拉压试验

实验一 金属材料拉伸、压缩实验    实验简介：金属材料常温、静载下的轴向拉伸与压缩试验是材料力学实验中最基本且应用广泛的实验。通过实验，可以全面测定材料的力学性能指标。这些指标对材料力学的分析计算及工程有极其重要的作用。本次试验将参照国家标准GB/T228-2002《金属材料室温 拉伸试验方法》选用低碳钢和铸铁作为塑性材料和脆性材料的代表，分别进行拉伸和压缩试验。 预习要求：学生在上实验课之前，必须复习课堂上讲过的有关材料在拉伸、压缩时力学性能的内容。根据上述试验目的，写出确定各个力学性能参数的计算公式，明确在试验前应测量哪些初始数据，在试验过程中需要哪些数据，合理列出本次试验所需的数据记录与表格，画在实验记录纸上。试验前交指导教师检查。 一．实验目的： 1．测定低碳钢下列力学性能指标：拉伸时的屈服极限 、强度极限 、延伸率、截面收缩率；压缩时的屈服极限 。 2．测定铸铁下列力学性能指标：拉伸时的强度极限 ；压缩时的强度极限 。 3．观察上述两种材料在拉伸和压缩的全过程中所出现的各种变形现象。 4．比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）的力学性能特点与试件的断口情况，分析各自的破坏原因。 二．实验设备仪器： 1．电子万能材料试验机。 2．画线机、力传感器、位移传感器和游标卡尺等。 3．符合国标规定的圆形截面拉伸和压缩试件。   三．实验原理 ： 进行拉伸试验时，外力必须通过试样轴线,以确保材料处于单向应力状态。一般试验机都设有自动绘图装置，用以记录试样的拉伸图即P-ΔL曲线，形象地体现了材料变形特点以及各阶段受力和变形的关系。但是P-ΔL曲线的定量关系不仅取决于材质而且受试样几何尺寸的影响。因此，拉伸图往往用名义应力-应变曲线(即σ-ε曲线)来表示： 试样的名义应力 试样的名义应变 A0和L0分别代表初始条件下的面积和标距。σ-ε曲线与P-ΔL曲线相似，但消除了几何尺寸的影响。因此，能代表材料的属性。单向拉伸条件下的一些材料的机械性能指标就是在σ-ε曲线上定义的。如果试验能提供一条精确的拉伸图，那么单向拉伸条件下的主要力学性能指标就可精确地测定。 不同性质的材料拉伸过程也不同，其σ-ε曲线会存在很大差异。低碳钢和铸铁是性质截然不同的两种典型材料，它们的拉伸曲线在工程材料中十分典型，掌握它们的拉伸过程和破坏特点有助于正确、合理地认识和选用材料。 低碳钢具有良好的塑性，由σ-ε曲线（如图)可以看出，低碳钢断裂前明显地分成四个阶段：弹性阶段（oa）试件的变形是弹性的。在这个范围内卸载，试样仍恢复原来的尺寸，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 （其中，比例系数E代表直线的斜率，称作材料的弹性模量）。 屈服阶段(bc)：σ-ε曲线上出现明显的屈服点。这表明材料暂时丧失抵抗继续变形的能力。这时，应力基本上不变化，而变形快速增长。通常把下屈服点作为材料屈服极限σs ( )。σs是材料开始进入塑性的标志。结构、零件的应力一旦超过σs，材料就会屈服，零件就会因为过量变形而失效。因此强度设计时常以屈服极限σs作为确定许可应力的基础。从屈服阶段开始，材料的变形包含弹性和塑性两部分。如果试样表面光滑，材料杂质含量少，可以清楚地看到表面有45°方向的滑移线。 强化阶段（ce)：屈服阶段结束后，σ-ε曲线又开始上升，材料恢复了对继续变形的抵抗能力，载荷就必须不断增长。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下来。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后若重新加载，加载线仍与弹性阶段平行，但重新加载后，材料的弹性阶段加长、屈服强度明显提高，而塑性却相应下降。这种现象称作为形变强化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料极为宝贵的性质之一。塑性变形和形变强化二者联合，是强化金属材料的重要手段。例如喷丸，挤压，冷拨等工艺，就是利用材料的冷作硬化来提高材料强度的。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。e点是σ-ε曲线的最高点，定义为材料的强度极限又称作材料的抗拉强度记作σb ( )。对低碳钢来说σb是材料均匀塑性变形的最大抗力，是材料进入颈缩阶段的标志。 颈缩阶段（ef)：应力达到强度极限后，塑性变形开始在局部进行。局部截面急剧收缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直到断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在破断的试样上。材料的塑性通常用试样断裂后的残余变形来衡量，单拉时的塑性指标用断后伸长率δ和断面收缩率Ψ来表示。 其中 L1，A1分别代表试样拉断后的标距和断口的面积。 低碳钢颈缩部分的变形在总变形中占很大比重如图所示。测试断后伸长率时，颈缩局部及其影响区的塑性变形都应包含在L1之内。这就要求断口位置应在标距的中央附近。若断口落在标距之外则试验无效。 工程上通常认为，材料的断后伸长率δ> 5%属于韧断，δ< 5%则属于脆断。韧断的特征是断裂前有较大的宏观塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状组织。低碳钢断裂时有很大的塑性变形，断口为杯状周边为45°的剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状，因此是一种典型的韧状断口。 铸铁是典型的脆性材料，其拉伸曲线如图所示。其拉伸过程较低碳钢简单，可近似认为是经弹性阶段直接过渡到断裂。其破坏断口沿横截面方向，说明铸铁的断裂是由拉应力引起，其强度指标只有σb。由拉伸曲线可见，铸铁断后伸长率甚小，所以铸铁常在没有任何预兆的情况下突然发生脆断。因此这类材料若使用不当，极易发生事故。铸铁断口与正应力方向垂直，断面平齐为闪光的结晶状组织，是典型的脆状断口。  多数工程材料的拉伸曲线介于低碳钢和铸铁之间，常常只有两个或三个阶段如图。但强度、塑性指标的定义和测试方法基本相同。所以，通过拉伸破坏试验，分析比较低碳钢和铸铁的拉伸过程，确定其机械性能，在机械性能试验研究中具有典型意义。   低碳钢试件压缩时，在屈服前P-ΔL关系曲线与拉伸时相似，但无明显的屈服阶段，当指针转动暂停或稍有退回时的载荷即为屈服载荷。此后，由于塑性变形试件面积随载荷增加而逐渐增大，最后试件被压成饼状而不破裂，故无法求得最大载荷及强度极限，只能测取屈服点σs即： （式中：Ps屈服时的载荷；A0试件原始横截面面积）。 进行压缩试验时，由于试验机装有球形承垫，球形承垫位于试件下端。当试件端面略有不平行时，球形承垫可以自动调节，使压力趋于均匀分布。为了减少试件两端面与支承座之间的摩擦力，可在试件端面涂上石墨、润滑油等。但仍不可避免地存在摩擦力而阻止试件的横向变形，以致试件被压成鼓形。 铸铁试件受压时，在很小的塑性变形下发生了破坏，如图，因此只能测出它的破坏抗力Pb由σb=Pb/A0。可得铸铁的强度极限。铸铁受压呈微鼓形破坏，试件表面将出现与试件横截面成45°～ 50°的倾斜裂纹，这是因为铸铁受压时，实际上是先达到剪力极限而破坏。 四．实验步骤： 1．试件：采用国家标准GB228-87所规定的圆棒试件，拉伸试件如图2-1所示，其直径D和试验段L0满足L0/D=10或5。压缩试件如图2-2所示，一般规定为    图2-1          图2-2 2．测量试件尺寸：在试件标距L0范围内，用游标卡尺分别测量试件两端及中部三个横截面直径，每处在相互垂直的两个方向各测一次，取平均值为该截面直径，以三处测量结果中的最小截面的直径作为D，计算试件的横截面积。 3．确定标距长度L0，填入数据记录表内，在试件中间截取标距长度L0，把标距长度分为10等份并用笔画上标记，以便于当试件断裂不在中间部位时进行换算。从而求得比较准确的延伸率。 4．开机实验：电子材料试验机可以做拉伸、压缩、剪切、弯曲等试验，故习惯上称它为万能材料试验机，万能材料试验机有机械、液压和电子等多种类型。目前普遍采用电子材料试验机，试验机主要由加力部分和测力部分组成。电子材料试验机的构造、工作原理及操作介绍详见电子材料试验机。开机前必须认真阅读操作说明，并经过指导教师检查后方可开机进行实验。 5.安装试件:根据试样长度调整试验机的上、下夹头的位置，达到适当的位置后，试件先安装在试验机的下夹头内。试样安装必须正确，试样的轴线应与上、下夹头的轴线重合，防止出现试样偏斜和夹持部分过短的现象。试验机调零后，再把试件上夹头夹紧。 6.电子试验机操作流程: 1）测试前的准备工作：（限位及过载保护的设置） 限位保护：本机配有上下机械限位保护，每一级同时配有程控和机械位置保护，当程控失效后，机械保护起作用，系统断电，当出现此情况时，说明程控限位有故障，排除故障后，方可进行测试；在试验开始测试之前，必须调整好限位紧固螺钉，程控保护有效时，十字头只能向相反方向移动。 警告! 在试验开始之前，必须调整限位位置，无误后，方可进行试验，否则有可能损坏设备。 过载保护：超过满量程的5%时进行保护，伺服断电，同时十字头移动停止。警告！ 过载时严禁快速移动十字头，只能慢速卸载。 2）开机： 打开显示器及计算机电源开关。 打开主机电源开关。 按控制器上的电源按钮，若计算机控制，控制器的工作方式必须为“PC-CTRL”（单机工作为“MC-CTRL”）。 待控制器出现计算机控制界面后，双击桌面上的“试验软件”图标。软件启动后点击主界面上的“伺服启动”按钮，之后可以进行移动横梁和试验等操作。 3）试验条件输入与选择：（测试前用户必须输入与测试相关的试验参数以及试验选择，具体过程如下：） 设置选项：选择负荷传感器（若配置两个以上）。 设置选项：选择负荷单位、强度、长度单位。 设置选项：选择引伸计（或X轴）处理方式。 设置选项：选择试验类型（如拉伸、压缩等）及模板。 设置选项：选择需要输出的数据项与之相应的修约间隔。 设置选项：输入相关的规定值（若需要）。 试样参数：根据的试样特性进行计算面积处理选择；试样尺寸、试验数量等参数输入。 试验控制：确定过程控制阶段，并输入相关的数据，设置试验结束控制 图形设置：依材料的力学性能指标，输入坐标轴显示最大值，最小值通常设为0，若最大值无法确定，通常设置小一些，在测试过程中自动调整大小。 主界面：正确输入存储文件名（试验编号），系统在测试结束后自动按该编号存储数据。建议最好以年月日为字符串，以便追溯。 装卡试件：在夹持试样（第一个试样）前必须点击负荷【调零】按钮进行负荷调零 ，以后可以不再调零。测试时伸长、位移、时间自动调零。 选择控制方式：若为负荷控制（或应力控制），按【开始测试】按钮，开始预加载，待预加载值达到后进行以下操作。 夹持引伸计（若使用引伸计），最好夹持在试样的中间部分。 测试开始：等上述工作全部完成后可进行以下操作：菜单操作，除用鼠标在主界面上菜单操作外还可用键盘操作。热键:〈Alt〉+〈T〉+〈T〉 快捷键:〈F5〉；便捷按钮操作：用鼠标点击【开始测试】按钮，即可进入测试。 4）结束测试： 测试正常结束：依测试条件中的试验结束条件而定；是破坏结束，还是非断裂结束，结束后十字头是停止，还是以最高速返回到原来位置，结束后，大约等1秒钟，试验数据显示在主界面，观看其实验结果。（注：直接按<空格>键，试验正常结束，试验结果有效。） 测试终止：由于人为因素，如试样未夹持好或引伸计忘夹持等等，此时可以在测试状态下，点击主界面工具条上【终止测试】按钮，终止测试，同时十字头停止移动。终止测试。 5）关机： 关闭主机电源。 退出试验软件 退出Windows：点击任务栏的【开始】按钮，点击“关闭计算机”，弹出一对话框，选择“关闭计算机”，点击【是（Y）】按钮。等计算机主机电源关闭后，关闭显示器。 6）安全注意事项： 材料试验涉及由于载荷高、移动速度快和贮存的能量而带来的固有危险。必须清楚，所有的可移动和可操作部件都是潜在的危险，尤其是电动机械试验系统的移动横梁。一旦认为出现危险，立刻按下“紧 急停止”按钮，停止试验并切断试样系统的电源。因此，实验前要仔细阅读所有相关手册并查看所有“警告”与“注意”。确保将要在材料、组件或结构上使用的试验设置和实际试验不会对自己或他人造成危险。充分利用所有的机械和电子限位功能。这些限位可以防止作动缸活塞或移动横梁的移动超过需要的操作区域。同时为试样和设备提供保护以减少潜在的危险。 五．试验结果记录及数据处理：     根据力学性能指标的计算公式及试验中所测定的数据，分别计算出材料的各力学性能参数，根据试验所绘出的P-ΔL图，画出图。对试验中的各种现象及破坏情况进行分析和比较，并写进实验报告中。     完成实验后，每个学生都要独立写出实验报告。实验报告是对所作试验的综合报告，其要求包括：用自己的语言，准确扼要的叙述实验的目的、原理、步骤和方法，记录所使用的设备和仪器的名称与型号、数据计算、实验结果、问题讨论等内容。要求做到字迹端正、绘图清晰、表格简明。 六．思考题： 低碳钢在拉伸过中可分为几个阶段，各阶段有何特征？ 低碳钢和铸铁在拉伸和压缩实验中的性能和特点有什么不同？比较低碳钢与铸铁试件拉伸与压缩图的差异。比较低碳钢与铸铁试件在拉伸与压缩时的力学性能。比较低碳钢与铸铁试件在拉伸与压缩破坏时形状。比较铸铁试件在拉伸与压缩时的强度。 何谓“冷作硬化”现象？此现象在工程中如何运用。 为什么低碳钢压缩时测不出强度极限？ 铸铁压缩时沿大约45o斜截面破坏，拉伸时沿横截面破坏，这种现象说明了什么？  （附：）实验报告格式参考 一．实验目的： 二．实验设备仪器：    三．实验原理： 四．实验步骤： 五．实验数据记录及结果处理： 1．拉伸实验： 1）实验前拉伸试件尺寸： 材料名称 标距 mm 直径D(mm) 最小横截面面积A 0 (mm2 ) 横截面Ⅰ 横截面Ⅱ 横截面Ⅲ 1 2 平均 1 2 平均 1 2 平均 碳钢 铸铁 2）实验数据： 材料 屈服载荷 p s（kN） 最大载荷 p b（kN） 拉断后标距L 1 （mm） 颈缩处直径 d 1 （mm） 颈缩处最小横截 面积A 1 （mm2 ） 碳钢 铸铁 3）计算结果： 材料名称 强 度 指 标 塑 性 指 标 屈服极限σs（MPa） 强度极限σb（MPa） 延伸率δ(%) 截面收缩率 ψ (%) 碳钢 铸铁 4）根据试验结果绘制拉伸（σ-ε）曲线及试样断口草图。 EMBED Visio.Drawing.11 材料 拉 伸 试 件 破 坏 断 口 草 图 碳 钢 铸 铁 2．压缩实验 1）试件尺寸及测试结果 材 料 低 碳 钢 铸 铁 直 径 D = mm D = mm 截 面 积 A0 = mm2 A0 = mm2 高 度 h = mm h = mm 屈服载荷 Ps=　　　　 kN 无 最大载荷 无 Pb = KN 屈服强度 (s=　　　 　MＰa 无 抗压强度 无 (b = MPa 压缩试件破坏草图图     2）根据实验结果绘制压缩图（σ-ε）曲线 EMBED Visio.Drawing.11 六．思考题回答： 低碳钢在拉伸过中可分为几个阶段，各阶段有何特征？ 低碳钢和铸铁在拉伸和压缩实验中的性能和特点有什么不同？比较低碳钢与铸铁试件拉伸与压缩图的差异。比较低碳钢与铸铁试件在拉伸与压缩时的力学性能。比较低碳钢与铸铁试件在拉伸与压缩破坏时形状。比较铸铁试件在拉伸与压缩时的强度。 为什么低碳钢压缩时测不出强度极限？ 铸铁压缩时沿大约45o斜截面破坏，拉伸时沿横截面破坏，这种现象说明了什么？ · · · · · · · · · 80 70 60 50 40 30 20 10 0 20 15 10 5 0 颈缩试样各分格的伸长 P 0 0 （a） P （b） 不同类型材料的拉伸图 � EMBED Equation.DSMT4 ���L � EMBED Equation.DSMT4 ���L 8 _1234567897.unknown _1234567901.unknown _1234567903.vsd D h _1234567905.vsd _1234567907.vsd _1234567908.vsd _1234567906.vsd _1234567904.unknown _1234567902.vsd � _1234567899.unknown _1234567900.unknown _1234567898.unknown _1234567893.unknown _1234567895.unknown _1234567896.unknown _1234567894.unknown _1234567891.unknown _1234567892.unknown _1234567890.unknown