力学实验独立设课实验指导书

四．实验原理

（一）塑性材料弹性模量的测试：

在弹性范围内大多数材料服从虎克定律，即变形与受力成正比。纵向应力与纵向应变的比例常数就是材料的弹性模量E，也叫杨氏模量。因此金属材料拉伸时弹性模量E地测定是材料力学最主要最基本的一个实验。

测定材料弹性模量E一般采用比例极限内的拉伸试验，材料在比例极限内服从虎克定律，其荷载与变形关系为：

?L??PL0 EA0若已知载荷ΔF及试件尺寸，只要测得试件伸长ΔL或纵向应变即可得出弹性模量E。 E??PL0?P1 ???(?L)A0A0?? 本实验采用引伸计在试样予拉后，弹性阶段初夹持在试样的中部，过弹性阶段或屈服阶段，弹性模量E测毕取下，其中塑性材料的拉伸实验不间断。

（二）塑性材料的拉伸（低碳钢）：

图1-2所示是典型的低碳钢拉伸图。

当试样开始受力时，因夹持力较小，其夹持部分在夹头内有滑动，故图中开始阶段的曲线斜

率较小，它并不反映真实的载荷—变形关系；载荷加大后，滑动消失，材料的拉伸进入弹性阶段。

E D

B’ BC F

应力

?b

?s 伸长率

1-2b 典型的低碳钢拉伸图 低碳钢的屈服阶段通常为较为水平的锯齿状（图中的B’-C段），与最高载荷B’对应的应力称上屈服极限，由于它受变形速度等因素的影响较大，一般不作为材料的强度指标；同样，屈服后第一次下降的最低点也不作为材料的强度指标。除此之外的其它最低点中的最小值（B点）作为屈服强度?s：

?s =

PSL A0当屈服阶段结束后（C点），继续加载，载荷—变形曲线开始上升，材料进入强化阶段。若在这一阶段的某一点（如D点）卸载至零，则可以得到一条与比例阶段曲线基本平行的卸载曲线。此时立即再加载，则加载曲线沿原卸载曲线上升到D点，以后的曲线基本与未经卸载的曲线重合。可见经过加载、卸载这一过程后，材料的比例极限和屈服极限提高了，而延伸率降低了，这就是冷作硬化。

随着载荷的继续加大，拉伸曲线上升的幅度逐渐减小，当达到最大值（E点）Ｒm 后，试样的某一局部开始出现颈缩，而且发展很快，载荷也随之下降，迅速到达F点后，试样断裂。材料的强度极限?b为：

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?b=

Pb A0当载荷超过弹性极限时，就会产生塑性变形。金属的塑性变形主要是材料晶面产生了滑移，是剪应力引起的。描述材料塑性的指标主要有材料断裂后的延伸率δ和截面收缩率ψ来表示。

l1?l0?100% l0A?A1 截面收缩率 ??0?100%

A0式中l0、l1和A0、A1分别是断裂前后的试样标距的长度和截面积。 l1可用下述方法测定：

直接法：如断口到最近的标距端点的距离大于l0/3，则直接测量两标距端点间的长度为l1； 移位法：如断口到最近的标距端点的距离小于l0/3，如图1-3所示：在较长段上，从断口处O

伸长率 ??起取基本短段的格数，得到B点，所余格数若为偶数，则取其一半，得到C点；若为奇数，则分别取其加1和减1的一半，得到C、C1点，那么移位后的l1分别为：l1=AO+OB+2BC， l1=AO+OB+BC+BC1

A O B C D

● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

(a)

A O B C C D

1

● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

(b)

五．实验步骤

（一）塑性材料的拉伸（圆形截面低碳钢） 1、确定标距

根据表1-1的规定，选择适当的标距（这里以10d作为标距l0），并测量l0的实际值。为了便于测量l1，将标距均分为若干格，如10格。

2 、试样的测量

用游标卡尺在试样标距的两端和中央的三个截面上测量直径，每个截面在互相垂直的两个方向各测一次，取其平均值，并用三个平均值中最小者作为计算截面积的直径d，并计算出A0值。

3 、仪器设备的准备

根据材料的强度极限Ｒm和截面积A0估算最大载荷值Pmax，根据Pmax选择试验机测试量程，建立试验编号，设置参数，调零。

4、安装试件

试件先安装在试验机的上夹头内，再使用手控盒移动下夹头，使其达到适当的位置，并把试件下端夹紧。

5、按试验开始按钮加载，试验断裂试验结束，卸载。 6、测试样断后尺寸

6

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（二）脆性材料的拉伸（圆形截面铸铁）

铸铁等脆性材料拉伸时的载荷—变形曲线不象低碳钢拉伸那样明显地分为弹性、屈服、颈缩和断裂四个阶段，而是一根接近直线的曲线，且载荷没有下降段。它是在非常小的变形下突然断裂的，断裂后几乎不到残余变形。因此，测试它的?s、?、?就没有实际意义，只要测定它的强度极限?b就可以了。

实验前测定铸铁试件的横截面积A0，然后在试验机上缓慢加载，直到试件断裂，记录其最大载荷Pb ，求出其强度极限?b。

（三）拉伸试验结果的计算精确度

1．强度性能指标（屈服应力?s和抗拉强度?b）的计算精度要求为0.5MPa，即：凡＜0.25 MPa的数值舍去，≥0.25MPa而＜0.75MPa的数值化为0.5MPa，≥0.75MPa的数值者则进为1MPa。 2．塑性性能指标（伸长率?和断面收缩率?）的计算精度要求为0.5%，即：凡＜0.25%的数值舍去，≥0.25%而＜0.75%的数值化为0.5%，≥0.75%的数值则进为1%。

五. 讨论与思考

1. 当断口到最近的标距端点的距离小于l0/3时，为什么要采取移位的方法来计算l1？ 2. 用同样材料制成的长、短比例试件，其拉伸试验的屈服强度、伸长率、截面收缩率和强度极限都相同吗？

3. 观察铸铁和低碳钢在拉伸时的断口位置，为什么铸铁大都断在根部？ 4. 比较铸铁和低碳钢在拉伸时的力学性能。

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项目二 压缩实验

一、实验目的

1、观察和比较低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏现象。 2、测定压缩时低碳钢的屈服极限σs和铸铁的强度极限σb。

二、实验设备

1．电子万能材料试验机(或液压万能材料试验机) 2．游标卡尺

三、实验概述

金属材料实验的压缩试件一般为短圆柱形，如图2-1（a）所示，其高度h与d之比一般为

1?

h?3d。试件的h/d对实验影响较大，不同的h/d试件实验结果不能进行比较。本实验采用h/d=1.5 。

( a ) ( b )

图2-1 压缩试件

非金属材料，如石料、混凝土及木材的压缩试件通常为正方体，如图6（b）所示。

实验在万能材料试验机上进行。（自动绘图装置在实验过程中自动绘出压缩图。）低碳钢压缩过程呈屈服现象，但不象拉伸时那样明显，需细心观察。超过屈服阶段后，当载荷不断增加时，试件逐渐被压扁而不发生断裂破坏，故只能测得其屈服极限σs，而测不出强度极限。铸铁压缩时，在变形不大时，即沿斜面断裂，可求得其强度极限σb。其压缩曲线如图2-2中所示。

图2-2 压缩曲线

四、实验步骤

1、测量尺寸。用游标卡尺测量低碳钢和铸铁试件的d, h。

2、打开计算机程序，按要求设置相应参数（横梁移动速度为1mm/min）。

3、安装试件。将试件两端面涂油，置于试验机下压头上，注意放在下压头中心，以保障力线与

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