2007年材料力学性能实验指导书

0实验一、45#钢的拉伸实验一、实验目的1．了解试验设备－电子万能材料试验机的结构和工作原理，掌握其操作规程及正确使用方法；2．观察45#钢在拉伸过程中的各种现象，并绘制出拉伸曲线（P一L曲线）；3．测定45#钢的屈服极限（屈服点应力）σS，强度极限（抗拉强度）σb，伸长率δ和断面收缩率ψ。二、实验基本原理力学性能－也称机械性能，指材料在外力作用下表现出的变形、破坏等方面的特性。常温、静载下的轴向拉伸试验是材料力学试验中最基本、应用最广泛的试验。通过拉伸试验，可以全面地测定材料的力学性能，如弹性、塑性、强度、断裂等力学性能指标。这些性能指标对材料力学的分析计算、工程设计、选择材料和新材料开发都有及其重要的作用。依据国标GB/T228－2002《金属室温拉伸实验方法》分别叙述如下：1．静载单向拉伸应力～应变曲线在拉伸试验时，利用试验机的自动绘图器可绘出拉伸曲线，见图1－1所示的P—ΔL曲线。图中最初阶段呈曲线，是由于试样头部在夹具内有滑动及试验机存在间隙等原因造成的。分析时应将图中的直线段延长与横坐标相交于O点，作为其坐标原点。拉伸曲线形象的描绘出材料的变形特征及各阶段受力和变形间的关系，可由该图形的状态来判断材料弹性与塑性好坏、断裂时的韧性与脆性程度以及不同变形下的承载能力。但同一种材料的拉伸曲线会因试样尺寸不同而各异。为了使同一种材料不同尺寸试样的拉伸过程及其特性点便于比较，以消除试样几何尺寸的影响，可将拉伸曲线图的纵坐标（力P）除以试样原始横截面面积A0,并将横坐标（伸长ΔL）除以试样的原始标距L0得到的曲线便与试样尺寸无关，此曲线称为应力－应变曲线或б—曲线，它与拉伸图曲线相似，也同样表征了材料力学性能。曲线明显分为四个阶段：图1－1低碳钢应力－应变图1（1）弹性变形阶段（oab段）：此时变形量与载荷成正比。在此阶段中的oa段拉力和伸长成正比关系，表明钢材的应力与应变为线性关系，完全遵循虎克定律，如图1-1所示。若当应力继续增加到b点时，应力和应变的关系不再是线性关系，但变形仍然是弹性的，即卸除拉力后变形完全消失。a点所对应的极限载荷值记为Pp，应力值记为σp;b点所对应的载荷Pe是不产生永久变形的最大抗力，对应应力σe。峰值：σp－比例极限，应力应变保持线性关系的应力极大值；σe－弹性极限，σσe时外力除去将有残余变形。（2）屈服变形阶段（bcd段）：从b点开始式样进入塑性变形阶段，c点是第一次下降的最低点，从c点到d点变形曲线呈平线或波浪线，这种外力不再增加而试样仍继续产生大量塑性变形的现象称之为“屈服”，c点是屈服点。该点所对应的载荷为Ps，对应的应力记为σs。峰值：σs—屈服（流动）极限，bc段中最低点所对应的应力值。（3）加工硬化阶段（de段）：由d点开始曲线上升。这个阶段的最大特点是呈均匀变化阶段，随着塑性变形量的增大，材料的力学性能发生变化，即材料的变形抵抗力提高，塑性降低。在强化阶段卸载，弹性变形会随之消失，塑性变形将会永久保留下来。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行，卸载后重新加载时，加载线与弹性阶段平行，重新加载后，材料的比例极限明显提高，而塑性性能会相应下降。这种现象叫做形变硬化或冷作硬化。这个阶段是金属最重要的塑性变形阶段，金属的变形强化在此阶段进行。e点对应的是材料所能承受的最大载荷Pb，相应应力记为σb。峰值：σb－强度极限（抗拉强度），是材料所能承受的最大应力，又称破坏应力。（4）颈缩阶段（ek段）：从e点开始，试样发生局部变细，同时从拉伸图可以可见载荷随着变形的增大而减小，这种现象被称为“颈缩“阶段。材料颈缩到k点断裂，此时的载荷为Pk。2.材料的强度强度是表征材料抵抗变形和断裂的能力。通常用材料所承受的极限应力来表示的。也就是以材料的所承受的极限载荷值除以试样的面积，即σ=P/A0MPa。常用σs和σb表示材料的强度大小。3．材料的塑性指标拉伸时，当应力超过弹性极限后，金属在继续发生弹性变形的同时，伴随着产生了塑性变形。金属塑性变形主要是材料晶面产生了滑移，是由剪应力引起的，材料发生塑性变形的能力叫做塑性。为了表示材料塑性的大小，可以用材料拉伸断裂后的延伸率δ和截面收缩率ψ来表示。δ和ψ值越大，材料的塑性越好。塑性材料：在显著的残余变形下才破坏的材料。例如低碳钢。脆性材料：在较小的残余变形下就破坏的材料。例如铸铁、混凝土、石料等。（1）延伸率δ的测定设试样的标距长为试样样拉断后长度的相对伸长量，即:式中：L1—拉断试件时的标距；L—原始标距δ5%为塑性材料；δ5%为脆性材料（2）断面收缩率ψ：断面收缩率φ是试样拉断后的截面积的相对收缩值，即：2式中：A1—拉断后颈缩处的最小截面面积；A—原始截面面积4．其它塑性材料拉伸时的力学性能工程中常用的塑性材料，除低碳钢外，还有中碳钢、某些高碳钢和合金钢、铝合金、青铜等，其应力应变曲线与低碳钢类似。有些材料无明显的四个阶段。对无明显的σs的塑性材料，定义产生0.2%的塑性应变时的应力为该材料的名义屈服极限或称为条件屈服强度σ0.2。通过实验研究，得出含碳量增加，σs和σb增加，但δ降低。5．铸铁拉伸时的力学性能特点：1无明显直线阶段及屈服、颈缩现象，σb是唯一强度指标；2破坏前变形小，近似用割线代替曲线；3拉断时断口为平断口。三、实验设备1.电子万能实验机（见附录1）2．游标卡尺四、试样按国家标准GB6397-86，采用圆截面比例试样，试样分为长标距L0=10d0和短标距L0=5d0两种（如图1－2所示），一般采用短标距试样。图1－2拉伸试样五、实验步骤1.根据试样的形状、尺寸和预计材料的抗拉强度来估算最大拉力，选用与试样相适应的夹具。2.在试样的原始标距长度L0范围内用划线机等分10个分格点，并确定标距的端点，以便观察标距范围内沿轴向变形的情况和试样破坏后测定断后延伸率。3.根据国标GB/T228－2002《金属室温拉伸试验方法》中的规定，测定试样原始横截面积。本次试验采用圆形试样，应在标距的两端及中间处的两个相互垂直的方向上各测一次横截面直径，取其算术平均值，选用三处测得的直径最小值，并以此值计算横截面面积。4.安装试样，经指导教师检查后即可开始试验。5.加载试验，在试验过程中，要求均匀缓慢地进行加载。注意观察45＃钢在拉伸过程四个阶段中的各种现象。并记下屈服载荷Ps值和最大载荷Pb值。试样被拉断后立即停机，并取下试样。36．结束实验。取下试样，实验机恢复原状。对断裂后的拉伸试样，测量缩颈处的直径d1，断裂后的标距长度L1，并做好相应的记录。按照国标GB/T228－2002中的规定测定L0时，将试样断裂后的两段在断口处紧密地对接起来，直接测量原标距两端的距离。如果断口发生于L0的两端或在L0之外，则实验无效，应重做。若断口距L0的一端小于、等于L0/3，则应修正断后标距长度：由断口处取约等于短段的格数得B点，若剩余格数为偶数（图1－3b），取其一半得C点，则标距长度L1=AB+2BC。当剩余格数为奇数时（图1－3c），取剩余格数减1后的一半得C点，加1后的一半得C1点，则L1=AB+BC+BC1。图1－3断后标距长的确定方法示意图六、实验数据处理1．计算材料的屈服极限σs和抗拉强度（抗压强度）σb2．计算材料的延伸率δ和断面收缩率ψ3.绘出拉伸过程中的P－ΔL曲线，对试验中的各种现象进行分析比较，并写进试验报告中。4．计算材料压缩时的屈服极限σs。4实验二材料断面的观察一、实验目的1.测量45＃钢的冲击韧度；2.观察分析45＃钢在在常温冲击下的破坏情况和断口形貌；3.了解冲击试验方法。二、实验基本原理衡量材料抗冲击能力的指标用冲击韧度来表示。冲击韧度是通过冲击实验来测定的。这种实验在一次冲击载荷作用下显示试件缺口处的力学特性(韧性或脆性)。虽然试验中测定的冲击吸收功或冲击韧度,不能直接用于工程计算，但它可以作为判断材料脆化趋势的一个定性指标,还可作为检验材质热处理工艺的一个重要手段.这是因为它对材料的品质、宏观缺陷、显微组织十分敏感，而这点恰是静载实验所无法揭示的。（一）冲击实验的类型和名称测定冲击韧度的试验方法有多种。国际上大多数国家所使用的常规试验为简支梁式的冲击弯曲试验。一般在室温下进行的实验采用GB/T229-1994标准《金属夏比冲击试验方法》，另外还有“低温夏比冲击实验”，“高温夏比冲击实验”。由于冲击实验受到多种内在和外界因素的影响。要想正确反映材料的冲击特性，必须使用冲击实验方法和设备标准化、规范化，为此我国制定了金属材料冲击实验的一系列国家标准（例如GB2106、GB229-84、GB4158-84、GB4159-84）。本次实验介绍“金属夏比冲击实验”（即GB/T229-1994）测定冲击韧度。（二）原理夏比冲击实验是将具有规定形状和尺寸的试样，放在冲击实验机的试样支座上，使之处于简支梁状态。然后使规定高度的摆锤下落，产生冲击载荷将试样折断，如图2－1所示。夏比冲击实验实质上就是通过能量转换过程，测定试样在这种冲击载荷作用下折断时所吸收的功。图2-1冲击试验原理图把试样放在图2－28的B处，将摆锤举至高度为H（m）的A处自由落下。设摆锤的重力为G（N），摆锤旋转轴线到摆锤重心的距离为L（m）。摆锤在A处所具有的势能为：5E=G·H=GL(1-cosα)(2-1)冲断试样后，摆锤在C处所具有的势能为：E1=G·h=GL(1-cosβ)。(2-2)势能之差E-E1,即为冲断试样所消耗的冲击功AK:AK=E-E1=GL(cosβ-cosα)(2-3)AK的单位为N·m，通常用J表示（1J＝1N·m）式中，α为冲断试样前摆锤扬起的最大角度；β为冲断试样后摆锤扬起的最大角度。若α为固定值，则试样的冲击吸收功AK就决定于摆锤折断试样后所扬起的角度β。由β值换算的冲击吸收功可直接从实验机的示值度盘上读出。冲击韧度αk（J/m2）为：αk＝AK/A0(2-4)式中，A0为试样缺口处的初始面积。αk作为材料的冲击抗力指标，不仅与材料的性质有关，试样的形状、尺寸、缺口形式等都会对αk值产生很大的影响，因此αk只是材料抗冲击断裂的一个参考性指标。只能在规定条件下进行相对比较，而不能代换到具体零件上进行定量计算。三、实验设备1．一次冲击弯曲实验机；2．游标卡尺。3．显微镜四、试样夏比冲击试样根据其缺口形状的不同要求可分为V型缺口试样和U型缺口试样两种类型。本实验采用GB/T2291994标准规定的10mm10mm55mmV型缺口试样，见图2－2。图2－2夏比V型缺口冲击试样6五、实验步骤1．测量试样的几何尺寸及缺口处的横截面尺寸。2．根据估计材料冲击韧性来选择试验机的摆锤和表盘。3．安装试样。4.进行试验。将摆锤举起到高度为H处并锁住，然后释放摆锤，冲断试样后，待摆锤扬起到最大高度，再回落时，立即刹车，使摆锤停住。5.记录表盘上所示的冲击功AK值.取下试样，观察断口。试验完毕，将试验机复原。6.回收试样，在显微镜下观察断口形貌。7．注意人身安全。六、数据处理1．计算材料的冲击韧度值αk2．画出材料的破坏断口草图。7实验三、材料力学性能综合性实验一、实验目的1．培养学生综合设计的能力、实践动手能力和知识的接受能力。2．使学生掌握材料力学性能的测量原理和方法。3．根据材料的成分－组织－性能之间的关系，制定正确热处理工艺，掌握热处理工艺的操作；4．通过综合性实验培养学生对所学知识的组合与应用，加深对金属材料力学性能的理解。二、基本原理（一）拉伸性能测试力学性能－也称机械性能，指材料在外力作用下表现出的变形、破坏等方面的特性。常温、静载下的轴向拉伸试验是材料力学试验中最基本、应用最广泛的试验。通过拉伸试验，可以全面地测定材料的力学性能，如弹性、塑性、强度、断裂等力学性能指标。这些性能指标对材料力学的分析计算、工程设计、选择材料和新材料开发都有及其重要的作用。材料的强度强度是表征材料抵抗变形和断裂的能力。通常用材料所承受的极限应力来表示的。也就是以材料的所承受的极限载荷值除以试样的面积，即σ=P/A0MPa。常用σs和σb