材料力學性能實驗(2個)講解

1、材料力學性能實驗教學指導書實驗總學時： 4實驗項目： 1. 準靜態(tài)拉伸2. 不同材料的沖擊韌性材料科學與工程學院實驗中心工程材料及機制基礎實驗室實驗一準靜態(tài)拉伸一、實驗目的1 觀察低碳鋼（塑性材料）與鑄鐵（脆性材料）在準靜態(tài)拉伸過程中的各種現(xiàn)象（包 括屈服、強化和頸縮等現(xiàn)象），并繪制拉伸圖。2. 測定低碳鋼的屈服極限 （T S,強度極限b b,斷后延伸率3和斷面收縮率“。3 測定鑄鐵的強度極限 T b。4比較低碳鋼和鑄鐵的力學性能的特點及斷口形貌。二、概述靜載拉伸試驗是最基本的、應用最廣的材料力學性能試驗。一方面，由靜載拉伸試驗測 定的力學性能指標，可以作為工程設計、評定材料和優(yōu)選工藝的依據(jù)，

2、具有重要的工程實際 意義。另一方面，靜載拉伸試驗可以揭示材料的基本力學行為規(guī)律，也是研究材料力學性能 的基本試驗方法。靜載拉伸試驗，通常是在室溫和軸向加載條件下進行的，其特點是試驗機加載軸線與試 樣軸線重合，載荷緩慢施加。在材料試驗機上進行靜拉伸試驗，試樣在負荷平穩(wěn)增加下發(fā)生變形直至斷裂，可得出一系列的強度指標（屈服強度 CTs和抗拉強度b ）和塑性指標（伸長率 3和斷面收縮率）。通 過試驗機自動繪出試樣在拉伸過程中的伸長和負荷之間的關系曲線，即P I曲線，習慣上稱此曲線為試樣的拉伸圖。圖 1即為低碳鋼的拉伸圖。試樣拉伸過程中，開始試樣伸長隨載荷成比例地增加，保持直線關系。當載荷增加到一 定值

3、時，拉伸圖上出現(xiàn)平臺或鋸齒狀。這種在載荷不增加或減小的情況下，試樣還繼續(xù)伸長的現(xiàn)象叫屈服，屈服階段的最小載荷是屈服點載荷FS, P除以試樣原始橫截面面積 Ao即得到屈服極限二s:Ps試樣屈服后，要使其繼續(xù)發(fā)生變形，則要克服不斷增長的抗力，這是由于金屬材料在塑 性變形過程中不斷發(fā)生的強化。這種隨著塑性變形增大，變形抗力不斷增加的現(xiàn)象叫做形變 強化或加工硬化。由于形變強化的作用，這一階段的變形主要是均勻塑性變形和彈性變形。當載荷達到最大值 Pb后，試樣的某一部位截面積開始急劇縮小，出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象，此后的變形主要集中在縮頸附近，直至達到Pb試樣拉斷。Pb除以試樣原始橫截面面積 A0即得到強度極限（

4、抗拉強度）PbA拉伸試驗還可得到塑性指標，即伸長率和斷面收縮率“ 伸長率-拉斷后的試樣標距部分所增加的長度與原始標距長度的百分比，即Io式中 lo 試件原始標距，為 100伽，|1 試件拉斷后標距長度。斷面收縮率2 為了測定低碳鋼的斷面收縮率，試件拉斷后，在斷口處兩端沿互相垂直的方向各測一次直徑，取平均值di計算斷口處橫截面面積，再按下式計算面積收縮率：二 Ao 一 A1 100%A式中A。一試件原始橫截面面積A1試件拉斷后斷口處最小面積。試件開始受力時，由于頭部在夾頭內滑動較大，故繪出的拉伸圖最初一段是曲線。分析時應將直線段延長與橫坐標相交于0點，作為坐標原點。OA段為彈性階段載荷與變形成正

5、比，BC段為屈服階段，CD段為強化階段，DE段為頸縮階段，至 E點試件被拉斷。鑄鐵的拉伸圖如圖 2所示。鑄鐵試件在承受拉力變形極小時，就達到最大載荷而突然發(fā)生斷裂。它沒有屈服和頸縮現(xiàn)象，故在拉伸時，一般只能測定其強度極限cb ,試件沿橫截面斷裂。FbA。 1 Z & E三、實驗設備與材料1. 實驗設備：(1) SHT4605型微機控制萬能材料試驗機。(2) 游標卡尺。2. 實驗材料：直徑為d的圓截面試件，短試件和長試件的標距10分別為5d和10 d。本實驗采用圓截 面的長試件（d= 10mm 10 = 100mm 四、實驗內容與方法1. 實驗內容：(1) 了解材料試驗機的構造、原理及操作；(2

6、) 列表記錄低碳鋼、鑄鐵的原始尺寸及實驗后尺寸，計算出S“(低碳鋼)；(3) 畫出P L曲線，并計算出低碳鋼試樣的d s、d b及鑄鐵試樣的d b;(4) 比較兩種材料的力學性能的特點、斷口形貌及斷裂方式。2. 實驗方法及步驟：(1) 試件準備用游標卡尺測量標距兩端及中間這三個橫截面處的直徑，在每一橫截面內沿互相垂直的 兩個直徑方向各測量一次取其平均值。用所測得的三個平均值中最小的值計算試件的橫截面 面積A0。將測量的試件橫截面處的直徑及計算出的橫截面面積Aq填入表中。(2) 試驗機準備打開計算機，進入試驗機控制系統(tǒng)主界面，在用戶參數(shù)輸入?yún)^(qū)內輸入試驗參數(shù)，如試樣標距、 試樣直徑、試樣種類等。然

7、后點擊【試驗】按鈕進入試驗。(3) 安裝試件調整下橫梁使上下夾頭的距離小于試件的長度。先將試件安裝在試驗機的上夾頭內，再 調整下橫梁使其達到適當位置，把力值清零，然后把試件下端夾緊，位移值清零。(4) 進行試驗點擊屏幕右邊的【運行】按鈕加載。注意觀察測力窗口、位移窗口的情況和相應的試驗 現(xiàn)象。若出現(xiàn)力和位移值為負值或其它異常情況，請立即按下右邊立柱旁的“急停”按鈕，或【速度欄】內的停止按鈕。試驗結束后取下試件。將低碳鋼試件的屈服載荷Ps和最大載荷Pb記入表中。然后將 斷裂試件的兩段對齊并盡量靠緊，用游標卡尺測量斷裂后標距段的長度11;測量兩段斷口（頸縮）處的直徑di，應在每一斷口處沿兩個互相垂

8、直方向各測量一次，計算其平均值，取其中 最小值計算斷口處最小橫截面面積Ai。把測量值和計算值填入表中。將鑄鐵試件的最大載荷 Pb記入表中。五、試驗結果的處理1 根據(jù)屈服載荷 Ps及最大載荷Pb計算低碳鋼試件的屈服極限 （T s及低碳鋼試件和鑄鐵 試件的強度極限T b。A0A0S及斷面收縮2 根據(jù)試件前、后的標距段長度及橫截面面積計算低碳鋼試件的延伸率ioo%10 =A 如 100%Ao六、實驗要求：1. 學生進入實驗室前必須做好實驗預習，認真閱讀實驗指導書，明確實驗目的、任務、有關原理、操作的主要步驟、注意事項。2. 實驗過程中必須嚴格遵守操作規(guī)程及注意事項，自覺遵守實驗室的各項規(guī)章制度。3.

9、 獨立完成實驗。4. 認真觀察和分析實驗現(xiàn)象，做好實驗數(shù)據(jù)記錄。5. 按照格式要求認真撰寫實驗報告，不得抄襲。七、注意事項1. 未經指導教師同意不得開動機器。2. 操作者不得擅自離開操縱臺。3. 試件安裝必須正確、防止偏斜和夾入部分過短的現(xiàn)象。4. 試驗時聽見異常聲音或發(fā)生任何故障，按下急停按鈕立即停車。實驗二不同材料的沖擊韌性一、實驗目的1. 了解沖擊試驗方法。2. 測定低碳鋼與鑄鐵的沖擊韌性ak值。二、概述（1）沖擊實驗是研究材料對于動荷抗力的一種實驗，和靜載荷作用不同，由于加載速 度快，使材料內的應力驟然提高，變形速度影響了材料的力學性質，所以材料對動載荷作用 表現(xiàn)出另一種反應。（2）此

10、外在金屬材料的沖擊實集中驗中，還可以揭示在靜載荷時不易發(fā)現(xiàn)的某些結構 特點和工作條件對機械性能的影響（如應力，材料內部缺陷，化學成分和加荷時溫度，受力狀態(tài)以及熱處理情況等），因它在工藝分析比較和科學研究中都具有一定的意義，在工程上常采用“沖擊韌性”來表示材料抵抗沖擊的能力。把金屬材料制成標準試件（金屬夏比（ V型缺口）試件）（圖1.1），安置在沖擊試驗機的 機座上（圖1.2），使它受沖擊而折斷。記錄試件折斷所消耗的能量Ak,將Ak用缺口處的橫截面面積a去除，所得的數(shù)值定義為材料的沖擊韌性ak。ak=Ak(J/cm2)ak對材料品質、內部缺陷和晶粒大小等比較敏感。再加上沖擊試驗簡便易行，所以常用

11、 來檢驗材料質量、內部缺陷、脆性程度等。在試件上制作缺口是為了使試件由該處折斷。分析表明，在缺口根部附近材料處于三向拉應力狀態(tài)。某些金屬在靜力拉伸下表現(xiàn)出良好的塑性，但處于三向拉應力作用下卻有增加 其脆性的傾向。所以塑性材料的缺口試件在沖擊作用下，一般都呈現(xiàn)脆性破壞方式（斷裂） 試驗表明，缺口的形狀，試件的絕對尺寸及材料的性質等因素都會影響斷口附近參與塑性變 形的體積，因此，沖擊試驗必須在規(guī)定的標準下進行。同時，缺口的加工也十分重要，一般 應當銃削或磨削，以保證尺寸準確。3D+ T*圖1.1圖1.2圖1.3沖擊試驗機的構造原理如圖1.3所示。將擺錘向上擺起（如圖所示的a角），于是擺錘便具有一定

12、的位能。試驗時，令擺錘突然下落，沖擊安裝在機座上的試件，將試件沖斷。試件 折斷所消耗的能量等于擺錘原來的位能（在a角處）與其沖斷試件后在揚起位置（3角處）時的位能之差。三、實驗設備與材料1 實驗設備：（1）示波沖擊試驗機；（2）游標卡尺2 實驗材料：低碳鋼（V型缺口）試件和鑄鐵試件各一件四、實驗內容與方法1. 實驗內容：（1）測量試件尺寸。（2）打開電源開關，使擺桿揚起；（ 3）安裝沖擊試樣，令缺口背對擺錘刃口，并使缺口中心線與跨距中心線重合；（ 4）給沖擊指令，使擺桿自由下落，沖斷試樣；（ 5）記錄試樣在沖擊過程中吸收的能量Ak 值。（6）觀察低碳鋼和鑄鐵的斷口形貌。2. 實驗方法與步驟（1

13、）打開沖擊試驗機的電源，觀察指示燈是否亮。（2）點擊【揚擺】按鈕，使擺錘揚到位。（ 3 ）點擊【沖擊】按鈕，進行沖擊測試。（ 4）記錄試件的吸收能量 Ak 值。（5）實驗完畢后按住【放擺】按鈕，執(zhí)行放擺操作。五、試驗結果的處理1.根據(jù)試件折斷所消耗的能量Ak 值，計算低碳鋼與鑄鐵的 ak，2.觀察兩種材料斷口的差異，并畫出兩種材料的破壞斷口草圖。六、實驗要求任務、1學生在進入實驗室前必須做好實驗預習，認真閱讀實驗指導書， 明確實驗目的、有關原理、操作的主要步驟、注意事項。2實驗過程中必須嚴格遵守操作規(guī)程及注意事項，自覺遵守實驗室的各項規(guī)章制度。 3獨立完成實驗。4認真觀察和分析實驗現(xiàn)象，做好實

14、驗數(shù)據(jù)記錄。 5按照格式要求認真撰寫實驗報告，不得抄襲。七注意事項本實驗屬動荷實驗，而且實驗機為自動控制，故需嚴格按操作規(guī)程進行實驗，特別要注 意安全。 點擊“沖擊”前必須將安全門關閉。安放試件時，絕對不許點擊【沖擊】按鈕。實 驗結束后一定將擺錘放下。實驗一：準靜態(tài)拉伸實驗報告、實驗目的:、實驗設備及儀器試驗機型號、名稱：量具型號、名稱：三、試件1）試件材料：試件1:低碳鋼；試件2:鑄鐵2）試件形狀和尺寸：實驗前實驗后試件原始形狀圖試件斷后形狀圖尺寸低碳鋼鑄鐵尺寸:低碳鋼鑄鐵平均直徑：do（ mm）最小直徑：di（ mm ）橫截面積：2Ao （ mm ）最小截面積：Ai （ mm ）標距長度：

15、Lo（ mm ）斷后長度：L1（ mm ）四、實驗數(shù)據(jù)及計算結果實驗數(shù)據(jù)計算結果試件屈服載荷取大載何屈服極限強度極限延伸率截面收縮率Fs(kN)Fb(kN)S(MPa)crb(MPa)6(%)屮（）低碳 鋼鑄鐵附：計算公式：屈服極限：.一Fs- s 延伸率：、- LlLo100%ALo強度極限：Fbb斷面收縮率：-A0 100%AAo五、拉伸曲線示意圖鑄鐵低碳鋼六、回答問題1）參考低碳鋼拉伸圖，分段回答力與變形的關系以及在實驗中反映出的現(xiàn)象。2）由低碳鋼、鑄鐵的拉伸圖和試件斷口形狀及其測試結果，回答二者機械性能有什么不同。報告人班級實驗成績實驗日期實驗二 不同材料的沖擊韌性實驗報告、實驗目的：、實驗設備及儀器：試驗機型號、名稱：量具型號、名稱：三、試件1試件材料：試件1: