金屬材料的拉伸與壓縮試驗(yàn)

1、機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心金屬材料的拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)1.1金屬材料的拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中最重要的實(shí)驗(yàn)之一。任何一種材料受力后都要產(chǎn)生變形，變形到一定程度就可能發(fā)生斷裂破壞。材料在受力一一變形斷裂的這一破壞過(guò)程中，不僅有一定的變形能力，而且對(duì)變形和斷裂有一定的抵抗能力，這些能力稱為材料的力學(xué)機(jī)械性能。通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)，可以確定材料的許多重要而又最基本的力學(xué)機(jī)械性能。例如：彈性模量E、比例極限Rp、上和下屈服強(qiáng)度 ReH和ReL、強(qiáng)度極限Rm、延伸率A、收縮率Z。 除此而外，通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，往往還可以大致判定某種其它機(jī)械性能， 如硬度等。我們以兩種材料 一一低碳鋼，鑄鐵做拉伸試驗(yàn)，

2、以便對(duì)于塑性材料和脆 性材料的力學(xué)機(jī)械性能進(jìn)行比較。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是研究材料在靜載和常溫條件下的拉斷過(guò)程。利用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)繪出的載荷 一一變形圖，及試驗(yàn)前后試件的尺寸來(lái)確定其機(jī)械 性能。試件的形式和尺寸對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有很大影響，就是同一材料由于試件的計(jì)算長(zhǎng)度不同，其延伸率變動(dòng)的范圍就很大。例如：對(duì)45#鋼：當(dāng)Lo= 1Odo時(shí)（Lo為試件計(jì)算長(zhǎng)度，do為直徑），延伸率Aio =2429%，當(dāng) Lo= 5d0 時(shí)，A5 = 2325%。為了能夠準(zhǔn)確的比較材料的性質(zhì)，對(duì)拉伸試件的尺寸有一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。按國(guó)標(biāo) GB/T228-2002、GB/P7314-2005的要求，拉伸試件一般采用下 面兩種形

3、式：1矩形截面時(shí)，L0= 11.3 ； S0矩形截面時(shí),L°= 5.65圖1-11. 10倍試件；圓形截面時(shí)，L0= 10d02. 5倍試件圓形截面時(shí)，L°= 5dd0試驗(yàn)前試件計(jì)算部分的直徑；S0試驗(yàn)前試件計(jì)算部分?jǐn)嗝婷娣e。此外，試件的表面要求一定的光潔度。光潔度對(duì)屈服點(diǎn)有影響。因此,試件表面不應(yīng)有刻痕、切口、翹曲及淬火裂紋痕跡等。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 研究低碳鋼、鑄鐵的應(yīng)力 一一應(yīng)變曲線拉伸圖。2 確定低碳鋼在拉伸時(shí)的機(jī)械性能（比例極限Rp、下屈服強(qiáng)度 ReL、強(qiáng)度極限Rm、延伸率A、斷面收縮率Z等）。3. 確定鑄鐵在拉伸時(shí)的力學(xué)機(jī)械性能。二、實(shí)驗(yàn)原理：拉伸實(shí)驗(yàn)是測(cè)定材料

4、力學(xué)性能最基本的實(shí)驗(yàn)之一。在單向拉伸時(shí) FAL （力一一變形）曲線的形式代表了不同材料的力學(xué)性能，利用:F也LRSoLo可得到R £曲線關(guān)系。三、實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備、儀器和工具1、Zwick電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)一臺(tái)2、游標(biāo)卡尺一支3、記號(hào)筆一支4、低碳鋼、鑄鐵試件各一個(gè)四、試件尺寸測(cè)量1. 量度試件尺寸：1） 試驗(yàn)前在試件兩端及中部選擇三個(gè)截面，每個(gè)截面用游標(biāo)卡尺分別相互垂直各測(cè)一次直徑，取其三點(diǎn)平均值中的最小值作為試件的直徑d。當(dāng)?shù)吞间撛嚰瓟嗪?，用游?biāo)卡尺在頸縮段的最小截面處的互相垂直的兩個(gè) 方向各測(cè)量一次直徑，取其平均值作為試件斷口處的最小值du。2）確定計(jì)算長(zhǎng)度Lo。在試件中間等粗

5、的細(xì)長(zhǎng)部分內(nèi)，量取計(jì)算長(zhǎng)度Lo （按10倍或5倍試件確定）。然后用記號(hào)筆把計(jì)算長(zhǎng)度 Lo分成若干等分（通常是以5mm或10mm 為一等分）。以便當(dāng)試件斷裂不在中間時(shí)進(jìn)行換算，從而求得比較正確的延 伸率。建議使用下列表格表1.1。表1.1拉伸試件原始尺寸數(shù)據(jù)記錄材料標(biāo) 距Lo (mm)直徑d°（mm）橫截 面面積S0截面1截面II截面III12平均12平 均12平 均低碳鋼鑄鐵五、實(shí)驗(yàn)步驟參見(jiàn)1.3中的Zwick電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)操作步驟六. 試驗(yàn)注意事項(xiàng)：隨時(shí)注意觀察試件在拉伸過(guò)程中的形狀變化和應(yīng)力一一應(yīng)變曲線的變化情況。1）當(dāng)試件拉伸過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力一一應(yīng)變曲線出現(xiàn)平臺(tái)時(shí)載荷即到達(dá) 屈服

6、階段，在試件表面可能出現(xiàn)契爾諾夫滑移線。2 ）過(guò)了屈服階段后，觀察冷作硬化現(xiàn)象。3）當(dāng)載荷到達(dá)最大值（Fm）時(shí)，曲線開(kāi)始回落下降，密切注意試件 形狀的變化，此時(shí)可看到頸縮現(xiàn)象。4）試件拉斷后，立即停機(jī)存盤(pán)。打印出所得的拉伸圖，取下試件并量度此時(shí)的斷后標(biāo)距長(zhǎng)度Lu （如果試件是斷在計(jì)算長(zhǎng)度之外的作廢）和頸縮處的最小直徑 du。量度時(shí)將試件的兩半接在一起，使其盡量緊貼。七. 試驗(yàn)結(jié)果整理和計(jì)算:1）對(duì)拉伸曲線的修正。拉伸曲線得到后，往往在開(kāi)始處形成如圖1-2中所示的不規(guī)則的曲線。這是由于試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，握緊器、夾具和試件之間尚未緊密相接。并非完全由即將拉伸圖直線部分往下延長(zhǎng),Rm。并求出：Fe于試件變

7、形所致。因此對(duì)此曲線要進(jìn)行修正， 它與橫座標(biāo)相交，交點(diǎn)即為原點(diǎn)。2 ）根據(jù)拉伸圖，找出相應(yīng)的ReL,下屈服點(diǎn)ReL =強(qiáng)度極限3）計(jì)算延伸率:Rm =FmS0A =100%Lo3試件拉斷后的殘余變形在整個(gè)長(zhǎng)度的分布是非均勻的。在頸縮部分大, 而非頸縮部分殘余變形小一些（見(jiàn)圖1-4）。圖1-4圖1-5由此看出，斷在中間時(shí)，試件殘余變形最大，延伸率也最大。為了對(duì)同一種材料只得出一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值，不因斷裂的位置而異，可以將試驗(yàn)所得到的殘余變形換算成相當(dāng)于試件在中間斷裂時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值”此方法叫 斷處移中法”（見(jiàn)圖1-5）。A = m一2nS 100%例如在圖1.5中，其延伸率應(yīng)換算為L(zhǎng)o其中：m及n的小

8、格數(shù)目依具體情況而選定。4）斷面收縮率：Z =乞冬00%SoSu頸縮處的最小面積。5）拉斷時(shí)頸縮處的實(shí)際應(yīng)力：/FmR m =Su1.2金屬材料的壓縮試驗(yàn)一、試驗(yàn)?zāi)康难芯亢捅容^塑性材料與脆性材料在室溫下單向壓縮時(shí)的力學(xué)性能。二、壓縮試件與試驗(yàn)所用機(jī)器、儀器和工具：1、壓縮試件取兩種不同材料的試件 一一低碳鋼和鑄鐵。金屬試件一般采用圓柱形, 其高與直徑之比應(yīng)為IV Lo/do V 2。其它材料的試件一般都采用立方體。2、試驗(yàn)所用機(jī)器、儀器和工具：與拉伸試驗(yàn)相同，采用壓縮夾具。三、實(shí)驗(yàn)步驟：1、量試件尺寸（長(zhǎng)、寬、高、直徑） 。2、把試件放在試驗(yàn)機(jī)上。3、開(kāi)機(jī)動(dòng)器，進(jìn)行試驗(yàn)，一直到試件破壞。4、卸

9、去載荷，取出破壞的試件。5、打印出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。具體可參見(jiàn)1.3中的Zwick電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)操作步驟四、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、 低碳鋼不能壓到破壞，壓到45kN時(shí)即停止試驗(yàn)。2、為了能很好地觀察鑄鐵的破壞裂紋，在試驗(yàn)中，一但發(fā)現(xiàn)載荷值上 升緩慢時(shí)，需及時(shí)停止加載。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理和計(jì)算1低碳鋼：低碳鋼為塑性材料，其壓縮圖見(jiàn)圖1-6，開(kāi)始時(shí)遵守胡克定律沿直線上升，比例極限以后變形加快，但無(wú)明顯屈服階段。相反地，圖形逐漸向上彎 曲。這是因?yàn)樵谶^(guò)了比例極限后，隨著塑性變形的迅速增長(zhǎng)，而試件的橫截面積逐漸增大，因而承受的載荷也隨之增大。從實(shí)驗(yàn)我們知道，低碳鋼試件可以被壓成極簿的平板而一般不破壞。因此，其強(qiáng)度

10、極限一般是不能確定的。我們只能確定的是壓縮的屈服極限應(yīng)力。Rsc=FSCSo2.鑄鐵：鑄鐵為脆性材料，其壓縮圖在開(kāi)始時(shí)接近于直線，與縱軸之夾角很小， 以后曲率逐漸增大，最后至破壞，因此只確定其強(qiáng)度極限（見(jiàn)圖1-7）。5Rm =beSo圖1-7鑄鐵壓縮圖1-6低碳鋼壓縮鑄鐵試件受壓力作用而縮短,表明有很少的塑性變形的存在。當(dāng)載荷達(dá)到最大值時(shí)，試件即破壞，并在其表面上出現(xiàn)了傾斜的裂縫（裂縫一般大致在與橫截面成45。的平面上發(fā)生）鑄鐵受壓后的破壞是突然發(fā)生的，這是脆 性材料的特征。從試驗(yàn)結(jié)果與以前的拉伸試驗(yàn)結(jié)果作一比較， 可以看出，鑄鐵承受壓縮 的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于承受拉伸的能力。 抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)抗拉強(qiáng)

11、度， 這是脆性材 料的一般屬性。13電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)介圖1-8電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)稱電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)， 是材料力學(xué)性能測(cè)試的專用 設(shè)備，主要用于材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等力學(xué)性能試驗(yàn)。電子萬(wàn)能 試驗(yàn)機(jī)是機(jī)械技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子（計(jì)算機(jī)）測(cè)量、控制及數(shù)據(jù)處理技 術(shù)結(jié)合的新型試驗(yàn)機(jī)。 與以往的機(jī)械式和液壓式試驗(yàn)機(jī)相比， 近年來(lái)生產(chǎn)的 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)最突出的特點(diǎn)是利用計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)過(guò)程， 并完成測(cè)量數(shù)據(jù) 的自動(dòng)采集和處理。 不同廠家生產(chǎn)的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)雖然在結(jié)構(gòu)形式、 操作 界面、使用功能及技術(shù)性能上存在差異，但基本結(jié)構(gòu)和工作原理是類似的， 一般都包括機(jī)械加載架、試樣夾持裝

12、置、測(cè)量系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)、 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等基本工作單元。 常見(jiàn)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)按照最大載荷 劃分為 10kN 、20 kN、50 kN 、 100 kN 、200 kN 、 250 kN 等不同的規(guī)格。一、電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理試驗(yàn)機(jī)主要由機(jī)械加載、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等部分組成（如圖 1.9 所 示）。加載是通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)而使活動(dòng)橫梁上下移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在7伺服控制器數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)/I L, J顯示器計(jì)算機(jī)打印機(jī)圖1-9電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理1.立柱2.拉伸夾具3.拉伸試樣4.移動(dòng)橫梁5.測(cè)力傳感器6.壓縮夾具7.彎曲夾具8.下橫梁 9.同步齒

13、型傳動(dòng)帶 10.帶輪11.光電編碼器12.伺服電機(jī)13.上橫梁14.滾珠絲杠15.引伸計(jì) 16.手控鍵盤(pán)17.減速機(jī)活動(dòng)橫梁和工作臺(tái)上安裝一對(duì)拉伸、壓縮或彎曲卡具，組成了加載空間。伺服控制系統(tǒng)則控制伺服電機(jī)在給定速度下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同速度下橫梁移動(dòng)從而對(duì)試件加載。測(cè)量系統(tǒng)包括負(fù)荷測(cè)量、試件變形測(cè)量和橫梁位移測(cè)量。負(fù)荷和變形測(cè)量都是利用電測(cè)傳感技術(shù)，通過(guò)傳感器將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。負(fù)荷傳感器安裝在活動(dòng)橫梁上，測(cè)量變形的傳感器一般稱作引伸計(jì)，并且安裝在試件上。橫梁位移的測(cè)量是采用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過(guò)安裝在步進(jìn)電機(jī)上的脈沖編碼器將轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)。三路信號(hào)均經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的 信號(hào)。

14、通過(guò)轉(zhuǎn)換傳給計(jì)算機(jī)，實(shí)施控制和數(shù)據(jù)采集。Zwick電子萬(wàn)能試驗(yàn)及的工作參數(shù)見(jiàn)表 1、2、3。表1.2試驗(yàn)機(jī)的基本參數(shù)型號(hào)最大載何測(cè)量空間橫梁速度mm/min位置精度驅(qū)動(dòng)分辨率Z01010kN440*11000.0005-20000.1(im0.027 (imZ05050kN440*10000.0005-60000.1(im0.016(imZ100100kN640*5000.0005-2000.1(im0.0206(im表1.3力傳感器的基本參數(shù)型號(hào)測(cè)量范圍精度1級(jí)精度0.5級(jí)500N2N500N2N 10N10N500N10kN40N 10kN40N200N200N-10kN50kN200N

15、50kN200N1000N1kN-50kN100kN400N 100kN400N2000N2kN 100kN二、Zwick電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的基本參數(shù)本實(shí)驗(yàn)室主要儀器設(shè)備是德國(guó)Zwick/Roell公司生產(chǎn)的6臺(tái)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，其中在 Z010和Z100試驗(yàn)機(jī)配有目前國(guó)際先進(jìn)的Longstroke （大變形）和Macro （小變形）引伸計(jì)。該室可執(zhí)行拉伸、壓縮、彎曲剝離、裂紋 擴(kuò)展等試驗(yàn)，并能實(shí)現(xiàn)循環(huán)加載及材料的松弛、蠕變等試驗(yàn)，滿足金屬、塑 料、橡膠、紙張、食品、紡織品以及生物力學(xué)方面的測(cè)試要求。其測(cè)試軟件 testXpert II靈活性強(qiáng)、使用方便，配備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析功能，以及靈 活的測(cè)

16、試報(bào)告編輯功能；還具有獨(dú)一無(wú)二的多媒體測(cè)試功能，可以將實(shí)驗(yàn)過(guò)程同步拍攝下來(lái)，并在試驗(yàn)結(jié)束后將測(cè)試過(guò)程和測(cè)試曲線同步回放、分析。 其主要工作參數(shù)見(jiàn)表1.2、表1.3、表1.4。表1.4引伸計(jì)的基本參數(shù)型號(hào)標(biāo)距范圍（mm）測(cè)量范圍（mm）分辨率最大測(cè)量厚度Lon gstroke10-10000-10005(im30mmMacro10-1000-100.3 (im30mm、Zwick電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)操作軟件簡(jiǎn)介Zwick電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的控制和數(shù)據(jù)采集處理均可通過(guò)其功能強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件名稱為T(mén)estXpert n,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的拉伸、壓縮、彎曲實(shí)驗(yàn)。軟件可實(shí)現(xiàn)的功能主要有：設(shè)定加載方式（可

17、采用位移加載、恒應(yīng)變 加載、恒應(yīng)力加載）；設(shè)定實(shí)驗(yàn)機(jī)的環(huán)境參數(shù)；選擇測(cè)試結(jié)果；編輯、打印 實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。9四、 Zwick 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的操作步驟1. 打開(kāi)主機(jī)及計(jì)算機(jī)電源2. 靜候數(shù)秒，以待機(jī)器系統(tǒng)檢測(cè)3. 打開(kāi) TestXpertII 測(cè)試軟件，選取相應(yīng)測(cè)試程序 （金屬材料伸測(cè) 試.ZP2、本科生教學(xué)用壓縮測(cè)試.ZP2）（見(jiàn)圖1-10、圖1-11）4. 按主機(jī)“ON按鈕，以使主機(jī)與程序相連5. 順利后，點(diǎn)擊 “起始位置 ”圖標(biāo)以使夾具恢復(fù)到設(shè)定值（見(jiàn)圖 1-11）6. 輸入測(cè)量的試樣尺寸（見(jiàn)圖 1-10）7. 擺放試樣于試樣臺(tái)，用夾具夾持試樣一端8. 點(diǎn)擊“力清零 ”圖標(biāo)，使力值清零（見(jiàn)圖

18、 1-11）9. 用夾具夾持試樣另一端10. 點(diǎn)擊“開(kāi)始 ”圖標(biāo)，開(kāi)始測(cè)試（見(jiàn)圖 1-11）11. 測(cè)試終止后，取出試樣12. 測(cè)量試樣的相關(guān)尺寸，輸入后，點(diǎn)擊 “確定 ”，程序自動(dòng)計(jì)算測(cè)試結(jié) 果并作出圖表（見(jiàn)圖 1-12）13. 按 “起始位置 ”按鈕，使橫梁自動(dòng)恢復(fù)到初始位置14. 所有測(cè)試結(jié)束后，點(diǎn)擊“向?qū)?”、 “測(cè)試報(bào)告中的參數(shù) ”，輸入個(gè)人相關(guān)信息（見(jiàn)圖 1-13）15. 點(diǎn)擊“打印 ”圖標(biāo)，打印測(cè)試報(bào)告（見(jiàn)圖1-13）16. 保存測(cè)試結(jié)果文件，另存為 *.ZS2 格式的文件（見(jiàn)圖 1-14）17. 開(kāi)始其它試件測(cè)試18. 完成實(shí)驗(yàn)后，退出程序19. 清理工作臺(tái)，將廢試樣放到廢品箱

19、里1nxtI|iHEl FT - DzXZvicikXtcaflliiaTf 1 JSTSDlTiiLx4 vDH GD7. xp?匸際 i 窩|左床衛(wèi)11 0©n®陳序A15S1出口.工；figuMittOEflCffMW1” x1aO39_T. 3"i 一 苗事音12 JjWLiSBl). fl.WMtp nftlSWCEh-J C ''anBahli wi W札>.i.r<i応曲羸面砥*轉(zhuǎn)厲曲 1 *崔生耐崔圧*誼rUrm n a 0E4Rp.i MPaNPjMRafc.-sSpjFtCJifln %AiH mP>RtHWr

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