低碳鋼和鑄鐵的拉伸實驗

一、試驗目的要求１．測定低碳鋼的流淌極限 、強度極限、延長率、截面收縮率和鑄鐵的強度極S b限。b２．低碳鋼和鑄鐵在拉伸過程中表現(xiàn)的現(xiàn)象，繪出外力和變形間的關系曲線〔FL曲線。３．比較低碳鋼和鑄鐵兩種材料的拉伸性能和斷口狀況。二、試驗設備和儀器CMT5504/5105電子萬能試驗機、游標卡尺等圖1-1 CMT5504/5105電子萬能試驗機word文檔可自由復制編輯三、拉伸試件金屬材料拉伸試驗常用的試件外形如下圖。圖中工作段長度l稱為標距，試件的拉伸變形量一般由這一段的變形來測定，兩端較粗局部是為了便于裝入試驗機的夾頭內(nèi)。圖1-2 拉伸試件l5d或l10d。對于一般板的材料拉伸試驗也應按國家標準做成矩形截面試件其截面面積和試件標距關系為l11.3 A或l5.65 A，A為標距段內(nèi)的截面積。低碳鋼拉伸鑄鐵拉伸word文檔可自由復制編輯四、試驗原理和方法低碳鋼拉伸試驗低碳鋼試件在靜拉伸試驗中，通?？芍苯拥玫嚼烨€，如圖1—3所示。用準確的拉伸曲線可直接換算出應力應變慢加載()，試樣依次經(jīng)過彈性、屈服、強化和頸縮四個階段，其中前三個階段是均勻變形的。圖1-3 低碳鋼拉伸曲線彈性階段是指拉伸圖上的OA段，沒有任何殘留變形。在彈性階段，載荷與變形A，對應的應力為比例極限 ，此局部載荷與變形是成比例的。p屈服階段對應拉伸圖上的BC段。金屬材料的屈服是宏觀塑性變形開頭的一種標這種載荷在肯定范圍內(nèi)波動而試件還連續(xù)變形伸長的現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象屈服點。上屈服點對應拉伸圖中的BF

，即試件發(fā)生屈服而力首次下降前的最SU大力值。下屈服點記為F

，是指不計初始瞬時效應的屈服階段中的最小力值，留意這里的SL初始瞬時效應對于液壓擺式萬能試驗機由于擺的回擺慣性尤其明顯或液壓伺服試驗機不明顯。word文檔可自由復制編輯圖1-4 常見屈服曲線個谷值后所余最小谷值點就是屈服點。圖1-4給出了幾種常見屈服現(xiàn)象和F 、FSL SU

確實定方法。用上述方法測得屈服載荷，分別用式(1-1)、式(1-2)、式(1—3)計算出屈服點、下屈服點和上屈服點。

=F/AS 0

(1-1) =F /ASL SL 0

(1-2) =F /ASU SU 0

(1-3)強化階段對應于拉伸圖中的CD段。變形強化標志著材料抵抗連續(xù)變形的力量在增加。這也說明材料要連續(xù)變形，就要不斷增加載荷。在強化階段假設卸載，彈性變形會隨硬化工藝的例子很多，如擠壓、冷拔等。D點是拉伸曲線的最高點，載荷為Fb

，對應的應力是材料的強度極限或抗拉極限，記為，用式〔1-4〕計算b=F/Ab b 0

(1-4)頸縮階段對應于拉伸圖的DE段。載荷到達最大值后，塑性變形開頭局部進展。word文檔可自由復制編輯均勻變形轉化為集中變形，導致形成頸縮。頸縮階段，承載面積急劇減小和斷面收縮率來表示，計算公式為(l1

l)/l0

100% (1-5) (A0

A)/A1

100% (1-6)式中，l0

A分別表示試件的原始標距和原始面積；l0

A分別表示試件標距的斷后長度1局部的變形占塑性變形的80％左右，見圖1-5。測定斷后伸長率時，頸縮局部及其影響區(qū)的塑性變形都包含在l1

之內(nèi)，這就要求斷口位置到最鄰近的標距線大于l0

/3，此時可直接測量試件標距兩端的距離得到l1標距之外則試驗無效。鑄鐵拉伸試驗鑄鐵是典型的脆性材料，拉伸曲線如圖1-7所示，可以近似認為經(jīng)彈性階段直接斷裂。斷裂面平齊且為閃光的結晶狀組織，說明是由拉應力引起的。其強度指標也只有抗拉強度，用試驗測得的最大力值Fb

，除以試件的原始面積A0

，就得到鑄鐵的抗拉強度，即b =F/ Ab b 0

(1-7)1-7鑄鐵拉伸曲線圖word文檔可自由復制編輯五、試驗方法與步驟〔一、拉伸試驗：１、低碳鋼的試件的預備：在試件中段取標距l(xiāng)5d50mm在標距兩端用腳標規(guī)打上沖眼作為標志，用游標卡尺在試件標距范圍內(nèi)測量中間和兩端三處直徑d〔在每處的兩個相互垂直的方向各測一次取其平均值件的預備用游標卡尺在試件標距范圍內(nèi)測量中間和兩端三處直徑d取最小值作為計算試件橫截面面積用。２、操作步驟：、開電腦顯示器電源，開掌握器電源，開主機電源；CMT5504/5105電子萬能試驗機SANS掌握操作界面；、點擊右側上下按鍵使橫梁上下移動至和適位置；、依據(jù)試樣形式裝上相應夾頭；、設定試驗方案和試驗參數(shù)；、傳感器初值置零；、點擊(運行)按鈕，開頭試驗，試驗完畢自動停頓，點擊生成試驗報告；、安裝下一根試樣，重復步驟8，直到全部試樣全部試驗完畢；、打印試驗報告；、關主機，關電腦顯示器電源，關掌握器電源，取下拉斷的試件，將斷裂的試件緊l1

l1l1ll0 100%0將斷裂的試件的斷口緊對在一起，用游標卡尺量出斷口〔細頸〕處的直徑d，計算出1A1

；按下式可計算出低碳鋼的截面收縮率，A0A0AA1 100%0、清理試驗現(xiàn)場。二、留意事項：1、更換試樣夾持裝置時，留意裝置重心，防止裝置傾倒砸傷人員或砸壞試驗機；word文檔可自由復制編輯2、安裝試樣時留意盡可能對中；3、試驗時在試樣四周設置護欄，以防試樣斷裂瞬間飛出傷人；4、試驗過程中覺察意外狀況，馬上按下試驗機機座上的紅色急停按鈕，請試驗機治理人員檢查。5六、試驗結果處理和，S b鑄鐵的抗拉強度和抗壓強度 。將計算結果填入試驗報告表。b bc七、思考題由試驗現(xiàn)象和結果比較低碳鋼和鑄鐵的機械性能有何不同？試驗時如何觀看低碳鋼的屈服極限？材料一樣而標距分別為5d和10d的兩種試件，其、、、是否一樣？為什s b么？八、試驗報告格式(僅供參考)試驗名稱： 班級： 試驗日期：報告人： 同組者：試驗目的：試驗設備和工具：試驗機名稱： 型號： 讀數(shù)精度：量具名稱： 型號： 規(guī)格精度試驗原理方法簡述：試驗步驟簡述：試驗數(shù)據(jù)和結果處理(1-11-2試驗數(shù)據(jù)和處理結果〕依據(jù)試驗結果繪制應力一應變曲線，以及試樣斷口草圖。分析爭論和答復思考題。wordword文檔可自由復制編輯試驗二 低碳鋼和鑄鐵的壓縮試驗一、試驗目的比較低碳鋼和鑄鐵壓縮變形和破壞現(xiàn)象。測定低碳鋼的屈服極限σs

和鑄鐵的強度極限σ。b比較鑄鐵在拉伸和壓縮兩種受力形式下的機械性能、分析其破壞緣由。生疏壓力試驗機和萬能試驗機的使用方法。一、試驗儀器和設備CMT5504/5105電子萬能試驗機。游標卡尺。三、試件介紹壓縮試件的高度和直徑的比例為3：2，鑄鐵壓縮試件的高度和直徑的比例為2：1。試件均為圓柱體。word文檔可自由復制編輯四、試驗原理及方法壓縮試驗是爭論材料性能常用的試驗方法。對鑄鐵、鑄造合金、建筑材料等脆性材料尤為適宜。通過壓縮試驗觀看材料的變形過程、破壞形式，并與拉伸試驗進展比較，可以分析不同應力狀態(tài)對材料強度、塑性的影響，從而對材料的機械性能有比較全面的生疏。低碳鋼壓縮時也會發(fā)生屈服，但并不象拉伸那樣有明顯的屈服階段。因此，在測定Ps對應的載荷即為屈服載荷Ps。屈服之后加載到試件產(chǎn)生明顯變形即停頓加載。這是由于低而增加故不行能得到最大載荷P,因此也得不到強度極限 所以在試驗中是以變形來控b b制加載的。鑄鐵試件壓縮時，在到達最大載荷P前消滅較明顯的變形然后裂開，此時試驗機讀數(shù)b快速減小，讀取最大載荷P值，鑄鐵試件最終略呈變形，斷裂面與試件軸線大約呈450。b五、試驗步驟測量試件的直徑和高度。測量試件兩端及中部三處的截面直徑，取三處中最小一處的平均直徑計算橫截面面積。word文檔可自由復制編輯將試件放在試驗機活動臺球形支撐板中心處。、設定試驗方案和試驗參數(shù)；對于低碳鋼，要準時記錄其屈服載荷，超過屈服載荷后，連續(xù)加載，將試件壓成鼓形即可停頓加載。鑄鐵試件加壓至試件破壞為止。、初值置零；、點擊開頭試驗按鈕，開頭試驗，試驗完畢自動停頓，生成試驗報告；、安裝下一根試樣，重復步驟8，直到全部試樣全部試驗完畢；、打印試驗報告；六、試驗結果讀取記錄低碳鋼的屈服極限ss Pss A0讀取記錄鑄鐵的強度極限b

〔2-1〕P bb A01

〔2-2〕A0

d2，d4 0

為試件試驗前最小直徑。0七、思考題為何低碳鋼壓縮測不出破壞載荷，而鑄鐵壓縮測不出屈服載荷？依據(jù)鑄鐵試件的壓縮破壞形式分析其破壞緣由，并與拉伸作比較？通過拉伸與壓縮試驗，比較低碳鋼的屈服極限在拉伸和壓縮時的差異？通過拉伸與壓縮試驗，比較鑄鐵的強度極限在拉伸和壓縮時的差異？word文檔可自由復制編輯一、試驗目的

試驗三低碳鋼和鑄鐵的 扭轉試驗觀看低碳鋼的扭轉破壞現(xiàn)象，并測定其剪切屈服極限τs觀看鑄鐵的扭轉破壞現(xiàn)象，并測定其剪切強度極限τ。b

和剪切強度極限τ；b二、試驗設備CTT1000/最大扭矩500Nm游標卡尺。3-1CTT1000/最大扭矩500Nm三、試驗試樣依據(jù)國家標準GB10128—88《金屬室溫扭轉試驗方法是圓形截面試樣，如圖2-1所示。通常，圓形截面試樣的直徑d10mml5d或l10d，平行局部的長度為l20mm。假設承受其它直徑的試樣，其平行局部的長度應為標距加上兩倍直徑。試樣頭部的外形和尺寸應適合扭轉試驗機的夾頭夾持。家標準GB10128—88。word文檔可自由復制編輯圖2-1 扭轉試樣word文檔可自由復制編輯四、試驗原理與方法〔圖2-點處的剪應力τ，即，其方向為與圓桿軸線成±45角的螺旋面上。圓桿扭1 3轉時橫截面上有最大剪應力，而45°斜截面上有最大拉應力，由于各種材料抵抗剪切和拉斷破壞；而鑄鐵抗拉強度低于抗剪強度，試件由與桿軸線成45°的斜截面上的σ1引起拉斷破壞。word文檔可自由復制編輯圖2-2 園軸扭轉時的應力1低碳鋼是塑性材料，其扭轉曲線〔圖2-3〕與拉伸類似，隨扭矩T的增加，材料經(jīng)過彈性變形〔O-A段、塑性變形〔A-B段、強化〔B-C段〕和斷裂四個階段而被破壞，斷口是很齊的橫斷面，這是由于剪應力超過了材料的剪切強度極限所致。圖2-3 低碳鋼扭轉曲線對于低碳鋼材料M-φ曲線有兩種類型，如圖2-4所示。TTT Tb bT Ts sφ φφ曲線2-4φ曲線word文檔可自由復制編輯ττsττsτb(b) (c)圖2-5 低碳鋼圓軸試件扭轉時的應力分布示意圖低碳鋼試件在受扭的最初階段，扭矩M與扭轉角φ成正比關系，橫截面上剪應力沿半2-5aMn極限 ，且塑性區(qū)漸漸向圓心擴展，形成環(huán)形塑性區(qū)見圖2-5b。但中心局部仍是彈性的。s試件連續(xù)變形，屈聽從試件表層向心部擴展直到整個截面幾乎都是塑性區(qū)如圖2-5c所示。在T φ曲線上消滅屈服平臺見圖2-4。試驗機指針根本不動此時對應的扭矩即為屈服扭矩T。隨后，材料進入強化階段，變形增加，扭矩隨之增加，直到試件破壞為止。因扭轉無s頸縮現(xiàn)象。所以，扭轉曲線始終上升而無下降狀況，試件破壞時的扭矩即為最大扭矩T。b現(xiàn)在推導扭轉屈服極限τs

τ的計算公式。b扭矩超過比例極限后，截面上的剪應力分布發(fā)生變化，如圖2-5b。在截面上消滅了一個環(huán)狀塑性區(qū)，并隨著T的增長，塑性區(qū)逐步向中心擴展，T φ曲線略微上升，直到B點上指示出的扭矩或指針搖擺的最小值即為屈服扭矩Ts

。如圖2-5b，依據(jù)靜力平衡條件，可τs

與T的關系為：sTs

〔2-1〕AρτdAs將式中dA2AρτdAs2πτ2πτd/2ρ2dρ4τWso3s ps故剪切屈服極限為：3T3TS4Wsp

〔2-2〕〔2-3〕類似可求得word文檔可自由復制編輯3Tb 〔2-4〕bp式中W 為圓軸的抗扭截面模量，其值由下式計算pπd3W 0p 1622-4所示，扭轉時變形很小就突然斷裂，有爆裂聲，45度角的螺旋面，這是由于最大拉應力超過了材料的強度極限而破壞的。一般按式〔2-4〕計算鑄鐵的抗扭強度。2-4鑄鐵扭轉曲線沿最大剪應力所在的橫截面剪斷，斷口平齊。呈現(xiàn)了切斷的特征。而鑄鐵材料在純剪切應線呈的45螺旋狀曲面被拉斷，呈現(xiàn)正斷斷口的特征。3、破壞分析2-5所示。低碳鋼圓形試件的破壞斷面與曲線垂直見圖2-5a，明顯是沿最大剪應力的作用面發(fā)生斷裂，為剪應力作用而剪斷。故低碳鋼材料的抗剪力量低于抗拉〔壓〕力量；鑄鐵圓形試件破壞斷面與軸線成45°螺旋面見圖2-5b，破壞斷口垂直于最大拉應σ1方向，斷面呈晶粒狀，這是正應力作用下形成脆性斷口，故鑄鐵材料是當最大拉應力首先到達其抗拉強度極限時，在該截面發(fā)生拉斷破壞。word文檔可自由復制編輯(a)低碳鋼：剪斷 (b)鑄鐵：拉斷圖2-5扭轉斷口示意圖五、試驗方法與步驟１、試件的預備：用游標卡尺在試件標距范圍內(nèi)測量中間和兩端三處直徑d〔在每處的兩個相互垂直的方向各測一次取其平均值〕取最小值作為計算試件橫截面面積用。２、操作步驟：、開電腦顯示器電源，開掌握器電源，開主機電源；，進入掌握操作界面；系統(tǒng)顯示窗口顯示PC、依據(jù)試樣形式，點擊轉動按鍵至使夾頭轉至和適位置；