所受拉力）成正比。因?yàn)闇y(cè)力油缸和工作油缸中油壓壓強(qiáng)相同，兩個(gè)油缸活塞上的總壓力成正比（活塞面積之比）。這樣，示力指針的轉(zhuǎn)角便與工作油缸活塞上的總壓力，亦即試樣所受載荷成正比。經(jīng)過(guò)標(biāo)定便可使指針在示力度盤(pán)上直接指示載荷的大小。 試驗(yàn)機(jī)一般配有重量不同的擺錘，可供選擇。對(duì)重量不同的擺錘，使示力指針轉(zhuǎn)同樣的轉(zhuǎn)角，所需油壓并不相同，即載荷并不相同。所以，示力度盤(pán)上由刻度表示的測(cè)力范圍應(yīng)與擺錘的重量相匹配。以 WE1000

12、試驗(yàn)機(jī)為例，它配有A、B、C三種擺錘。擺錘A對(duì)應(yīng)的測(cè)力范圍為0200kN ，AB對(duì)應(yīng)0500kN，ABC對(duì)應(yīng)0一1000kN。開(kāi)動(dòng)油泵電機(jī)，送油閥開(kāi)啟的大小可以調(diào)節(jié)油液進(jìn)人工作油缸的快慢，因而可用以控制增加載荷的速度。開(kāi)啟回油閥20，可使工作油缸中的油液經(jīng)回油管19泄回油箱37，從而卸減試樣所受載荷。 試驗(yàn)開(kāi)始前，為消除活動(dòng)框架等的自重影響，應(yīng)開(kāi)動(dòng)油泵送油，將活動(dòng)平臺(tái)略微升高。然后調(diào)節(jié)測(cè)力部分的平衡鉈31，使擺桿保持垂直位置，并使示力指針指在零點(diǎn)。 試驗(yàn)機(jī)上一般還有自動(dòng)繪圖裝置。它的工作原理是，活動(dòng)平臺(tái)上升時(shí)，由繞過(guò)滑輪（1）和（2）的拉繩33帶動(dòng)滾筒32繞軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，在滾筒圓柱面上構(gòu)成沿周線(xiàn)表示位移的坐標(biāo)；同時(shí)，齒桿28的移動(dòng)構(gòu)成沿滾筒軸線(xiàn)表示載荷的坐標(biāo)。這樣，試驗(yàn)時(shí)繪圖筆34在滾筒上就可自動(dòng)繪出載荷位移曲線(xiàn)。當(dāng)然，這只是一條定性曲線(xiàn)，不是很準(zhǔn)確的。三、操作規(guī)程及注意事項(xiàng) 1根據(jù)試樣尺寸和材料，估計(jì)最大載荷，選定相適應(yīng)的示力度盤(pán)和擺錘重量。需要自動(dòng)繪圖時(shí)，事先應(yīng)將滾筒上的紙和筆裝妥。 2.先關(guān)閉送油閥及回油閥，再開(kāi)動(dòng)油泵電機(jī)。待油泵工作正常后，開(kāi)啟送油閥將活動(dòng)平臺(tái)升高約 1cm，以