机械学基础实验指导书力学实验中心金属材料的拉伸与压缩实验1.1 金属材料的拉伸实验拉伸实验是材料力学实验中最重要的实验之一。

任何一种材料受力后都要产生变形，变形到一定程度就可能发生断裂破坏。

材料在受力——变形——断裂的这一破坏过程中，不仅有一定的变形能力，而且对变形和断裂有一定的抵抗能力，这些能力称为材料的力学机械性能。

通过拉伸实验，可以确定材料的许多重要而又最基本的力学机械性能。

例如：弹性模量E 、比例极限R p 、上和下屈服强度R eH 和R eL 、强度极限R m 、延伸率A 、收缩率Z 。

除此而外，通过拉伸实验的结果，往往还可以大致判定某种其它机械性能，如硬度等。

我们以两种材料——低碳钢，铸铁做拉伸试验，以便对于塑性材料和脆性材料的力学机械性能进行比较。

这个实验是研究材料在静载和常温条件下的拉断过程。

利用电子万能材料试验机自动绘出的载荷——变形图，及试验前后试件的尺寸来确定其机械性能。

试件的形式和尺寸对实验的结果有很大影响，就是同一材料由于试件的计算长度不同，其延伸率变动的范围就很大。

例如：对45#钢：当L 0＝10d 0时（L 0为试件计算长度，d 0为直径），延伸率A 10＝24~29%，当L 0＝5d 0时，A 5＝23~25%。

为了能够准确的比较材料的性质，对拉伸试件的尺寸有一定的标准规定。

按国标GB/T228-2002、GB/P7314-2005的要求，拉伸试件一般采用下面两种形式：图1-11. 10倍试件；圆形截面时，L 0＝10d 0 矩形截面时，L 0＝11.30S 2. 5倍试件圆形截面时，L 0＝5d 矩形截面时, L 0＝5.650S =45Sd 0——试验前试件计算部分的直径； S 0——试验前试件计算部分断面面积。

此外，试件的表面要求一定的光洁度。

光洁度对屈服点有影响。

因此，试件表面不应有刻痕、切口、翘曲及淬火裂纹痕迹等。

一、实验目的：1．研究低碳钢、铸铁的应力——应变曲线拉伸图。

2．确定低碳钢在拉伸时的机械性能（比例极限R p 、下屈服强度R eL 、强度极限R m 、延伸率A 、断面收缩率Z 等）。

3. 确定铸铁在拉伸时的力学机械性能。

二、实验原理：拉伸实验是测定材料力学性能最基本的实验之一。

在单向拉伸时F ——ΔL （力——变形）曲线的形式代表了不同材料的力学性能，利用：0F R S =L L ε∆= 可得到R —ε曲线关系。

三、实验所用的设备、仪器和工具1、Zwick 电子万能材料试验机 一台2、游标卡尺 一支3、记号笔 一支4、低碳钢、铸铁试件 各一个四、试件尺寸测量1．量度试件尺寸： 1）试验前在试件两端及中部选择三个截面，每个截面用游标卡尺分别相互垂直各测一次直径，取其三点平均值中的最小值作为试件的直径d 0。

当低碳钢试件拉断后，用游标卡尺在颈缩段的最小截面处的互相垂直的两个方向各测量一次直径，取其平均值作为试件断口处的最小值d u 。

2）确定计算长度L 0。

在试件中间等粗的细长部分内，量取计算长度L 0（按10倍或5倍试件确定）。

然后用记号笔把计算长度L 0分成若干等分（通常是以5mm 或10mm 为一等分）。

以便当试件断裂不在中间时进行换算，从而求得比较正确的延伸率。

建议使用下列表格表1.1。

五、实验步骤参见1.3中的Zwick 电子万能试验机操作步骤六．试验注意事项：随时注意观察试件在拉伸过程中的形状变化和应力——应变曲线的变化情况。

1）当试件拉伸过程中，当应力——应变曲线出现平台时载荷即到达屈服阶段，在试件表面可能出现契尔诺夫滑移线。

2）过了屈服阶段后，观察冷作硬化现象。

3）当载荷到达最大值（F m ）时，曲线开始回落下降，密切注意试件形状的变化，此时可看到颈缩现象。

4）试件拉断后，立即停机存盘。

打印出所得的拉伸图，取下试件并量度此时的断后标距长度L u （如果试件是断在计算长度之外的作废）和颈缩处的最小直径d u 。

量度时将试件的两半接在一起，使其尽量紧贴。

七．试验结果整理和计算：1）对拉伸曲线的修正。

拉伸曲线得到后，往往在开始处形成如图1-2中所示的不规则的曲线。

这是由于试验开始时，握紧器、夹具和试件之间尚未紧密相接。

并非完全由于试件变形所致。

因此对此曲线要进行修正，即将拉伸图直线部分往下延长，它与横座标相交，交点即为原点。

2）根据拉伸图，找出相应的R eL ，R m 。

并求出：下屈服点R eL ＝S F e强度极限R m ＝S F m3)计算延伸率：A ＝⨯-0L L L u100%图1-2图1-3试件拉断后的残余变形在整个长度的分布是非均匀的。

在颈缩部分大，而非颈缩部分残余变形小一些（见图1-4）。

由此看出，断在中间时，试件残余变形最大，延伸率也最大。

为了对同一种材料只得出一个相对稳定的值，不因断裂的位置而异，可以将试验所得到的残余变形换算成相当于试件在中间断裂时的“标准数值”此方法叫“断处移中法”（见图1-5）。

例如在图1.5中，其延伸率应换算为A ＝002L L n m -+100%其中：m 及n 的小格数目依具体情况而选定。

4) 断面收缩率：Z ＝0S S S u-100% S u ——颈缩处的最小面积。

5) 拉断时颈缩处的实际应力：R/m ＝umS F1.2金属材料的压缩试验图1-4图1-5一、试验目的研究和比较塑性材料与脆性材料在室温下单向压缩时的力学性能。

二、压缩试件与试验所用机器、仪器和工具：1、压缩试件取两种不同材料的试件——低碳钢和铸铁。

金属试件一般采用圆柱形，其高与直径之比应为l ＜L 0/d 0＜2。

其它材料的试件一般都采用立方体。

2、试验所用机器、仪器和工具：与拉伸试验相同，采用压缩夹具。

三、实验步骤：1、量试件尺寸（长、宽、高、直径）。

2、把试件放在试验机上。

3、开机动器，进行试验，一直到试件破坏。

4、卸去载荷，取出破坏的试件。

5、打印出实验报告。

具体可参见1.3中的Zwick 电子万能试验机操作步骤四、实验注意事项：1、低碳钢不能压到破坏，压到45kN 时即停止试验。

2、为了能很好地观察铸铁的破坏裂纹，在试验中，一但发现载荷值上升缓慢时，需及时停止加载。

五、实验结果的整理和计算1．低碳钢：低碳钢为塑性材料，其压缩图见图1-6，开始时遵守胡克定律沿直线上升，比例极限以后变形加快，但无明显屈服阶段。

相反地，图形逐渐向上弯曲。

这是因为在过了比例极限后，随着塑性变形的迅速增长，而试件的横截面积逐渐增大，因而承受的载荷也随之增大。

从实验我们知道，低碳钢试件可以被压成极簿的平板而一般不破坏。

因此，其强度极限一般是不能确定的。

我们只能确定的是压缩的屈服极限应力。

R sc ＝scF S . 2．铸铁：铸铁为脆性材料，其压缩图在开始时接近于直线，与纵轴之夹角很小，以后曲率逐渐增大，最后至破坏，因此只确定其强度极限（见图1-7）。

R m ＝bcF S图1-6 低碳钢压缩 图1-7 铸铁压缩铸铁试件受压力作用而缩短，表明有很少的塑性变形的存在。

当载荷达到最大值时，试件即破坏，并在其表面上出现了倾斜的裂缝（裂缝一般大致在与横截面成45°的平面上发生）铸铁受压后的破坏是突然发生的，这是脆性材料的特征。

从试验结果与以前的拉伸试验结果作一比较，可以看出，铸铁承受压缩的能力远远大于承受拉伸的能力。

抗压强度远远超过抗拉强度，这是脆性材料的一般属性。

1.3 电子万能材料试验机简介图1-8 电子万能材料试验机电子万能材料试验机简称电子万能试验机，是材料力学性能测试的专用设备，主要用于材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等力学性能试验。

电子万能试验机是机械技术、传感器技术、电子（计算机）测量、控制及数据处理技术结合的新型试验机。

与以往的机械式和液压式试验机相比，近年来生产的电子万能试验机最突出的特点是利用计算机控制试验过程，并完成测量数据的自动采集和处理。

不同厂家生产的电子万能试验机虽然在结构形式、操作界面、使用功能及技术性能上存在差异，但基本结构和工作原理是类似的，一般都包括机械加载架、试样夹持装置、测量系统、动力系统、传动系统、控制系统、计算机系统等基本工作单元。

常见电子万能试验机按照最大载荷划分为10kN、20 kN、50 kN、100 kN、200 kN、250 kN等不同的规格。

一、电子万能材料试验机的结构与工作原理试验机主要由机械加载、控制系统、测量系统等部分组成（如图1.9所示）。

加载是通过伺服电机带动丝杠转动而使活动横梁上下移动来实现。

在图1-9电子万能材料试验机的结构及工作原理1.立柱2.拉伸夹具3.拉伸试样4.移动横梁5.测力传感器6.压缩夹具7.弯曲夹具8.下横梁9.同步齿型传动带10.带轮11.光电编码器12.伺服电机13.上横梁14.滚珠丝杠15.引伸计16.手控键盘17.减速机活动横梁和工作台上安装一对拉伸、压缩或弯曲卡具，组成了加载空间。

伺服控制系统则控制伺服电机在给定速度下匀速转动，实现不同速度下横梁移动从而对试件加载。

测量系统包括负荷测量、试件变形测量和横梁位移测量。

负荷和变形测量都是利用电测传感技术，通过传感器将机械信号转变为电信号。

负荷传感器安装在活动横梁上，测量变形的传感器一般称作引伸计，并且安装在试件上。

横梁位移的测量是采用光电转换技术，通过安装在步进电机上的脉冲编码器将转动信号转变为脉冲信号。

三路信号均经过信号调理电路变为标准的信号。

通过转换传给计算机，实施控制和数据采集。

Zwick电子万能试验及的工作参数见表1、2、3。

表1.2 试验机的基本参数表1.3 力传感器的基本参数二、Zwick电子万能试验机的基本参数本实验室主要仪器设备是德国Zwick/Roell公司生产的6台电子万能试验机，其中在Z010和Z100试验机配有目前国际先进的Longstroke （大变形）和Macro（小变形）引伸计。

该室可执行拉伸、压缩、弯曲剥离、裂纹扩展等试验，并能实现循环加载及材料的松弛、蠕变等试验，满足金属、塑料、橡胶、纸张、食品、纺织品以及生物力学方面的测试要求。

其测试软件testXpert II灵活性强、使用方便，配备强大的数据处理和分析功能，以及灵活的测试报告编辑功能；还具有独一无二的多媒体测试功能，可以将实验过程同步拍摄下来，并在试验结束后将测试过程和测试曲线同步回放、分析。

其主要工作参数见表1.2、表1.3、表1.4。

表1.4 引伸计的基本参数三、Zwick 电子万能试验机操作软件简介Zwick电子式万能试验机的控制和数据采集处理均可通过其功能强大的实验软件来实现。

软件名称为TestXpertⅡ，可以实现对材料的拉伸、压缩、弯曲实验。

软件可实现的功能主要有：设定加载方式（可采用位移加载、恒应变加载、恒应力加载）；设定实验机的环境参数；选择测试结果；编辑、打印实验报告等。