低碳钢铸铁拉伸与压缩实验报告.docx

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低碳钢铸铁拉伸与压缩实验报告

材料力学实验报告

班级：

机制B18-4

******

学号：

1******

**老师：

***

金属材料的拉伸实验（电子）

一．实验目的

1．测定低碳钢材料在常温、静载条件下的屈服极限σs，强度极限σb，延伸率δ和断面收缩率ψ。

2．测定铸铁材料在常温静载下的强度极限σb。

3．观察低碳钢﹑铸铁在拉伸过程中出现的各种现象，分析P-△L图的曲线特征。

4．比较低碳钢与铸铁力学性能的特点和试件断口情况分析其破坏原因。

5．了解微机控制电子万能材料试验机的构造原理，学习其使用方法。

二．仪器设备

1．微机控制电子万能材料试验机

2．游标卡尺（精度0.02mm）

三．试件

在测试某一力学性能参数时，为了避免试件的尺寸和形状对实验结果的影响，便于各种材料力学性能的测试结果的互相比较，采用国家标准规定的比例试件。

国家标准规定比例试件应符合以下关系：

L0=K。

对于圆形截面试件，K值通常取5.65或11.3。

即直径为d0的圆形截面试件标距长度分别为5d0和10d0。

本试验采用L0=10d0的比例试件。

四．测试原理

（图1）

图1为试验机绘出的碳钢拉伸P-ΔL曲线图，拉伸变形ΔL是整个试件的伸长，并且包括机器本身的弹性变形和试件头部在夹头中的滑动，故绘出的曲线图最初一段是曲线，流动阶段上限B受变形速度和试件形式影响，下屈服点B则比较稳定，工程上均以B点对应的载荷作为材料屈服时的载荷PS.以试样的初始横截面积A0除PS,即得屈服极限:

σS=

屈服阶段过后，进入强化阶段，试样又恢复了承载能力，载荷到达最大值Pb时，试样某一局部的截面明显缩小，出现“颈缩”现象，这时示力盘的从动针停留在Pb不动，主动针则迅速倒退表明载荷迅速下降，试样即将被拉断。

以试样的初始横截面面积A0除Pb得强度极限为

σb=

延伸率δ及断面收缩率φ的测定，试样的标距原长为L0拉断后将两段试样紧密地对接在一起，量出拉断后的标距长为L1，延伸率应为

δ=

×100%

试样拉断后，设颈缩处的最小横截面面积为A1,由于断口不是规则的圆形，应在两个相互垂直的方向上量取最小截面的直径，以其平均值计算A1.然后按下式计算断面收缩率

Ψ=

×100%

铸铁试件在变形极小时，就达到最大载荷PS而突然发生断裂。

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。

（图2）

（图3）

图2为低碳钢试件的压缩图，在弹性阶段和屈服阶段，它与拉伸时的形状基本上是一致的，而且PS也基本相同，所以说，低碳钢材料在压缩时的E和σS，都与拉伸时大致相同，低碳钢的塑性好，由于泊松效应，试件越压越粗,不会破坏，横向膨胀在试件两端受到试件与承垫之间巨大摩擦力的约束，试件被压成鼓形，进一步压缩，会压成圆饼状，低碳钢试件压不坏，所以没有强度极限。

图3为铸铁试件压缩图，P-ΔL比同材料的拉伸图要高4-5倍，当达到最大载荷PS时，铸铁试件会突然破裂，断裂面法线与试件轴线大致成45~55的倾角。

这表面，铸铁压缩破坏主要是由剪应力引起的。

1．低碳钢拉伸

⑴．弹性阶段

弹性阶段为拉伸曲线中的OB段。

在此阶段，试件上的变形为弹性变形。

OA段直线为线弹性阶段，表明载荷与变形之间满足正比例关系。

接下来的AB段是一非线弹性阶段，但仍满足弹性变形的性质。

⑵．屈服阶段

过弹性阶段后，试件进入屈服阶段，其力与曲线为锯齿状曲线BC段。

此时，材料丧失了抵抗变形的能力。

从图形可看出此阶段载荷虽没明显的增加，但变形继续增加；如果试件足够光亮，在试件表面可看到与试件轴线成45°方向的条纹，即滑移线。

在此阶段试件上的最小载荷即为屈服载荷Ps.

⑶．强化阶段

材料经过屈服后，要使试件继续变形，必须增加拉力，这是因为晶体滑移后增加了抗剪能力，同时散乱的晶体开始变得细长，并以长轴向试件纵向转动，趋于纤维状呈现方向性，从而增加了变形的抵抗力，使材料处于强化状态，我们称此阶段为材料的强化阶段（曲线CD部分）。

强化阶段在拉伸图上为一缓慢上升的曲线，若在强化阶段中停止加载并逐步卸载，可以发现一种现象——卸载规律，卸载时载荷与伸长量之间仍遵循直线关系，如果卸载后立即加载，则载荷与变形之间基本上还是遵循卸载时的直线规律沿卸载直线上升至开始卸载时的M点。

我们称此现象为冷作硬化现象。

从图可知，卸载时试件的伸长不能完全恢复，还残留了OQ一段塑性伸长。

⑷．颈缩阶段

当试件上的载荷达到最大值后，试件的变形沿长度方向不再是均匀的了，在试件某一薄弱处的直径将显著的缩小，试件出现颈缩现象，由于试件截面积急剧减小，试件所能承受的载荷也随之下降，最后，试件在颈缩处断裂。

试件上的最大载荷即为强度极限载荷。

2．铸铁拉伸

铸铁在拉伸时没有屈服阶段，拉伸图为一接近直线的曲线（图4），在变形极小时就达到最大载荷而突然发生破坏，因此，只测最大载荷Pb并计算σb=Pb/A0.

（图4）

五、实验步骤

1、低碳钢的拉伸

（1）试件准备

（2）尺寸测量

a.用游标卡尺测量试件标距部分的原始直径d0。

在试件标距范围内，取中间和两端处三个截面作为测试试件直径的位置，每个截面在两个相互垂直的方向上各测量一次，取其平均值作为该截面的平均直径，然后取三个平均值中的最小值作为d0的大小来计算试件的原始横截面面积A0；

b.测量试件的原始标距L0。

用游标卡尺测量试件标距部分两标距点之间的距离一次，以此作为原始标距L0的大小。

（3）试验准备

a.依次打开试验机主机，计算机，打印机；

b.设置限位保护。

将限位杆上的挡圈调整到合适位置。

c.打开计算机内试验软件，进入试验软件主窗口界面；

d.装夹试件。

先将试件的一端夹入试验机下夹具的钳口内；然后在试验软件中将力传感器清零，利用手动控制盒调整移动横梁到合适位置，使上钳口夹牢试件的另一端；

e.点击试验软件主窗口界面上方工具栏内的“实验方案”按扭，设置好实验方案和实验参数。

（4）进行实验

a.点击试验软件主界面上方工具栏内的“试验”按钮，在下拉菜单中选择对应的试验方案。

b.点击“运行”键，开始实验。

c.试件破坏后，关闭试验窗口，进行数据处理，编写打印实验报告。

d.结束实验，退出试验软件，依次关闭打印机、计算机、试验机。

清理实验现场。

e.测量拉断后试件的标距L1和最小截面直径d1。

【标距L1的测量】

将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线，拉断以后试件的标距L1大小的测量采用下述方法之一来测定。

首先在实验前用刻线机在试件标距范围内内的表面上刻出十格等分线。

直测法：

若断口到最近的标距点的距离大于，则以直接测得的两标距点间的距离为L1；

移位法：

若断口到最近的标距点的距离小于，则可按下法确定L1：

在长段上从拉断处O取基本等于短段格数得到B点，当较长段所余格数为偶数时，取长段所余格数的一半得出C点，相当于将BC段长度移到试件的左端。

当较长段所余格数为奇数时，取长段所余格数减1的一半得出C点，再取长段所余格数加1的一半得出C1点。

【截面直径d1的测量】

将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线，在试件颈缩处选择一最小截面，在此截面的两个互相垂直的方向各测量一次直径，取其平均值作为拉断以后截面直径d1的值。

2、铸铁的拉伸

铸铁的拉伸实验可参照低碳钢拉伸实验进行。

铸铁的尺寸测量还可进一步简化，只需测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直径d0的值；铸铁无需测量标距L0、L1和拉断后的直径d1。

六、实验注意事项

1、任何时候都不能带电插拔电源线和信号线；

2、试验开始前，一定要调整好限位挡圈；

3、试验过程中，不能远离试验机；

4、试验过程中，除停止键和急停开关外，不要按控制盒上的其他按键；

5、试验结束后，一定要关闭所有电源；

6、计算及要严格按照系统要求一步一步退出，正常关机。

7、不要使用来历不明或与本机无关的存储介质在试验机控制用计算机上写盘或读盘。

七、实验数据处理与分析

1、实验数据表格

【低碳钢拉伸】

材料

直径（mm）

横截面1

横截面2

横截面3

（1）

（2）

平均

（1）

（2）

平均

（1）

（2）

平均

低碳钢

9.90

9.90

9.90

9.92

9.92

9.92

9.86

9.86

9.86

实验前

材料

标距l（mm）

直径d0（mm）

横截面积A0（mm2）

标记距离l0（mm）

屈服抗力Fs（KN）

最大抗力Fb（KN）

低碳钢

50

9.89

76.78

105.66

23.693

34.243

实验后

材料

变形Δl（mm）

直径d1（mm）

横截面积A1（mm2）

标记距离l1（mm）

F（KN）

低碳钢

0.066

5.75

25.95

135.42

19.135

【铸铁拉伸】

初始直径（mm）

原始标距（mm）

初始拉力（N）

断后直径（mm）

断后标距（mm）

10.10

50.00

200

10.00

50.10

2、强度指标的计算：

【低碳钢拉伸】

屈服极限σs=308.58MPa

强度极限σb=445.99MPa

【铸铁拉伸】

强度极限σb=268.81MPa

3、塑性指标：

【低碳钢拉伸】

弹性模量E=187.70GPa

延伸率δ=

×100%=28.17%

断面收缩率ψ=

×100%=66.20%

八、思考题

1、提交实验报告（具体要求参考实验报告册）；

2、讨论下列问题

a、拉伸实验中为什么要采用比例试件?

拉伸试验中延伸率的大小不仅与材料有关，同时也与试件的标距长度有关，与此同时，试件局部变形较大的断口部分，在不同长度的标距中所占比例也不同，因此，拉伸试验中必须采用标准试件或比例试件，这样其相关性质才具有可比性。

b、σs和σb是试件屈服和破坏时的真实应力吗?

为什么?

σs和σb小于试件在屈服和断裂时的真实应力。

因为σs和σb是通过构件的原始截面面积计算而得，但试件的真实应力σ对应于当时的横截面面积；又因为低碳钢为塑性材料，轴向拉伸时，纵向伸长，横向缩短，故当时的横截面面积小于起始横截面面积。

且σ=F/A，所以σs和σb小于试件在屈服和断裂时的真实应力。

c、分析低碳钢和铸铁两种材料的断口特征，并加以比较。

在低碳钢和铸铁的拉伸试验中,其端口特征为：

低碳钢端口呈杯口状,而铸铁的端口呈贝壳状,如图5。

（图5）

金属材料的压缩实验（电子）

一、实验目的

1、测定铸铁材料在常温、静载条件下压缩时的强度极限σb；

2、观察铸铁材料在压缩时的变形和试件断口情况，并分析其破坏原因；

二、仪器设备

1、微机控制电子万能材料试验机；

2、游标卡尺。

三、试件制备

金属材料的压缩试件一般制成如图3-5-1所示的圆柱形。

且试件不宜过长（过长容易被压弯），也不宜过于粗短（过于粗短则试件两端面受摩擦力影响的范围过大）。

所以，国家标准一般规定

h0=（1~2）d0

式中h0——压缩试件的高度

d0——压缩试件的原始横截面直径

四、实验原理

铸铁在压缩过程中，试验机的自动绘图器将描绘出一条与其拉伸时相似的P-△L压缩曲线（图a），所不同的是铸铁压缩到强度极限载荷Pb之前要产生较大的变形。

试件由圆柱形被压缩成微鼓形直至破裂。

此时试验机力值显示窗口显示力值迅速下降，而而峰值力窗口记录了试件最大载荷Pb。

铸铁破坏时，由于剪应力的作用，破坏面出现在与试件轴线约成45º-50º的斜面上。

图a

五、实验步骤

1、试件准备：

准备工作由实验室老师事先完成。

2、尺寸测量

a.用数显游标卡尺测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直径d0的值；

b.测量试件原始高度h0的值一次；

3、试验准备

a.依次打开试验机主机，计算机，打印机；

b.设置限位保护。

将限位杆上的挡圈调整到合适位置。

c.打开计算机内试验软件，进入试验软件主窗口界面；

d.安装试件。

将试件尽量准确地放在下压板的中心处，调整上压板至接近试件上截面位置，但不要与试件接触。

e.点击试验软件主窗口界面上方工具栏内的“实验方案”按扭，设置好实验方案和实验参数。

4、进行实验

a.点击试验软件主界面上方工具栏内的“试验”按钮，在下拉菜单中选择对应的试验方案。

b.点击“运行”键，开始实验。

c.试件破坏后，关闭试验窗口，进行数据处理，编写打印实验报告。

d.结束实验，退出试验软件，依次关闭打印机、计算机、试验机。

清理实验现场。

六、实验注意事项

1、任何时候都不能带电插拔电源线和信号线；

2、试验开始前，一定要调整好限位挡圈；

3、试验过程中，不能远离试验机；

4、试验过程中，除停止键和急停开关外，不要按控制盒上的其他按键；

5、试验结束后，一定要关闭所有电源；

6、计算及要严格按照系统要求一步一步退出，正常关机。

7、不要使用来历不明或与本机无关的存储介质在试验机控制用计算机上写盘或读盘。

七、实验数据处理与分析

1、实验数据记录表

直径（mm）

第一次值

9.92

第二次值

9.90

铸铁直径平均值d0=9.91mm

2、实验数据处理与分析

强度极限σb=

=176.3MPa

八、实验报告

1、写出正规的实验报告（具体要求参考实验报告册）；

2、讨论下列问题

a.铸铁压缩试件的制备有什么要求，为什么?

材料压缩实验，通常采用短试样，铸铁压缩时候的强度极限远远大于拉伸时的强度极限，通过实验确定材料的力学性能，了解材料何时发生失效，进而建立保证构件安全，可靠工作的强度条件。

b.描述铸铁压缩破坏断口形状，分析其破坏原因。

在铸铁试件压缩时与轴线大致成45度的斜截面具有最大的剪应力,故破坏断面与轴线大致成45度。

塑性破坏

铸铁抗压强度较大,抗拉\抗剪强度相对较小

铸铁的可塑性比较差,不像热轧钢有良好的力学性能