材料力学实验(6)

第三章基本实验部分§3－1拉伸实验一、目的1、测定低碳钢的屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ和断面收缩率ψ；2、测定铸铁的强度极限σb；3、观察拉伸过程中的各种现象（屈服、强化、颈缩、断裂特征等），并绘制拉伸图（P－ΔL曲线）；4、比较塑性材料和脆性材料力学性质特点。二、原理将划好刻度线的标准试件，安装于万能试验机的上下夹头内。开启试验机，由于油压作用，便带动活动平台上升。因下夹头和蜗杆相连，一般固定不动。上夹头在活动平台里，当活动平台上升时，试件便受到拉力作用，产生拉伸变形。变形的大小可由滚筒或引伸仪测得，力的大小通过指针直接从测力度盘读出，P-ΔL曲线可以从自动绘图器上得到。低碳钢是典型的塑性材料，试样依次经过弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段，其中前三个阶段是均匀变形的。用试验机的自动绘图器绘出低碳钢和铸铁的拉伸图（如图3-1）。对于低碳钢试件，在比例极限内，力与变形成线性关系，拉伸图上是一段斜直线（试件开始受力时，头部在夹头内有一点点滑动，故拉伸图最初一段是曲线）。低碳钢的屈服阶段在试验机上表现为测力指针来回摆动，而拉伸图上则绘出一段锯齿形线，出现上下两个屈服荷载。对应于B′点的为上屈服荷载。上屈服荷载受试件变形速度和表面加工的影响，而下屈服荷载则比较稳定，所以工程上均以下屈服荷载作为计算材料的屈服极限。屈服极限是材料力学性能的一个重要指标，确定Ps时，须缓慢而均匀地使试件变形，仔细观察。(a)低碳钢拉伸图图3-1(b)铸铁拉伸图试件拉伸达到最大荷载Pb以前，在标距范围内的变形是均匀分布的。从最大载荷开始便产生局部伸长的颈缩现象；这时截面急剧减小，继续拉伸所需的载荷也减小了。试验时应把测力指针的副针（从动针）与主动针重合，一旦达到最大荷载时，主动针后退，而副针则停留在载荷最大的刻度上，副针指示的读数为最大载荷Pb。铸铁试件在变形极小时，就达到最大载荷Pb，而突然发生断裂。没有屈服和颈缩现象，是典型的脆性材料（拉伸曲线见图3-1）。三、仪器设备1.液压式万能试验机、2.划线器、3.游标卡尺。四、试件试件一般制成圆形或矩形截面，圆形截面形状如图3-2所示，试件中段用于测量拉伸变形，此段的长度L0称为“标距”。两端较粗部分是头部，为装入试验机夹头内部分，试件头部形状视试验机夹头要求而定，可制成圆柱形（图3-2a）、阶梯形（图3-2b）、螺纹形（图3-2c）。图3-2试验表明，试件的尺寸和形状对试验结果会有影响。为了避免这种影响，便于各种材料力学性能的数值互相比较，所以对试件的尺寸和形状国家都有统一规定，即所谓“标准试件”，其形状尺寸的详细规定参阅国家标准《金属拉伸试验试样》GB/T6397-1986。标准试件的直径为d0，则标距L0＝10d0或L0＝5d0，d0一般取10mm或20mm。矩形截面试件标距L与横截面面积A的比例为AL3.110或AL65.50。五、低碳钢的拉伸实验步骤1、测量试件尺寸：用游标卡尺在试件标距长度L0范围内，测量两端及中间等三处截面的直径d0，在每一处截面垂直交叉各测量一次，三处共需测量六次。取三处中最小一处之平均直径d0作为计算截面面积A0之用（要求测量精度精确到0.02mm）。在试件的标距长度内，用划线器划出100mm的两根端线作为试件的原长L02、选择度盘：根据试件截面尺寸估算最大荷载(Fmax=A0×σb)，并选择合适的测力度盘。配置好相应的砣（摆锤），调节好相应回油缓冲器的刻度。3、指针调零：打开电源，按下(绿色)油泵启动按钮，关闭回油阀（手感关好即可，不用拧得太紧），打开进油阀（开始时工作油缸里可能没有液压油，需要开大一些油量，以便液压油快速进入工作油缸，使活动平台加速上升）。当活动平台上升5～10mm左右，便关闭进油阀（如果活动平台已在升起的合适位置时，则不必先打开进油阀，仅将进油阀关好即可；如果活动平台升得过高，试件无法装夹，则需打开回油阀，将活动平台降到合适的位置并关好即可）。移动平衡锤使摆杆保持铅垂（铅垂的标准是摆杆右侧面和标示牌的刻画线对齐重合）。然后轻轻地旋转螺杆使主动针对准度盘上的零点，并轻轻按下拨钩拨动从动针与主动针靠拢，注意要使从动针靠在主动针的右边。同时调整好自动绘图器，装好纸和笔并打下绘图笔。4、安装试件：先将试件安装在试验机上夹头内，再开动下夹头升降电机（或转动下夹头升降手轮）使其达到适当的位置，然后把试件下端夹紧，夹头应夹住试件全部头部。5、检查：先请指导教师检查以上步骤完成情况，并经准许后方可进行下步实验。6、进行试验：用慢速加载（一般进油阀顺手转2下，即半圈左右），缓慢均匀地使试件产生变形。当指针转动较快时，关小一些进油量，指针转动较慢时，则增大一些进油量。在试件受拉的过程中注意观察测力指针的转动和自动绘图器上的P-△L曲线的轨迹。当测力指针倒退时（有时表现为指针来回摆动，说明材料已进入屈服阶段，注意观察屈服现象，此时不要增加油量也不要减少油量，让材料慢慢屈服，并抓住时机，记录屈服时的最小载荷Fs（下屈服点），也就是指针来回摆动时的最小值。当主动针开始带动从动针往前走，说明材料已过屈服阶段，并进入强化阶段。这时可以适当的再增大一些进油量，即用快一点的速度加载。在载荷未达到强度极限之前把载荷全部卸掉，重新加载以观察冷作硬化现象，继续加载直至试件断裂。在试件断裂前，注意指针移动，当主动针往回走，此时材料已进入颈缩阶段，注意观察试件颈缩现象，这时可以适当地减少一些进油量。当听到断裂声时，立即关闭进油阀，并记录从动针指示的最大载荷Fb。7、结束工作取下试件，并关闭电源。将试件重新对接好。用游标卡尺测量断后标距长L1（即断后的两个标记刻画线之间的距离）。和断口处的直径d1。（在断口处两个互相垂直方向各测量一次），最后观察断口形状和自动绘图器上的拉伸曲线图是否与理论相符。注意事项：（1）试件夹紧后．．．．．，不得再开动下夹头的升降电机．．．．．．．．．．．．．。否则要烧坏电机．．．．．．．。（2）开始加载要缓慢．．．．．．．，防止油门开得过大．．．．．．．．，引起载荷冲击突然增加．．．．．．．．．．，造成事故．．．．。（3）进行试验时．．．．．，必须专人负责．．．．．．，坚守岗位．．．．，如发生机器声音异常．．．．．．．．．，立即停机．．．．。（4）试验结束后．．．．．，切记关闭进油阀．．．．．．．，取下试件．．．．，打开回油阀．．．．．，并关闭电源．．．．．。六、铸铁的拉伸实验实验步骤与低碳钢基本相同，但拉伸图没有明显的四个阶段，只有破坏荷载Pb，而且数值较小，变形也不大。因此加载时速度一定要慢，进油阀不要开得过大，断裂前没有任何预兆，突然断裂，是典型的脆性材料。最后观察断口形状和自动绘图器上的拉伸曲线图是否与理论相符，其断口形状与低碳钢有何不同，请教师检查试验记录。七、数据处理根据材料的屈服载荷Fs和最大载荷Fb，计算屈服极限σs和强度极限σb；0AFss；0AFbb根据试件试验前后标距长度及断面面积计算：%100001LLL%100010AAA八、思考题1、从试件的破坏断口及其拉伸图上，反应了两种材料的哪些异同？为什么将低碳钢的极限应力σjx定为σs，而将铸铁的定为σb？2、为何在拉伸试验中必须采用标准试件或比例试件？材料和直径相同而长短不同的试件延伸率是否相同？§3－2压缩实验一、目的1、测定压缩时低碳钢的屈服极限σs和铸铁的强度极限σb。2、观察低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏情况。二、仪器设备1、液压式万能试验机2、游标卡尺三、试件低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试件一般制成圆柱形（图3-3）。其直径d0与高h0之间比例应控制在3100dh。即高度不能太大以避免试件在试验中发生挠曲现象。但h0也不能太小，由于上下垫板发生摩擦，也影响试验结果。由于摩擦阻止了靠近垫板部分的金属的横向变形，因而试件变形后如图3-4所示形成鼓形，越靠近垫板变形越小。这种摩擦力的影响，试件越小影响越大。所以需要在试件两端面涂上润滑剂（润滑油或石蜡），以减小摩擦。同时在安放试件时要注意放在压板的中心，并使用导向装置（图3-5），使试件仅承受轴向压力。图3-3图3-4图3-5四、操作步骤：1、低碳钢（1）测量尺寸：测量试件的高度和直径，直径取试件的上、中、下三处，每处垂直交叉各测量一次，取最小值来计算截面面积A0。（2）选测度盘：根据试件的截面大小估算量程，并选好测力度盘，挂好相应的铊。（3）指针调零：按下启动按钮，随即关闭回油阀，拧开进油阀，将活动平台提升一小段，便关闭进油阀。然后检查摆杆是否垂直，如果不垂直，调节平衡铊，使摆杆保持垂直。最后将指针调零，并装好绘图纸和绘图笔。（4）安放试件：将试件安放在下夹板的中心位置或压缩实验装置的中心（注意一定要放在中心，否则偏心受压）。（5）加载：如果试件或压缩实验装置离上压板空间较大，有几十厘米空间，此时可以将进油阀开到较大，让活动平台快速上升。这时右手控制进油阀，左手放在停止按钮上（控制台面上的红色按钮），眼睛看着试件或压缩实验装置。当试件或压缩实验装置离上压板还差5cm时，左手立即按下停止按钮，右手关闭进油阀（顺时针转动手轮），直到关闭为止。然后重新启动试验机，顺手转进油阀2下（半圈左右），并缓慢而均匀地加载。打下绘图笔，转动滚筒，使绘图笔处于合适的位置。并注意观察测力指针，如果指针转动较快，则关小一些进油量；如果转动较慢，则开大一些进油量。并注意观察自动绘图器上的F－ΔL曲线。曲线的开始部分为一段斜直线，说明低碳钢在弹性阶段，此时力与变形成比例。当测力指针转动速度减慢或停顿，自动绘图器上的曲线出现拐点时，此时的荷载即为屈服荷载FS。记下此荷载。然后再加大一些进油量，继续加载，一般加到250KN即可，停机，此时试件被压成鼓状。如果继续加载，随着载荷的增大，试件将越压越扁，最后将压成饼形而不破裂（如图3-6所示）。2、铸铁铸铁压缩实验的方法和步骤与低碳钢压缩相同，但要注意铸铁是脆性材料，没有屈服点。从P－ΔL曲线上可以看出，其压缩图在开始时接近于直线，以后曲率逐渐增大，当载荷达到最大载荷Fb时，测力指针停顿并开始往回走，预示试件很快破裂，这时关小一些进油量，当听到响声后，立即停机（按下红色按钮），打开回油阀，关闭进油阀，由从动针可读出Fb值。试件最后被破坏（如图3-7所示），破裂面与试件轴线约成45°角。图3-6低碳钢压缩图3-7铸铁压缩注意事项：（1）当试件或压缩实验装置的顶面与上压板快接触时．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，进油量一定要小．．．．．．．（进油阀控制在半．．．．．．．圈即可．．．），否则进油量较大．．．．．．．，引起载荷瞬间突然增大．．．．．．．．．．，超过试验的最大量程．．．．．．．．．，造成试验机损坏．．．．．．．。（2）铸铁压缩时．．．．．，不要靠近试件探望．．．．．．．．，以防试件破坏时．．．．．．．，碎片飞出．．．．伤人．．。五、数据整理计算低碳钢的屈服极限和铸铁强度极限0AFss0AFbb式中A0是试验前试件截面面积。绘图表示两种材料的变形和断口形状、从宏观角度分析破坏原因；比较并说明两种材料的力学性质特点。六、思考题1、试件偏心时对试验结果有何影响？2、为什么不能求得塑性材料的强度极限？3、铸铁拉、压破坏时断口为何不同？§3－4材料切变模量G的测定实验（一）用百分表扭角仪法测定切变模量G一、目的在比例极限内验证扭转时的剪切虎克定律，并测定材料的切变模量G。二、仪器设备1、多功能组合实验台2、百分表三、试件空心圆管：材料为不锈钢、内径d=40.26mm、外径D=46.44mm、长度L=420mm四、预习要求：1、阅读第二章中多功能组合实验台工作原理、使用方法以及百分表的工作原理。五、实验原理与方法实验装置如图3-13所示，加载示意图见图3-14。试件的一端安装在圆管固定支座上，该端固定不动，另一端可以转动，并在可动端装有一滚珠轴承支座加以支承。靠近轴承安装一横杆AB，在A点通过加载手轮加载。这样试件在荷载作用下，仅仅受到纯扭转的作用。可动端只能产生绕空心