材料力学实验指导书-2013
实验1 拉伸实验
一、实验目的
1、观察拉伸过程中的各种现象(包括屈服、强化、颈缩及断裂)。
2、测定低碳钢在拉伸时的屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ和断面收缩率Ψ。
3、测定铸铁的强度极限σb。
4、比较低碳钢(塑性材料)和铸铁(脆性材料)机械性质的特点。
二、实验设备
1、万能材料试验机 2、游标卡尺
三、试件
为了避免试件尺寸和形状对实验结果的影响，且便于各种材料的机械性质间的互相比较，应采用国家标准GB 6228一76所规定的试件，通常采用的是低碳钢和铸铁圆棒试件，其直径d和试验段长度(标距)l满足l／d=10或5，例如：可采用d=10mm的圆棒试件。
四、实验原理
材料的力学性能指标屈服极限、强度极限、延伸率、断面收缩率是由拉伸破坏实验来确定的。实验时，利用试验机的自动绘图器可绘出低碳钢和铸铁的拉伸图。
由自动绘图器绘出的拉伸图中、拉伸变形是整个试件的伸长（不只是标距部分的伸长)，并且包括机器本身的弹性变形和试件头部在夹板中的滑动等。试件开始受力时，头部在夹头内的滑动很大，故绘出的拉伸图最初—般是曲线。对于低碳钢材料，屈服阶段(B-C)常成锯齿形，上屈服点B受到变形和试件形状等的影响较大，下屈服点B则比较稳定，故工程上均以B点对应的载荷作为材料屈服时的载荷P。确定屈服载荷Ps时，必须注意观察指针的转动情况，一般规定测力指示首次回转后所指示的最小载荷即为屈服载荷。 试件拉伸达到最大载荷Pb以前，在标距范围内的变形是均匀的．从最大载荷开始，产生局部伸长和颈缩．细颈出现后，横截面面积迅速减少，继续拉伸所需的载荷也变得小了，直至E点断裂为止．最初在对试件加载时，主动针即随载荷的增加向前转动，同时它还推动另外—个指针(副针)前进。当达到最大载荷P时，主动指针开始后退，而副针则停留在载荷最大值的刻
度上，副针给出的读数即为最大载荷。铸铁试件在承受拉力变形极小时，就达到最大载荷而突然发生断裂．它没有屈服和颈缩现象，其强度极限远小于低碳钢的强度极限。
五、实验步骤
低碳钢试件
1．试件
用游标卡尺分别测量试件两端及中部三个横截面I、2、3、的直径，每处在相互垂直的两个方向上各测一次，取平均值为该处直径．以三处测量结果中的最小值作为d．计算试件的横截面面积A0，取三位有效数字。为便于观察变形沿轴向的分布情况和试验后容易量出试件断裂后的计算长度L可用划线机在试件标距L。范围内每隔10mm刻划一圆周线，将标距分成10格。
2、调整试验机
根据低碳钢的强度极限61，和横截面面积A0，通过公式Ph=，再根据最大载荷Pb的大小选择合适的测力度盘，估计试件的最大载荷，选择合适的测力度盘，并配置相应的的摆锤，使其与所选用的。开动机器，使工作台上下移动调整后，转动齿杆，使测力指针对零点，并使副针与之靠拢。同时调整绘图装置，使笔尖压在记录纸上，旋转一周滚筒，要求笔尖画出的线与坐标纸的x轴相重合(或相平行)，否则重新调整记录纸并选取适当的放大比例。
3．安装试件
启动升降马达，调整工作台至适当高度，装上夹头和试件，要使试件安装牢固并且垂直。
4、检查及试车
请教师检查以上步骤完成情况，然后开动试验机。预加少量载荷(应力不超过比例极限)，然后卸载至零点，以检查试验机工作是否正常。
5．进行实验
开动试验机并缓慢匀速加载；注意观察主动针的转动、自动绘图的情况和相应的
实验现象。当主动针不动或倒退时，说明材料开始屈服，记录屈服载荷Ps．试件断裂后停车，由副针读出最大载荷Pb并记录。
取下试件，将断裂试件的两段对齐并尽量挤紧，用游标卡尺测量断后的标距L。测量两段断口(颈缩)处的直径d，应在每段断口处两个互垂方向各测量一次，计算其平均值，取其中最小者计算A1。
铸铁试件
1．试件
用游标卡尺测量试件两端及中间这三处横截面直径，取其平均值最小者计算试件的横截面面积A。
2．调整试验机(同前)。
3．安装试件(同前)。
4．检查(同前)，勿需试车。
5．进行实验
开动试验机，并使自动绘图器工作，直至试件断裂为止；停车。记录最大载荷h。
6．结束工作
取下试件和绘好的拉伸曲线图纸，请教师检查试验记录。将试验机一切机构复原。
六、实验数据的记录和处理
l、根据屈服载荷P5及最大载荷Pb计算屈服极限σs及强度极限σb
PsPb s、b AoAo
式中A。为试验前试件的横截面面积。
数据记录表格：
2、根据实验前后的标距长度及横截面面积，计算延伸率δ和断面收缩率Ψ
L1L0AoA1 100%、100% L0Ao
说明：若断口不在标距长度的中央1／3区域内时，需要采用断口移中的方法(即将断口借计算法移至中间部分)，以度量试件拉断后的标距Lo，设两标点C至C1之间共10格(见图3)，断口偏左.取左边标点C至断口间的格数的两倍为n格(应取为整数)的b点，即在断口附近尽量对称地取4格或2格，量得cb段的长度为L”；再自b向右取格数n’至a点，使n’十2n”=10格，然后量出bs段的长度为l；即可算出断裂后标距L1=L’ 十L”，为什么要将断口借计算法移中呢?这是因为断口靠近试件两端时，在断裂试件的较短一段上，必将受到试件头部较粗部分的影响，而降低颈缩部分的局部伸长量，从而使6的数值偏小。当断口非常靠近试件两端，而其与头部距离等于或小于直径的两倍时，实验结果无效，需重做实验。
七、思考讨论题
1、参考试验机自动绘图器绘出的拉伸图，分析从试件加力至断裂的过程可分为哪几个阶段?相应于每一阶段的拉伸图的特点和物理意义是什么?
2、σs和σb是不是试件在屈服和断裂时的真实应力?为什么?
3、试比较低碳钢和铸铁的拉伸机械性质。
4、由低碳钢和铸铁的拉伸实验结果，比较塑性材料和脆性材料的力学性质以及它们的破坏形式（不同的断口特征），试从说明金属的两种基本破坏形式。
5、试分别比较低碳钢和铸铁材料在轴向拉伸下的力学性质。
实验2 压缩实验
一、实验目的
确定压缩时低碳钢的流动极限s和铸铁的强度极限b。
二、实验设备
1、万能材料试验机 2、游标卡尺
三、实验原理
确定压缩情况下金属材料的机械性质时，试件常做成圆柱形，为使在压缩时不致丧失稳定，试件高度h与直径d的比值以1-2为宜。
试验时，利用自动绘图器，绘出低碳钢压缩图(图4）和铸铁压缩图（图5）在低碳钢压缩图中，在开始出现变形增长较快的非线性小段时，表示到达了屈服载荷．但是这时并不象拉伸那样有明且的屈服阶段。此后，压缩图形沿曲线继续上升，这是因为塑性变形迅速增长，试件横截面面积也随之增大，而增大的面积能承受更大的载荷．因此在压缩试验中测定ps特别小心观察。在缓慢匀速加速下，测力指针等速转动．当材料发生屈服时，测力指针转动将减慢，这时对应的载荷即为屈服载荷．由于指针转动速度的减慢不十分明显．故常要借助绘图器上绘出的压缩图来判断Ps到达的时刻，低碳钢试件最后可压成饼状而不破裂、所以无法求出最大载菏及其强度极限。
铸铁试件压缩时，在达到最大载荷PL前要出现较大的塑性变形后才发生破裂，此时测力指针迅速倒退，由副针可读出最大载荷P，值．铸铁试件最后被压成鼓形(图6)，表面出现与试件轴线大约成450左右的倾斜裂纹，破坏主要是由剪应力引起的。
四、实验步骤
低碳钢试件
1、试件
用游标卡尺测量试件两端及中部三处截面的直径，取三处中最小——处的平均直径来计算横截面面积。根据低碳钢屈服极限估算屈服载菏的大小。
2、调整试验机
选择测力度盘．调整指针对准零点，并调整自动绘图器。
3、安装试件
将试件两端面涂以润滑剂；然后准确地放在试验机球形承垫的中心处。
4、检查及试车
试车时，空升试验机下支座，使试件随之上升．当上支承垫接近试件时(注窟勿使二者接触受力)，减慢下支座上升的速度，以避免急剧加载。同时使自动绘图器工作．在试件与上支承垫接触受力后，用慢速预先加少量载菏，然后卸载接近零点，以检查试验机工作是否正常。
5、进行试验
缓慢均匀地加载，注意观察测力指针的转动情况和绘图纸上的压缩图，以便及时而正确地测定屈服载荷，并记录下来。超过屈服载荷后，继续加载，最后将试件压成鼓形即可停止。
铸铁试件
1、试件(同前)
2、调整试验机(同前)
3、安装试件
除与前相同外，要在试件周围加防护罩，以免试件破裂时，碎片飞出伤人。
4、检查(同前)
5、进行实验
加压至试件破坏为止，记录最大载荷。
五、实验结果的处理
根据试验记录，计算出低碳钢的屈服极限和铸铁的强度极限
PsPb s、b AoAo
式中A。为试验前试件的横截面面积。
1、试分别比较低碳钢和铸铁材料在轴向压缩下的力学性质．
2、由低碳钢和铸铁的压缩实验结果，比较塑性材料和脆性材料的力学性质以及它们的破坏形式．
3、为什么铸铁试件在压缩时沿着大致45度的斜截面破坏?