实验一拉伸实验一、实验目的1．测定低碳钢(Q235)的屈服点σ，强度极限bσ，延伸率δ，断面收缩率ψ。

s2．测定铸铁的强度极限σ。

b3．观察低碳钢拉伸过程中的各种现象（如屈服、强化、颈缩等），并绘制拉伸曲线。

4．熟悉试验机和其它有关仪器的使用。

二、实验设备1．液压式万能实验机；2．游标卡尺；3．试样刻线机。

三、万能试验机简介具有拉伸、压缩、弯曲及其剪切等各种静力实验功能的试验机称为万能材料试验机，万能材料试验机一般都由两个基本部分组成；1）加载部分，利用一定的动力和传动装置强迫试件发生变形，从而使试件受到力的作用，即对试件加载。

2）测控部分，指示试件所受载荷大小及变形情况。

四、试验方法1．低碳钢拉伸实验（1）用画线器在低碳钢试件上画标距及10等分刻线，量试件直径，低碳钢试件标距。

（2）调整试验机，使下夹头处于适当的位置，把试件夹好。

（3）运行试验程序，加载，实时显示外力和变形的关系曲线。

观察屈服现象。

（4）打印外力和变形的关系曲线，记录屈服载荷F s=22.5kN，最大载荷F b =35kN。

（5）取下试件，观察试件断口: 凸凹状，即韧性杯状断口。

测量拉断后的标距长L1，颈缩处最小直径d1 Array低碳钢的拉伸图如图所示2．铸铁的拉伸其方法步骤完全与低碳钢相同。

因为材料是脆性材料，观察不到屈服现象。

在很小的变形下试件就突然断裂（图1-5），只需记录下最大载荷F b =10.8kN 即可。

b σ的计算与低碳钢的计算方法相同。

六、试验结果及数据处理表1-2 试验前试样尺寸表1-3 试验后试样尺寸和形状根据试验记录，计算应力值。

低碳钢屈服极限 MPa 48.28654.78105.223=⨯==A F s s σ低碳钢强度极限 MPa 63.44554.7810353=⨯==A F b b σ低碳钢断面收缩率 %6454.7827.2854.78%100010=-=⨯-=A A A ψ低碳钢延伸率 %25100100125%10001=-=⨯-=L L L δ铸铁强度极限 MPa 53.13754.78108.103=⨯==A F b b σ七、思考题1．根据实验画出低碳钢和铸铁的拉伸曲线。

略2．根据实验时发生的现象和实验结果比较低碳钢和铸铁的机械性能有什么不同?答：低碳钢是典型的塑性材料，拉伸时会发生屈服，会产生很大的塑性变形，断裂前有明显的颈缩现象，拉断后断口呈凸凹状，而铸铁拉伸时没有屈服现象，变形也不明显，拉断后断口基本沿横截面，较粗糙。

3．低碳钢试样在最大载荷D点不断裂，在载荷下降至E点时反而断裂，为什么？答：低碳钢在载荷下降至E点时反而断裂，是因为此时实际受载截面已经大大减小，实际应力达到材料所能承受的极限，在最大载荷D点实际应力比E点时小。

4、分析比较两种材料在拉伸时的力学性能及断口特征.答:试件在拉伸时铸铁延伸率小表现为脆性，低碳钢延伸率大表现为塑性；低碳钢具有屈服现象铸铁无。

低碳钢断口为直径缩小的杯锥状，且有45°的剪切口，断口组织为暗灰色纤维状组织。

铸铁断口为横断面，为闪光的结晶状组织。

实验二 压缩实验一、实验目的1． 测定低碳钢的压缩屈服极限和铸铁的压缩强度极限。

2． 观察和比较两种材料在压缩过程中的各种现象。

二、实验设备、材料万能材料试验机、游标卡尺、低碳钢和铸铁压缩试件。

三、实验方法1． 用游标卡尺量出试件的直径d 和高度h 。

2． 把试件放好，调整试验机，使上压头处于适当的位置，空隙小于10mm 。

3． 运行试验程序，加载，实时显示外力和变形的关系曲线。

4． 对低碳钢试件应注意观察屈服现象，并记录下屈服载荷F s =22.5kN 。

其越压越扁，压到一定程度（F=40KN ）即可停止试验。

对于铸铁试件，应压到破坏为止，记下最大载荷F b =35kN 。

打印压缩曲线。

5． 取下试件，观察低碳钢试件形状: 鼓状；铸铁试件，沿 55~45方向破坏。

四、试验结果及数据处理表2-1 压缩实验结果F △L图2-1低碳钢和铸铁压缩曲线低碳钢压缩屈服点 0222000280.11M Pa 10/4s sF A πσ=⨯==铸铁压缩强度极限 0260000763.94M Pa 10/4b bF A πσ=⨯==五、思考题1. 分析铸铁破坏的原因，并与其拉伸作比较。

答：铸铁压缩时的断口与轴线约成 45角，在 45的斜截面上作用着最大的切应力，故其破坏方式是剪断。

铸铁拉伸时，沿横截面破坏，为拉应力过大导致。

2. 放置压缩试样的支承垫板底部都制作成球形，为什么？ 答：支承垫板底部都制作成球形自动对中，便于使试件均匀受力。

3. 为什么铸铁试样被压缩时，破坏面常发生在与轴线大致成 55~45的方向上？ 答：由于内摩擦的作用。

4. 试比较塑性材料和脆性材料在压缩时的变形及破坏形式有什么不同？答：塑性材料在压缩时截面不断增大，承载能力不断增强，但塑性变形过大时不能正常工作，即失效；脆性材料在压缩时，破坏前无明显变化，破坏与沿轴线大致成 55~45的方向发生，为剪断破坏。

5. 低碳钢和铸铁在拉伸与压缩时的力学性质有什么不同？ 答：低碳钢抗拉压能力相同，铸铁抗压能力比抗拉高许多。

6、分析铸铁试件压缩破坏的原因.答：铸铁试件压缩破坏，其断口与轴线成45°~50°夹角，在断口位置剪应力已达到其抵抗的最大极限值，抗剪先于抗压达到极限，因而发生斜面剪切破坏。

7、低碳钢与铸铁在压缩时力学性质有何不同? 结构工程中怎样合理使用这两类不同性质的材料?答：低碳钢为塑性材料，抗压屈服极限与抗拉屈服极限相近，此时试件不会发生断裂，随荷载增加发生塑性形变；铸铁为脆性材料，抗压强度远大于抗拉强度，无屈服现象。

压缩试验时，铸铁因达到剪切极限而被剪切破坏。

通过试验可以发现低碳钢材料塑性好，其抗剪能力弱于抗拉；抗拉与抗压相近。

铸铁材料塑性差，其抗拉远小于抗压强度，抗剪优于抗拉低于抗压。

故在工程结构中塑性材料应用范围广，脆性材料最好处于受压状态，比如车床机座。

实验三 扭转实验一、实验目的1．学习扭转实验机的构造原理，并进行操作练习。

2．测定低碳钢的剪切屈服极限s τ、剪切强度极限b τ和铸铁的剪切强度极限b τ。

3．观察低碳钢和铸铁在扭转过程中的变形和破坏情况。

二、实验仪器扭转实验机，游标卡尺。

三．实验原理塑性材料和脆性材料在扭转时的力学性能。

(参考材料力学课本及其它相关书籍) 四、实验步骤 1．低碳钢实验（1）量取试件直径。

在试件上选取3个位置，每个位置互相垂直地测量2次直径，取其平均值；然后从3个位置的平均直径值中取最小值作为试件的直径。

（2）将扭转实验机刻度盘的从动针调至靠近主动针。

主动针的调零方式为自动调整，如果主动针不在零位，应通知老师，由老师进行调整。

绝对不能用调从动针的方法，将两针调至零位。

（3）把试件安装在扭转试验机的夹头内，并将螺丝拧紧（勿太用力）。

安装时，一定要注意主动夹头的夹块要保持水平（固定夹头的夹块总是水平的），以避免引起初始扭矩。

如果已经出现小量的初始扭矩，只要不超过5N*m ，可以开始加载。

另外，试件在水平面和垂直面上不能歪斜，否则加载后试件将发生扭曲。

（4）打开绘图记录器的开关；将调速旋钮置于低速位置。

开始用档慢速加载，每增加 5N*m 的扭矩，记录下相应的扭转角度。

实验过程中，注意观察试件的变形情况和φ-nM图，当材料发生流动时，记录流动时的扭矩值sM和相应的扭转角度。

另外，注意记录扭矩刚开始下降时的扭矩值和相应的扭转角度。

扭矩值估读到0.1N*m 。

（5）流动以后，继续加载，试件进入强化阶段，关闭记录器后，将电机速度选择在档，加快加载速度。

这时由于变形速度较快，可每增加180度取一次扭转角度。

直至试件扭断为止，记下断裂时的扭矩值b M ，注意观察断口的形状。

注意，试件扭断后应立即停止加载，以便记录断裂时的扭转角度。

2．铸铁实验操作步骤与低碳钢相同。

因铸铁在变形很小时就破坏，所以只能用档慢速加载。

每增加5N*m 的扭矩，记录下相应的扭转角度。

注意观察铸铁试件在扭转过程中的变形及破坏情况，并记录试件扭断时的极限扭矩值和相应的扭转角度。

注意，试件扭断后应立即停止加载，以便记录断裂时的扭转角度。

五、实验记录42.5m N ⋅98m N ⋅ 67.5m N ⋅注：低碳钢的剪切流动极限及强度极限的计算公式中应该乘以系数3/4。

原因是这样：圆轴扭转在弹性变形范围内剪应力分布如参考图(a)所示，对于塑性材料，当扭矩增大到一定数值后，试件表面应力首先达到流动极限s τ，并逐渐向内扩展，形成环形塑性区，如参考图(b)所示。

若扭矩逐渐增大，塑性区也不断扩大。

当扭矩达到s M 时，横截面上的剪应力大小近似为s τ，如参考图(c)所示,在这种剪应力分布形式下，剪应力公式为pss W M⨯=43τ。

试件继续变形，材料进一步强化，当试件扭断时，假设整个截面的剪应力都达到b τ，此时最大扭矩为b M ，因此剪切强度极限和流动极限一样，近似地写为pbb W M⨯=43τ。

由于铸铁是脆性材料，应力在截面上从开始受力直至破坏都保持线性分布，当边缘上的剪应力达到b τ时。

此时最大扭矩为b M ，故仍用弹性阶段的应力公式计算强度极限pbb W M⨯=43τ。

六．预习思考题1)分析试件在扭转状态下各点的主应力大小和方向。

答：扭转状态下，横街面上主应力大小从圆心向外线性增大，在半径处达到最大，方向垂直于半径和扭转力矩方向相同。

2) 低碳钢屈服极限和强度极限的计算公式中为什么会出现3/4？请分析并推导计算公式。

答：圆轴扭转在弹性变形范围内剪应力分布为线性分布，对于塑性材料，当扭矩增大到一定数值后，试件表面应力首先达到流动极限s τ，并逐渐向内扩展，形成环形塑性区，若扭矩逐渐增大，塑性区也不断扩大。

当扭矩达到s M 时，横截面上的剪应力大小近似为s τ，在这种剪应力分布形式下，剪应力公式为s 34spM W =⨯τ由于铸铁是脆性材料，应力在截面上从开始受力直至破坏都保持线性分布，当边缘的剪应力达到b τ时，最大扭矩为b M ，故仍用弹性阶段的应力公式计算强度极限。

3) 为什么扭转试件两端较粗,中间较细？中间和两端采用光滑曲线过渡，而不是直角连接答：这样便于试件的安装，中间和两端采用光滑曲线过渡是为了防止应力集中而产生扭断。

4)如果扭转试件是屈服失效，请用最大剪应力理论分析一下试件可能的断口形状。

答：最大剪应力应是与试件端面平行，如果是屈服失效，则断口形状应是平面。

5)如果扭转试件是断裂失效，请用最大拉应力理论分析一下试件可能的断口形状。

答：根据最大拉应力理论，如果试件是断裂失效，则会出现α=45°时，拉应力最大，这时断口形状应是45°的斜面。