一）、金屬的拉伸實驗和壓縮實驗
金屬的拉伸實驗和壓縮實驗大綱
1．通過低碳鋼的拉伸實驗，測定低碳鋼的比例極限σP ，屈服極限σS ，強度極限σb，延伸率δ，截面收縮率ψ和彈性模量E，并繪出低碳鋼的應力—應變曲線，從而了解塑性材料的基本力學性能。
2．通過鑄鐵的拉伸實驗，測定強度極限σb，繪制出鑄鐵拉伸時的拉伸曲線，理解鑄鐵拉伸時的破壞性質．
3．通過鑄鐵和低碳鋼的壓縮實驗，測定鑄鐵的強度極限σb，比較鑄鐵和低碳鋼壓縮時變形和破壞現象，進一步了解塑性材料和脆性材料的力學性能。
4. 通過金屬的拉伸和壓縮實驗，使學生對材料（金屬和非金屬材料）的力學性能的測試方法有一個初步的認識。
5. 主要設備：材料試驗機；主要耗材：低碳鋼和鑄鐵拉伸試樣，每次實驗消耗各1根。低碳鋼和鑄鐵壓縮試樣，每次實驗消耗各1根。
金屬的拉伸實驗指導書
一、概述
常溫、靜載下的軸向拉伸試驗是材料力學試驗中*基本、應用*廣泛的試驗。通過拉伸試驗，可以**地測定材料的力學性能，如彈性、塑性、強度、斷裂等力學性能指標。這些性能指標對材料力學的分析計算、工程設計、選擇材料和新材料開發都有及其重要的作用。
二、實驗目的
1、測定低碳鋼的屈服強度Rel、抗拉強度Rm、斷后延伸率A11.3和斷面收縮率Z
2、測定鑄鐵的抗拉強度Rm
3、觀察上述兩種材料在拉伸過程中的各種現象，并繪制拉伸圖（F─ 曲線）
4、分析比較低碳鋼和鑄鐵的力學性能特點與試樣破壞特征
三、實驗設備及測量儀器
1、萬能材料試驗機
2、游標卡尺
四、試樣的制備
試樣的制備應按照相關的產品標準或GB/T 2975的要求切取樣坯和制備試樣。試驗表明，所用試樣的形狀和尺寸，對其性能測試結果有一定影響。為了使金屬材料拉伸試驗的結果具有可比性與符合性，國家已制定統一標準。依據此標準，拉伸試樣分為比例試樣和非比例試樣兩種，試樣的橫截面形狀有圓形和矩形。這兩種試樣便于機加工，也便于尺寸的測量和夾具的設計。本試驗所用的拉伸試樣是經機加工制成的圓形橫截面的長比例試樣,即L =10d。如圖2－10（a）所示。
（
（
a）圓形試樣
b）矩形試樣
圖2－10 拉伸試樣
*：金屬的拉伸實驗和§2-8 低碳鋼材料彈性模量E的測定章節中所引用的如：Rm、Rel、A11.3、Z、F、S等符號來自于GB/T 228-2002 《金屬室溫拉伸實驗方法》,代替GB/T 228-1987標準中所引用的σb、σs、δ、Ψ、P、A。其它章節的符號仍引用原有的標準的符號。
圖中Le為試樣平行長度，L0為試樣原始標距（即測量變形的長度）。d為圓形試樣平行長度部分原始直徑。圖2－10 （b）為矩形截面試樣，其中a為矩形試樣的原始厚度，b為矩形試樣平行部分原始寬度，S0為試樣平行部分原始橫截面面積，r為試樣兩端較粗部分到平行部分過渡圓弧半徑。拉伸試樣由夾持段、過渡段和平行段構成。試樣兩端較粗部分為夾持段，其形狀和尺寸可根據試驗機夾頭情況而定。過渡段常采用圓弧形狀，使夾持段與平行段光滑連接。
五、實驗原理
依據國標GB/T 228－2002《金屬室溫拉伸實驗方法》分別敘述如下：
1、低碳鋼試樣。在拉伸試驗時，利用試驗機的自動繪圖器可繪出低碳鋼的拉伸曲線，見圖2-11所示的F—ΔL曲線。圖中*初階段呈曲線，是由于試樣頭部在夾具內有滑動及試驗機存在間隙等原因造成的。分析時應將圖中的直線段延長與橫坐標相交于O點，作為其坐標原點。拉伸曲線形象的描繪出材料的變形特征及各階段受力和變形間的關系，可由該圖形的狀態來判斷材料彈性與塑性好壞、斷裂時的韌性與脆性程度以及不同變形下的承載能力。但同一種材料的拉伸曲線會因試樣尺寸不同而各異。為了使同一種材料不同尺寸試樣的拉伸過程及其特性點便于比較，以消除試樣幾何尺寸的影響，可將拉伸曲線圖的縱坐標（力F）除以試樣原始橫截面面積S0,并將橫坐標（伸長ΔL）除以試樣的原始標距L0得到的曲線便與試樣尺寸無關，此曲線稱為應力－應變曲線或R— 曲線，如圖2—12所示。從曲線上可以看出，它與拉伸圖曲線相似，也同樣表征了材料力學性能。
Fsu－上屈服力；Fsl－下屈服力；Fm－*大力； －斷裂后塑性伸長； －彈性伸長
圖2－11低碳鋼拉伸曲線
拉伸試驗過程分為四個階段，如圖2—11和圖2-12所示。
（1）、彈性階段OC。 在此階段中拉力和伸長成正比關系，表明鋼材的應力與應變為線性關系，完全遵循虎克定律，如圖2-12所示。若當應力繼續增加到C點時，應力和應變的關系不再是線性關系，但變形仍然是彈性的，即卸除拉力后變形完全消失。
－上屈服強度； －下屈服強度； －抗拉強度； －斷裂后的塑性應變； －彈性應變
圖2－12 低碳鋼應力－應變圖
(2)、屈服階段SK。 當應力超過彈性極限到達鋸齒狀曲線時，示力盤上的主針暫停轉動或開始回轉并往復運動，這時若試樣表面經過磨光，可看到表征晶體滑移的跡線，大約與試樣軸線成450方向。這種現象表征試樣在承受的拉力不繼續增加或稍微減少的情況下變形卻繼續伸長，稱為材料的屈服，其應力稱為屈服點（屈服應力）。示力盤的指針**回轉前的*大力（Fsu上屈服力）或不計初始瞬時效應（不計載荷**下降的*低點）時的*小力(FsL下屈服力)，分別所對應的應力為上、下屈服點。示力盤的主針回轉后所指示的*小載荷（**次下降后的*小載荷）即為屈服載荷Fs。由于上屈服點受變形速度及試樣形狀等因素的影響，而下屈服點則比較穩定，故工程中一般只定下屈服點。屈服應力是衡量材料強度的一個重要指標。
（3）、強化階段KE。過了屈服階段以后，試樣材料因塑性變形其內部晶體組織結構重新得到了調整，其抵抗變形的能力有所增強，隨著拉力的增加，伸長變形也隨之增加，拉伸曲線繼續上升。KE曲線段稱為強化階段，隨著塑性變形量的增大，材料的力學性能發生變化，即材料的變形抵抗力提高，塑性降低。在強化階段卸載，彈性變形會隨之消失，塑性變形將會長久保留下來。強化階段的卸載路徑與彈性階段平行，卸載后重新加載時，加載線與彈性階段平行，重新加載后，材料的比例極限明顯提高，而塑性性能會相應下降。這種現象叫做形變硬化或冷作硬化。當拉力增加，拉伸曲線到達頂點E時，示力盤上的主針開始返回，而副針所指的*大拉力為Fm，由此可求得材料的抗拉強度。它也是材料強度性能的重要指標。
（4）、局部變形階段EG（頸縮和斷裂階段）。對于塑性材料來說，在承受拉力Fm以前，試樣發生的變形各處基本上是均勻的。在達到Fm以后，變形主要集中于試樣的某一局部區域，該處橫截面面積急劇減小，這種現象即是“頸縮”現象，此時拉力隨著下降，直至試樣被拉斷，其斷口形狀呈碗狀，如圖2－13（a）所示。試樣拉斷后，彈性變形立即消失，而塑性變形則保留在拉斷的試樣上。利用試樣標距內的塑性變形來計算材料的斷后延伸率A11.3和斷面收縮率Z。
圖2－13 拉伸試樣斷口形狀
2、 鑄鐵試樣。做拉伸試驗時，利用試驗機的自動繪圖器繪出鑄鐵的拉伸曲線，如圖2－14所示。在整個拉伸過程中變形很小，無屈服、頸縮現象，拉伸曲線無直線段，可以近似認為經彈性階段直接斷裂，其斷口是平齊粗糙的。如圖2－13（b）所示。
圖2－14 鑄鐵拉伸圖
六、實驗步驟
1、 根據試樣的形狀、尺寸和預計材料的抗拉強度來估算*大拉力，并以此力作為示力盤量程的40％～80％，以選擇合適的示力盤和相應的擺錘。然后，選用與試樣相適應的夾具。
2、 在試樣的原始標距長度L0 范圍內用劃線機等分10個分格線，以便觀察標距范圍內沿軸向變形的情況和試樣破壞后測定斷后延伸率。
3、根據國標GB/T 228－2002《金屬室溫拉伸試驗方法》中的規定，測定試樣原始橫截面積。本次試驗采用圓形試樣，應在標距的兩端及中間處的兩個相互垂直的方向上各測一次橫截面直徑，取其算術平均值，選用三處測得的直徑*小值，并以此值計算橫截面面積。
4、安裝試樣，依據萬能材料試驗機的操作規程進行操作，將示力盤指針調零，并將自動繪圖裝置調好。經指導教師檢查后即可開始試驗。
5、加載試驗，在試驗過程中，要求均勻緩慢地進行加載。對于低碳鋼試樣的拉伸試驗，要注意觀察拉伸過程四個階段中的各種現象。并記下屈服載荷Fel值，*大載荷Fm值。對于鑄鐵試樣，只需測定其*大載荷Fm值。試樣被拉斷后立即停機，并取下試樣。
6、對于拉斷后的低碳鋼試樣，要分別測量斷裂后的標距LU和頸縮處的*小直徑dU。測定LU的方法為：將試樣斷裂后的兩段在斷口處緊密地對接起來：
1）、如果試樣斷口斷在試樣中部，直接測量原標距兩端的距離作為斷后的距。
2）、若斷口處到*鄰近標距端線的距離小于1/3L0時，則需要用“移位法”來計算LU。其方法是：在長段上從拉斷處O取基本等于短段格數得B點，接著取等于長段所余格數[偶數，圖2－15(a)]的一半，得C點；或者取所余格數[奇數，圖2－15（b）]分別減1與加1的一半，得C和C1點。移位后的L1分別為：AB+2BC或者AB+BC+BC1。
測定斷面收縮率時，在試樣頸縮*小處兩個相互垂直的方向上測量其直徑d1,取其算術平均值作為d1計算其斷面收縮率。
(a) 余格為偶數； (b) 余格為奇數
圖2－15 用移位法確定斷后延伸率
七、實驗結果處理
根據試驗測定數據，可分別計算材料的強度指標和塑性指標。
1、 低碳鋼
強度指標： 屈服強度： （2-1）
抗拉強度： （2-2）
塑性指標： 斷后延伸率： （2-3）
斷后截面收縮率： （2-4）
2、 鑄鐵
強度指標 ： 抗拉強度 : （2-5）
3、 繪出拉伸過程中的F－ΔL曲線，對試驗中的各種現象進行分析比較，并寫進試驗報告中。
八、預習要求和思考題
1、 預習材料力學實驗和材料力學教材有關內容，明確實驗目的和要求。
2、 實驗時如何觀察低碳鋼的屈服點？測定時為何要對加載速度提出要求？
3、 比較低碳鋼拉伸、鑄鐵拉伸的斷口形狀，分析其破壞的力學原因。
金屬的壓縮實驗
一、概述
實驗表明，工程中常用的塑性材料，其受壓與受拉時所表現出的強度、剛度和塑性等力學性能是大致相同的。但廣泛使用的脆性材料，其抗壓強度很高，抗拉強度卻很低。為便于合理選用工程材料，以及滿足金屬成型工藝的需要，測定材料受壓時的力學性能是十分重要的。因此，壓縮實驗同拉伸實驗一樣，也是測定材料在常溫、靜載、單向受力下的力學性能的*常用、*基本的實驗之一。
二、實驗目的
1、觀測低碳鋼壓縮時的屈服荷載FSC
2、測定鑄鐵壓縮時的抗壓強度σbC
3、觀察并比較低碳鋼和鑄鐵在壓縮時的變形和破壞現象。
三、實驗設備
1、 液壓式萬能材料試驗機
2、 游標卡尺
四、試樣的制備
按照國標GB7314－87《金屬壓縮試驗方法》，金屬材料的壓縮試樣多采用圓柱體，如圖2－16所示。試樣長度L＝（2.5～3.5）d0的試樣適用于測定σpc、σtc、σsc、σbc；L＝（5～8）d0的試樣適用于測定σpc0.01、Ee；L＝（1～2）d0的試樣適用于測定σbc、。為了盡量使試樣受軸向壓力，加工試樣時，必須有合理的加工工藝，以保證兩端面平行，并與軸線垂直。
σpc－規定非比例壓縮應力
σtc－規定總壓縮應力
σsc－壓縮屈服點
σbc－抗壓強度
σpc0.01－規定非比例壓縮應變為0.01％時的應力
Ee－壓縮彈性模量
圖2－16 圓柱體試樣
五、實驗原理
以低碳鋼為代表的塑性材料，軸向壓縮時會產生很大的橫向變形，但由于試樣兩端面與試驗機支承墊板間存在摩擦力，約束了這種橫向變形，故試樣中間部分出現顯著的鼓脹，如圖2－17所示。
塑性材料在壓縮過程中的彈性模量、屈服點與拉伸時相同，但在到達屈服階段時不像拉伸試驗時那樣明顯，因此要仔細觀察才能確定屈服載荷FsC。當繼續加載時，試樣越壓越扁，由于橫截面面積不斷增大，試樣抗壓能力也隨之提高，曲線持續上升，如圖2－18所示。除非試樣過分鼓出變形，導致柱體表面開裂，否則塑性材料將不會發生壓縮破壞。因此，一般不測塑性材料的抗壓強度，而通常認為抗壓強度等于抗拉強度。
圖2－17 低碳鋼壓縮時的鼓脹效應 圖2－18 低碳鋼壓縮曲線
以鑄鐵為代表的脆性金屬材料，由于塑性變形很小，所以盡管有端面摩擦，鼓脹效應卻并不明顯，而是當應力達到一定值后，試樣在與軸線大約成450～550的方向上發生破裂，如圖2－20所示。這是由于脆性材料的抗剪強度低于抗壓強度，從而使試樣被剪斷。
圖2－19 鑄鐵壓縮曲線 圖2－20 鑄鐵壓縮破壞示意圖
六、實驗步驟
1、用游標卡尺測量試樣直徑，方法是在試樣原始標距中點處兩個相互垂直的方向上測量直徑，并取其算術平均值。
2、根據低碳鋼屈服載荷和鑄鐵抗壓強度的估計值, 選擇試驗機的示力盤，并調整其指針對零。
3、調整好自動繪圖器。
4、準確地將試樣置于試驗機活動平臺的支承墊板中心處。
5、調整試驗機夾頭間距，當試樣接近上支承板時，開始緩慢、均勻加載。
6、對于低碳鋼試樣，將試樣壓成鼓形即可停止試驗。對于鑄鐵試樣，加載到試樣破壞時（主針回擺150左右）立即停止試驗，以免試樣進一步被壓碎。
七、實驗結果處理
根據試驗記錄，計算應力值。
1、 低碳鋼的屈服強度： （2－6）
2、 鑄鐵的抗壓強度： （2－7）
八、思考題
1、 為什么鑄鐵試樣壓縮時，破壞面常發生在與軸線大致成450～550的方向上？
2、試比較塑性材料和脆性材料在壓縮時的變形及破壞形式有什么不同？
3、將低碳鋼壓縮時的屈服強度與拉伸時的屈服強度進行比較；將鑄鐵壓縮時的抗壓強度與拉伸時的抗拉強度進行比較。