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　文件編號(hào)：0 2020 年 年 6 6月

　金屬軸向拉壓和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告_ _ 工程力學(xué)

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　 金屬材料軸向拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn) 預(yù)習(xí)要求：

　1、復(fù)習(xí)教材中有關(guān)材料在拉伸、壓縮時(shí)力學(xué)性能的內(nèi)容； 2、預(yù)習(xí)本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的原理和使用方法；

　一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、 觀察低碳鋼在拉伸時(shí)的各種現(xiàn)象，并測(cè)定低碳鋼在拉伸時(shí)的屈服極限s? ，強(qiáng)度極限b? ，延伸率δ和斷面收縮率； 2、 觀察鑄鐵在軸向拉伸時(shí)的各種現(xiàn)象； 3、 觀察低碳鋼和鑄鐵在軸向壓縮過(guò)程中的各種現(xiàn)象； 4、 掌握微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的操作方法。

　二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器 1、微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)； 2、游標(biāo)卡尺。

　三、試件 試驗(yàn)表明，試件的尺寸和形狀對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響。為了便于比較各種材料的機(jī)械性能，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試件的尺寸和形狀有統(tǒng)一規(guī)定。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB6397—86），將金屬拉伸比例試件的尺寸列表如下：

　試

　 件 標(biāo)距長(zhǎng)度 L 0

　橫截面積 A 0

　圓試件直徑 d 0

　表示延伸 率的符號(hào) 比例/長(zhǎng)短 03 . 11 A 或 10d 0

　任 意 任 意 δ 10 065 . 5 A 或 5d 0

　任 意 任 意 δ 5 本實(shí)驗(yàn)的拉伸試件采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的長(zhǎng)比例試件（圖一），試驗(yàn)段直徑d 0 =10mm ， 標(biāo)距 l 0 =100mm.。

　本實(shí)驗(yàn)的壓縮試件采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7314-87）中規(guī)定的圓柱形試件 h/d 0 =2, d 0 =10mm, h=20mm (圖二)。

　圖二 h d 0 l 0 d 0 圖一

　四、實(shí)驗(yàn)原理和方法 （一）低碳鋼的拉伸試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將試件安裝在試驗(yàn)機(jī)的上、下夾頭內(nèi)，并在實(shí)驗(yàn)段的標(biāo)記處安裝引伸儀，以測(cè)量試驗(yàn)段的變形。然后開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，緩慢加載，同時(shí)，與試驗(yàn)機(jī)相聯(lián)的微機(jī)會(huì)自動(dòng)繪制出載荷—變形曲線（F—l 曲線，見(jiàn)圖三）或應(yīng)力—應(yīng)變曲線（—曲線，見(jiàn)圖四）。隨著載荷的逐漸增大，材料呈現(xiàn)出不同的力學(xué)性能：

　1、線性階段 在拉伸的初始階段，—曲線為一直線，說(shuō)明應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即滿(mǎn)足胡克定律。線性段的最高點(diǎn)稱(chēng)為材料的比例極限（ p ），線性段的直線斜率即為材料的彈性模量 E。

　若在此階段卸載，應(yīng)力應(yīng)變曲線會(huì)沿原曲線返回，載荷卸到零時(shí)，變形也完全消失。卸載后變形能完全消失的應(yīng)力最大點(diǎn)稱(chēng)為材料的彈性極限（ e ）。一般對(duì)于鋼等許多材料，其彈性極限與比例極限非常接近。

　2、屈服階段 超過(guò)比例極限之后，應(yīng)力與應(yīng)變不再成正比，當(dāng)載荷增加到一定值時(shí)，應(yīng)力幾乎不變，只是在某一微小范圍內(nèi)上下波動(dòng)，而應(yīng)變卻急劇增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為屈服。使材料發(fā)生屈服的應(yīng)力稱(chēng)為屈服應(yīng)力或屈服極限（ s ）。

　實(shí)驗(yàn)曲線在屈服階段有兩個(gè)特征點(diǎn)，上屈服點(diǎn) B和下屈服點(diǎn) B’（見(jiàn)圖五），上屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)曲線上應(yīng)力波動(dòng)的起始點(diǎn)，下屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)曲線上應(yīng)力完成首次波動(dòng)之后的最低點(diǎn)。上屈服點(diǎn)受加載速率以及試件形狀等的影響較大，而下屈服點(diǎn) B’則比較穩(wěn)定，故工程上以 B’點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為材料的屈服極限 s 。

　當(dāng)材料屈服時(shí)，如果用砂紙將試件表面打磨，會(huì)發(fā)現(xiàn)試件表面呈現(xiàn)出與軸線

　b s p B

　B’

　D

　E

　圖四

　C l F 圖三

　成 45 o 的斜紋。這是由于試件的 45 o 斜截面上作用有最大切應(yīng)力，這些斜紋是由于材料沿最大切應(yīng)力作用面產(chǎn)生滑移所造成的，故稱(chēng)為滑移線。

　3、硬化階段 經(jīng)過(guò)屈服階段后，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)曲線上升趨勢(shì)，這說(shuō)明材料的抗變形能力又增強(qiáng)了，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變硬化。

　若在此階段卸載，則卸載過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變曲線為一條斜線，其斜率與比例階段的直線段斜率大致相等。當(dāng)載荷卸到零時(shí)，變形并未完全消失，應(yīng)力減小至零時(shí)殘留的應(yīng)變稱(chēng)為塑性應(yīng)變或殘余應(yīng)變，相應(yīng)地應(yīng)力減小至零時(shí)消失的應(yīng)變稱(chēng)為彈性應(yīng)變。卸載完之后，立即再加載，則加載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本上沿卸載時(shí)的直線變化。因此，如果將卸載后已有塑性變形的試樣重新進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其比例極限或彈性極限將得到提高，這一現(xiàn)象稱(chēng)為冷作硬化。

　在硬化階段應(yīng)力應(yīng)變曲線存在一最高點(diǎn)，該最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為材料的強(qiáng)度極限（ b ）。強(qiáng)度極限所對(duì)應(yīng)的載荷為試件所能承受的最大載荷 P b 。

　4、縮頸階段 試樣拉伸達(dá)到強(qiáng)度極限 b 之前，在標(biāo)距范圍內(nèi)的變形是均勻的。當(dāng)應(yīng)力增大至強(qiáng)度極限 b 之后，試樣出現(xiàn)局部顯著收縮，這一現(xiàn)象稱(chēng)為縮頸。縮頸出現(xiàn)后，使試件繼續(xù)變形所需載荷減小，故應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，直至最后在 E點(diǎn)斷裂。試樣的斷裂位置處于縮頸處，斷口形狀呈杯狀，這說(shuō)明引起試樣破壞的原因不僅有拉應(yīng)力，還有切應(yīng)力，這是由于縮頸處附近試件截面形狀的改變使橫截面上各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化。

　（二）鑄鐵的拉伸試驗(yàn) 鑄鐵的拉伸實(shí)驗(yàn)方法與低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)相同，但是鑄鐵在拉伸時(shí)的力學(xué)性能明顯不同于低碳鋼，其應(yīng)力——應(yīng)變曲線如圖五所示。鑄鐵從開(kāi)始受力直至斷裂，變形始終很小，既不存在屈服階段，也無(wú)頸縮現(xiàn)象。斷口垂直于試樣軸線，這說(shuō)明引起試樣破壞的原因是最大拉應(yīng)力。

　（三）低碳鋼和鑄鐵的壓縮實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將試件放置于試驗(yàn)機(jī)的平臺(tái)上，然后開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，緩慢加載，同時(shí)，與試驗(yàn)機(jī)相聯(lián)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)繪制出載荷—變形曲線（F—l 曲線）或應(yīng)力—應(yīng)變曲線（—曲線），低碳鋼和鑄鐵受壓縮時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線分別見(jiàn)圖圖五

　六和圖七。

　低碳鋼試件在壓縮過(guò)程中，在加載開(kāi)始段，從應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即滿(mǎn)足虎克定律。當(dāng)載荷達(dá)到一定程度時(shí)，低碳鋼試件發(fā)生明顯的屈服現(xiàn)象。過(guò)了屈服階段后，試件越壓越扁，最終被壓成腰鼓形，而不會(huì)發(fā)生斷裂破壞。

　鑄鐵試件在壓縮過(guò)程中，沒(méi)有明顯的線性階段，也沒(méi)有明顯的屈服階段。鑄鐵的壓縮強(qiáng)度極限約為拉伸強(qiáng)度極限的 3~4倍。鑄鐵試件斷裂時(shí)斷口方向與試件軸線約成 55 o 。一般認(rèn)為是由于切應(yīng)力與摩擦力共同作用的結(jié)果。

　五、實(shí)驗(yàn)步驟 1．試件準(zhǔn)備 用劃線機(jī)在標(biāo)距 l 0 范圍內(nèi)每隔 10毫米刻劃一根圓周線，將標(biāo)距分成十等分。

　2．測(cè)量試件尺寸 用游標(biāo)卡尺測(cè)量標(biāo)距兩端及中間三個(gè)橫截面處的直徑，每一橫截面分別沿兩個(gè)互垂方向各測(cè)一次取平均值。取所測(cè)得三個(gè)橫截面直徑中的最小值作為實(shí)驗(yàn)值。

　3．試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備 根據(jù)低碳鋼強(qiáng)度極限 б b 的估計(jì)值和橫截面面積 A 0 估算實(shí)驗(yàn)的最大載荷。以此來(lái)選擇合適的測(cè)力量程。

　4．安裝試件 5．安裝引伸儀 6．檢查及試車(chē) 檢查以上步驟的完成情況后，開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，預(yù)加少量載荷（應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)材圖七

　s p B

　B’

　圖六

　料的比例極限）然后卸載至零點(diǎn)，以檢查試驗(yàn)機(jī)工作是否正常。

　7．進(jìn)行試驗(yàn) ① 開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)使之緩慢勻速加載。注意觀察應(yīng)力—應(yīng)變曲線，以了解材料在拉伸時(shí)不同階段的力學(xué)性能。

　② 在比例極限以下卸載，觀察試件的彈性變形情況。

　③ 繼續(xù)加載,在屈服階段觀察試件表面的滑移線。

　④ 進(jìn)入強(qiáng)化階段后。卸載至零，再加載，觀察冷作硬化現(xiàn)象。

　⑤ 繼續(xù)加載，當(dāng)達(dá)到強(qiáng)度極限后，觀察縮頸現(xiàn)象。

　⑥ 加載直至試件斷裂。

　⑦ 取下試件，用游標(biāo)卡尺測(cè)量斷裂后的標(biāo)距 l 1 ,測(cè)量斷口（頸縮）處的直徑 d 1 。

　8．整理各種儀器設(shè)備，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

　六、

　實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理

　 1．低碳鋼的拉伸屈服極限和強(qiáng)度極限可由實(shí)驗(yàn)報(bào)表計(jì)算出。

　???????? ? ????? ? ???3320332023.627 10300.8310 10( )236.00 10458.3610 10( )2ssbbP NMPaAmP NMPaAm 2．低碳鋼的壓縮屈服強(qiáng)度 ????? ? ???332025.502 10324.7010 10( )2ssF NMPaAm 3．鑄鐵的壓縮極限強(qiáng)度 ????? ? ???332058.037 10738.9510 10( )2bbF NMPaAm 4．測(cè)量試件斷裂后的標(biāo)距長(zhǎng)度和最小橫截面直徑，以計(jì)算延伸率δ和斷面收縮率 Ψ 。

　??? ? ? ? ?1 0017.26100% 100% 34.52%50l l mml mm ?? ? ?? ? ? ? ?? ?? ?20 1 10 2100% 1 68.64%A A dA d 斷裂后，試件的最小橫截面即位于縮頸處，將斷裂試件的兩段對(duì)齊并盡量擠

　緊，用游標(biāo)卡尺測(cè)量斷口處直徑。

　若斷口到最鄰近標(biāo)距端點(diǎn)的距離大于 1/3 l 0 ，則直接測(cè)量標(biāo)距端點(diǎn)的距離 l 1 ，若小于或等于 1/3 l 0 ，則需按下述方法進(jìn)行斷口移中測(cè)定 l 1 : 在長(zhǎng)段上從斷口 o處取基本等于短段的格數(shù)得 B點(diǎn)，若所余格數(shù)為偶數(shù)（圖8-1）則取其一半得 C點(diǎn)。此時(shí):

　 l 1 = AB + 2BC

　若所余格數(shù)為奇數(shù)（圖 8-2），則分別取所余格數(shù)減一的 1/2 得 C點(diǎn)和所余格數(shù)加一的 1/2 得 Cˊ點(diǎn)。此時(shí)

　l 1 = AB + BC + B C’ 若斷口在標(biāo)距以外時(shí)，則此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)效。

　圖 8-1 圖 8-2

　 金屬材料扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn) 預(yù)習(xí)要求：

　1.復(fù)習(xí)教材中有關(guān)材料在扭轉(zhuǎn)時(shí)力學(xué)性能的內(nèi)容； 2.預(yù)習(xí)本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的原理和使用方法；

　一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?a) 觀察低碳鋼和鑄鐵在扭轉(zhuǎn)時(shí)的各種現(xiàn)象； b) 掌握扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的操作方法。

　二 、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器 1.扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī) 2.游標(biāo)卡尺

　三、試 件 試驗(yàn)表明，試件的尺寸和形狀對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響。為了便于比較各種材料的機(jī)械性能，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試件的尺寸和形狀有統(tǒng)一規(guī)定。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB6397—86），將金屬拉伸比例試件的尺寸列表如下：

　試

　 件 標(biāo)距長(zhǎng)度 L 0

　橫截面積 A 0

　圓試件直徑 d 0

　表示延伸 率的符號(hào) 比例/長(zhǎng)短 03 . 11 A 或 10d 0

　任 意 任 意 δ 10 065 . 5 A 或 5d 0

　任 意 任 意 δ 5 本實(shí)驗(yàn)的扭轉(zhuǎn)試件按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB6397-86）制做。

　l 0 d 0 圖一

　四、實(shí)驗(yàn)原理和方法 實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將試件安裝在試驗(yàn)機(jī)的左、右?jiàn)A頭內(nèi)，并在試件實(shí)驗(yàn)段表面沿軸線方向劃一條直線，以觀察試驗(yàn)段的變形。然后開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，緩慢加載，同時(shí)，自動(dòng)繪圖裝置繪制出扭矩—轉(zhuǎn)角曲線（T—曲線）。

　低碳鋼試件受扭時(shí)，在加載開(kāi)始段，從 T—曲線可以看出，扭矩與轉(zhuǎn)角成正比，即滿(mǎn)足扭轉(zhuǎn)虎克定律。當(dāng)載荷達(dá)到一定程度時(shí)，低碳鋼試件發(fā)生明顯的屈服現(xiàn)象，即扭矩不增加，而轉(zhuǎn)角不斷增大。過(guò)了屈服階段后，試件抵抗變形的能力又有所加強(qiáng)，到最后試件被連續(xù)扭轉(zhuǎn)幾圈后才沿著與軸線方向垂直的截面被剪斷，這說(shuō)明，導(dǎo)致低碳鋼試件破壞的原因是扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。

　鑄鐵試件受扭時(shí)，整個(gè)過(guò)程變形不明顯，啟動(dòng)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)后不久，試件就發(fā)生斷裂破壞，斷口為沿著與軸線成 45 o 方向的螺旋面，這說(shuō)明導(dǎo)致鑄鐵試件扭轉(zhuǎn)破壞的原因是拉應(yīng)力。

　五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理 1. 低碳鋼扭轉(zhuǎn)極限強(qiáng)度：

　?? ???? ? ? ?? ?3 3 3135.60690.61(10 10 )16 16b bbTT T N mMPaW D m 2. 鑄鐵扭轉(zhuǎn)極限強(qiáng)度：

　?? ???? ? ? ?? ?3 3 359.298302.00(10 10 )16 16b bbTT T N mMPaW D m

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