工程力学实验报告自动化12级实验班§1-1 金属材料的拉伸实验一、试验目的1．测定低碳钢（Q235 钢）的强度性能指标：上屈服强度R eH，下屈服强度R eL和抗拉强度R m 。

2．测定低碳钢（Q235 钢）的塑性性能指标：断后伸长率A和断面收缩率Z。

3．测定铸铁的抗拉强度R m。

4．观察、比较低碳钢（Q235 钢）和铸铁的拉伸过程及破坏现象，并比较其机械性能。

5．学习试验机的使用方法。

二、设备和仪器1．试验机（见附录）。

2．电子引伸计。

3．游标卡尺。

三、试样(a)bhl0l(b)图1-1 试样拉伸实验是材料力学性能实验中最基本的实验。

为使实验结果可以相互比较，必须对试样、试验机及实验方法做出明确具体的规定。

我国国标GB/T228－2002 “金属材料 室温拉伸试验方法”中规定对金属拉伸试样通常采用圆形和板状两种试样，如图（1-1）所示。

它们均由夹持、过渡和平行三部分组成。

夹持部分应适合于试验机夹头的夹持。

过渡部分的圆孤应与平行部分光滑地联接，以保证试样破坏时断口在平行部分。

平行部分中测量伸长用的长度称为标距。

受力前的标距称为原始标距，记作l 0，通常在其两端划细线标志。

国标GB/T228-2002中，对试样形状、尺寸、公差和表面粗糙度均有明确规定。

四、实验原理低碳钢（Q235 钢）拉伸实验（图解方法）将试样安装在试验机的上下夹头中，引伸计装卡在试样上，启动试验机对试样加载，试验机将自动绘制出载荷位移曲线（F-ΔL 曲线），如图（1-2）。

观察试样的受力、变形直至破坏的全过程，可以看到低碳钢拉伸过程中的四个阶段（弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段）。

屈服阶段反映在F-ΔL 曲线图上为一水平波动线。

上屈服力eH F 是试样发生屈服而载荷首次下降前的最大载荷。

下屈服力eL F 是试样在屈服期间去除初始瞬时效应（载荷第一次急剧下降）后波动最低点所对应的载荷。

最大力R m 是试样在屈服阶段之后所能承受的最大载荷。

相应的强度指标由以下公式计算：上屈服强度R eH ：0S F R eHeH =（1-1） 下屈服强度R eL ：0S F R eLeL =(1-2 ) 抗拉强度R m ： 0S F R mm =（1-3） 在强化阶段任一时刻卸载、再加载，可以观察加载、御载规律和冷作硬化现象。

在F m 以前，变形是均匀的。

从F m 开始，产生局部伸长和颈缩，由于颈缩，使颈缩处截面减小，致使载荷随之下降，最后断裂。

断口呈杯锥形。

测量断后的标距部分长度L u 和颈缩处最小直径d u ，按以下两式计算其主要塑性指标： 断后伸长率A ：%1000⨯-=L L L A u （1-4）式中L 0为试样原始标距长度（名义尺寸50mm ）。

由于试样的塑性变形集中在缩颈处并向两边逐渐减小，因此断口位置不同，标距部分的塑性伸长也不同。

若断口在试样中部，发生严重塑性变形的缩颈段全部在标距长度内，标距长度就有较大的塑性伸长量；若断口距标距端很近，则发生严重塑性变形的缩颈段只有一部分在标距长度内，另一部分在标距长度外，因此，标距长度的塑性伸长量就小。

这说明断口位置对测得的伸长率有影响，为此应用所谓移位法测定断后标距长度1l 。

试验前将试样标距分成十等分。

若断口到邻近标距端距离大于30l ，则可直接测量标距两端点间的距离。

若断口到邻近标距端距离小于或等于30l ，则应用所谓移位法（亦称为补偿法）测定：在长段上从断口O 点起取长度基本上等于短段格数的一段得B 点，再由B 点起取等于长段所余格数（偶数）之半得C 点（见图1-8（a ））；或取所余格数（奇数）减1与加1之半得C 与C 1点（见图1-8（b ））；移位后的L 1分别为：AO+OB+2BC 或者AO+OB+BC+BC 1 。

测量时，两段在断口处应紧密对接，尽量使两段轴线在一直线上。

若断口处形成缝隙，此缝隙应计入L 1内。

断面收缩率Z ：%10000⨯-=S S S Z u（1-5）式中0S 和u S 分别是原始横截面积和断后最小横截面积。

铸铁拉伸铸铁拉伸时没有屈服阶段，拉伸曲线微微弯曲，在变形很小的情况下即断裂（见图1-3），断口为平端口。

因此对铸铁只能测得其抗拉强度R m ，即：0S F R mm =（1-6） 铸铁的抗拉强度远低于低碳钢的抗拉强度。

五、实验结果处理1．原始记录参考表1-2和表1-3填写。

表1-2 原始尺寸表1-3 断后尺寸图1-3铸铁拉伸2．数据处理低碳钢据F m 值和F-△L 图计算力轴每毫米代表的力值m ，从F-△L 图上找出F eH 和F eL 点的位置，量出它们至△L 轴的垂直距离h eH 和h eL ，从而计算出F eH 和F eL 值（即mh eH 和mh eL ），然后按公式（1-1）~（1-3）计算上屈服强度R eH 、下屈服强度R eL 和抗拉强度R m ，按公式（1-4）和（1-5）计算断后伸长率A 和断面收缩率Z 。

解：由图可知F eH =30.11kN ， F eL =27.17kN ， F m =43.99kNh eH =4.586mm ， h eL =5.261mmR eH =378.4MPa ， R eL =341.5MPa ，R m =553.9MPaA=28.62%，Z=65.70%铸铁据记录的最大拉力F m ，按公式（1-6）计算抗拉强度R m 。

解：由图可知 F m =12.25kNR m =159.3MPa六、思考题1．低碳钢试样拉伸断裂时的载荷比最大力F m 小，如按公式0S FR计算断裂时的应力，则计算得到的应力会比抗拉强度R m 小。

为什么“应力减小后”试样反而断裂？4．铸铁试样拉伸，断口为何是平截面?为何断口位置大多在根部?5．做低碳钢拉伸实验时为什么要用引伸计，又为什么在试样拉断前要取下引伸计，为什么此时可以取下引伸计？七、实验报告要求包括实验目的，设备名称、型号，实验记录（列表表示）与实验数据处理，分析讨论。

画出试样断裂后形状示意图（可画在数据记录和处理栏内），试验机自动绘制的F-ΔL 图附于实验报告内。

附注：实验步骤试样材质辩识：铸铁试样颜色较深，表面可见凸起的小颗粒，竖直落地时声音沉闷；而低碳钢颜色较亮，表面可见刀纹，竖直落地时声音轻脆。

1．测量试样尺寸直径d0在试样标距两端和中间三个截面上测量直径，每个截面在相互垂直方向各测量一次，取其平均值。

用三个平均值中最小者计算横截面面积，数据列表记录。

标距长度L 0量取计算长度L 0（取L 0=10d0，或L 0=5d0），在试样两端划细线标志，用刻线机将其划分成10等分（或5等分）。

2. 开机打开电源开关；启动计算机进入Windos操作系统；点击试验机控制软件，进入试验机操作界面；按复位按扭使控制系统上电。

3. 系统参数设置点击“模式设置”选项，选择试验模式--拉伸实验。

3.试验基本参数设置点击“操作”按扭，进入“试验基本参数”界面，选择变形测量模式—引伸计。

4. 试验过程设置主要有：试样基本参数设定；试验力档位设定；变形调零；变形档位设定；曲线参数设定等。

详细设置请参见附1-2电子拉力试验机。

5．装夹试样，安装引伸计上下夹头均为斜锲夹块，将试样的夹持部位放入V型槽中央。

注意低碳钢拉伸实验须测定标距范围内的变形，因此试样上下夹持部位均须留出5-10mm，以便安装引伸计。

铸铁拉伸实验则不用安装引伸计。

6．测试待一切准备工作完成后，点击“上行”按扭，开始拉伸实验。

测试完毕保存实验文件。

注意实验过程中观察图形和数据显示窗口以及试样破坏情况。

特别提请注意的是，当实验曲线出现水平线一定程度后，试样开始进入局部变形阶段时，点击“取引伸计”按扭，迅速取下引伸计，以免引伸计损伤。

7．打印点击“报告打印”，输出实验曲线。

8．卸载并取出试样卸载并取出试样，注意保护试样断口形貌。

9．测量断后标距L1和断后颈缩处最小直径d1（仅对低碳钢拉伸实验）测量时应注意将低碳钢试样两段的断口紧密对接，若断口到邻近标距端距离小于或等于03L时，则应用所谓移位法（亦称为补偿法）测定断后标距长度1L。

测量颈缩处最小直径d u时，在最小处互相垂直的两个方向测量直径。

注意应用卡尺测量前端较窄的部位，以免由于弧线的影响而测量不到实际的最小值。

10．关机注意清理实验现场，将相关仪器还原。

（a ） （b ）图2-1F F sc△L（a ） （b ）图2-2F F bc△L§1-2 低碳钢和铸铁的压缩试验一、试验目的1．测定低碳钢的压缩屈服点SC σ和铸铁的抗压强度bc σ。

2．观察并分析两种材料在压缩过程中的各种现象。

二、设备和仪器1．电子万能试验机 2．游标卡尺 三、试样低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试样一般制成圆柱形，其公差、表面粗糙度、两端面的平行度和对试样轴线的垂直度在国标GB7314-87中有明确规定。

目前常用的压缩试验方法是两端平压法。

由于试样两端面不可能理想地平行，试验时必须使用球形承垫（见图2-1a ），试样应置于球形承垫中心，藉球形承垫自动调节实现轴向受载。

由于试样的上下两端与试验机承垫之间会产生很大的摩擦力，它们阻碍着试样上部及下部的横向变形，导致测得的抗压强度较实际偏高。

当试样的高度相对增加时，摩擦力对试样中部的影响就会相应变小，因此抗压强度与比值h o ／d o 有关，同时考虑稳定性因素，为此国家标准对试样高度h o 与直径d o 之比规定在1～3的范围内。

本次实验采用φ10×15的圆柱形试样。

四、试验原理试验时缓慢加载，试验机自动绘出压缩图（即F-Δl 曲线）。

低碳钢试样压缩图如图2-1b 所示。

试样开始变形时，服从虎克定律，呈直线上升，此后变形增长很快，材料屈服。

此时载荷暂时保持恒定或稍有减小，这暂时的恒定值或减小的最小值即为压缩屈服载荷F SC 。

有时屈服阶段出现多个波峰波谷，则取第一个波谷之后的最低载荷为压缩屈服载荷F SC 。

以后图形呈曲线上升，随着塑性变形的增长，试样横截面相应增大，增大了的截面又能承受更大的载荷。

试样愈压愈扁，甚至可以压成薄饼形状（如图2-1a 所示），而不破裂，所以测不出抗压强度。

铸铁试样压缩图如图2-2a 所示。

载荷达最大值F bc 后稍有下降，然后破裂，能听到沉闷的破裂声。

铸铁试样破裂后呈鼓形，并在与轴线大约成45°的面上破断，这主要是由切应力造成的。

四、试验结果处理原始数据记录参考表2-1。

表2-1 原始数据记录表据试验记录计算低碳钢的压缩屈服点sc σ和铸铁的抗压强度bc σ。

0scsc F S σ=（2-1）代入数据，接的为296.9MPabcbc F S σ=（2-2） 代入数据，接的为718.1MPa五、思考题1、低碳钢压缩后为什么成鼓形？铸铁压缩时如何破坏？为什么？2、低碳钢拉伸有F m, 压缩时测不出最大载荷，为什么说它是拉压等强度材料？为什么说铸铁是拉压不等强度材料？六、实验报告要求包括实验目的，设备名称、型号，实验记录（列表表示）与实验数据处理，实验后试样形状示意图，分析讨论。