材料力学性能实验(2个)分析

《材料力学性能》 实验教学指导书

实验项目：1.

实验总学时：4

准静态拉伸

2. 不同材料的冲击韧性

材料科学与工程学院实验中心

工程材料及机制基础实验室

实验一 准静态拉伸

一、实验目的

1．观察低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）在准静态拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化和颈缩等现象），并绘制拉伸图。

2．测定低碳钢的屈服极限σs，强度极限σb，断后延伸率δ和断面收缩率ψ。 3．测定铸铁的强度极限σb。

4．比较低碳钢和铸铁的力学性能的特点及断口形貌。 二、概述

静载拉伸试验是最基本的、应用最广的材料力学性能试验。一方面，由静载拉伸试验测定的力学性能指标，可以作为工程设计、评定材料和优选工艺的依据，具有重要的工程实际意义。另一方面，静载拉伸试验可以揭示材料的基本力学行为规律，也是研究材料力学性能的基本试验方法。

静载拉伸试验，通常是在室温和轴向加载条件下进行的，其特点是试验机加载轴线与试样轴线重合，载荷缓慢施加。

在材料试验机上进行静拉伸试验，试样在负荷平稳增加下发生变形直至断裂，可得出一系列的强度指标（屈服强度s和抗拉强度b）和塑性指标（伸长率δ和断面收缩率ψ）。通过试验机自动绘出试样在拉伸过程中的伸长和负荷之间的关系曲线，即P—Δl曲线，习惯上称此曲线为试样的拉伸图。图1即为低碳钢的拉伸图。

试样拉伸过程中，开始试样伸长随载荷成比例地增加，保持直线关系。当载荷增加到一定值时，拉伸图上出现平台或锯齿状。这种在载荷不增加或减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫屈服，屈服阶段的最小载荷是屈服点载荷Ps，Ps除以试样原始横截面面积Ao即得到屈服极限s：

sPs A0试样屈服后，要使其继续发生变形，则要克服不断增长的抗力，这是由于金属材料在塑性变形过程中不断发生的强化。这种随着塑性变形增大，变形抗力不断增加的现象叫做形变强化或加工硬化。由于形变强化的作用，这一阶段的变形主要是均匀塑性变形和弹性变形。当载荷达到最大值Pb后，试样的某一部位截面积开始急剧缩小，出现“缩颈”现象，此后的变形主要集中在缩颈附近，直至达到

Pb试样拉断。Pb除以试样原始横截面面积A0即得到

强度极限（抗拉强度）b：

bPbA0

拉伸试验还可得到塑性指标，即伸长率δ和断面收缩率ψ

伸长率——拉断后的试样标距部分所增加的长度与原始标距长度的百分比，即

l1l0100% l0式中 l0—试件原始标距，为100㎜，l1—试件拉断后标距长度。

断面收缩率ψ——为了测定低碳钢的断面收缩率，试件拉断后，在断口处两端沿互相垂直的方向各测一次直径，取平均值d1计算断口处横截面面积，再按下式计算面积收缩率：

A0A1100% A0

式中 A0—试件原始横截面面积 A1—试件拉断后断口处最小面积。

试件开始受力时，由于头部在夹头内滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。分析时应将直线段延长与横坐标相交于0点，作为坐标原点。OA段为弹性阶段载荷与变形成正比，B＇C段为屈服阶段，CD段为强化阶段，DE段为颈缩阶段，至E点试件被拉断。

铸铁的拉伸图如图2所示。铸铁试件在承受拉力变形极小时，就达到最大载荷而突然发生断裂。它没有屈服和颈缩现象，故在拉伸时，一般只能测定其强度极限b，试件沿横截面断裂。

bFb A0

图1 图2

三、实验设备与材料 1.实验设备：

（1）SHT4605型微机控制万能材料试验机。 （2）游标卡尺。 2.实验材料：

直径为d的圆截面试件，短试件和长试件的标距l0分别为5d和10 d。本实验采用圆截面的长试件（d＝10mm，l0＝100mm）。

r d l0

四、实验内容与方法 1.实验内容:

(1) 了解材料试验机的构造、原理及操作;

(2) 列表记录低碳钢、铸铁的原始尺寸及实验后尺寸，计算出δ、ψ（低碳钢）； (3) 画出P—ΔL曲线，并计算出低碳钢试样的σs、σb及铸铁试样的σb； (4) 比较两种材料的力学性能的特点、断口形貌及断裂方式。 2.实验方法及步骤： (1)．试件准备

用游标卡尺测量标距两端及中间这三个横截面处的直径，在每一横截面内沿互相垂直的两个直径方向各测量一次取其平均值。用所测得的三个平均值中最小的值计算试件的横截面面积A0。将测量的试件横截面处的直径及计算出的横截面面积A0填入表中。

（2）．试验机准备

打开计算机, 进入试验机控制系统主界面,在用户参数输入区内输入试验参数，如试样标距、试样直径、试样种类等。然后点击【试验】按钮进入试验。

（3）．安装试件

调整下横梁使上下夹头的距离小于试件的长度。先将试件安装在试验机的上夹头内，再调整下横梁使其达到适当位置，把力值清零，然后把试件下端夹紧，位移值清零。

（4）．进行试验

点击屏幕右边的【运行】按钮加载。注意观察测力窗口、位移窗口的情况和相应的试验现象。若出现力和位移值为负值或其它异常情况，请立即按下右边立柱旁的“急停”按钮，

或【速度栏】内的停止按钮。

试验结束后取下试件。将低碳钢试件的屈服载荷Ps和最大载荷Pb记入表中。然后将 断裂试件的两段对齐并尽量靠紧，用游标卡尺测量断裂后标距段的长度l1；测量两段断口（颈缩）处的直径d1，应在每一断口处沿两个互相垂直方向各测量一次，计算其平均值，取其中最小值计算断口处最小横截面面积A1。把测量值和计算值填入表中。

将铸铁试件的最大载荷Pb记入表中。 五、试验结果的处理

1．根据屈服载荷Ps及最大载荷Pb计算低碳钢试件的屈服极限σs及低碳钢试件和铸铁试件的强度极限σb。

PsPbbA0 A0

2．根据试件前、后的标距段长度及横截面面积计算低碳钢试件的延伸率δ及断面收缩

s率ψ

六、实验要求：

l1l0100%l0 A0A1100%A0

1． 学生进入实验室前必须做好实验预习，认真阅读实验指导书，明确实验目的、任务、 有关原理、操作的主要步骤、注意事项。

2． 实验过程中必须严格遵守操作规程及注意事项，自觉遵守实验室的各项规章制度。 3． 独立完成实验。

4． 认真观察和分析实验现象，做好实验数据记录。 5． 按照格式要求认真撰写实验报告，不得抄袭。 七、注意事项

1．未经指导教师同意不得开动机器。 2．操作者不得擅自离开操纵台。

3．试件安装必须正确、防止偏斜和夹入部分过短的现象。 4．试验时听见异常声音或发生任何故障，按下急停按钮立即停车。

实验二 不同材料的冲击韧性

一、实验目的

1.了解冲击试验方法。

2.测定低碳钢与铸铁的冲击韧性ak值。 二、概述

（1） 冲击实验是研究材料对于动荷抗力的一种实验，和静载荷作用不同，由于加载速度快，使材料内的应力骤然提高，变形速度影响了材料的力学性质，所以材料对动载荷作用表现出另一种反应。

（2） 此外在金属材料的冲击实集中验中，还可以揭示在静载荷时不易发现的某些结构特点和工作条件对机械性能的影响（如应力，材料内部缺陷，化学成分和加荷时温度，受力状态以及热处理情况等），因它在工艺分析比较和科学研究中都具有一定的意义，在工程上常采用“冲击韧性”来表示材料抵抗冲击的能力。

把金属材料制成标准试件（金属夏比（V型缺口）试件）（图1.1），安置在冲击试验机的机座上(图1.2)，使它受冲击而折断。记录试件折断所消耗的能量Ak，将Ak用缺口处的横截面面积A去除，所得的数值定义为材料的冲击韧性

ak。

ak=A(J/cm2)

kA

ak对材料品质、内部缺陷和晶粒大小等比较敏感。再加上冲击试验简便易行，所以常用

来检验材料质量、内部缺陷、脆性程度等。

在试件上制作缺口是为了使试件由该处折断。分析表明，,在缺口根部附近材料处于三向拉应力状态。某些金属在静力拉伸下表现出良好的塑性，但处于三向拉应力作用下却有增加其脆性的倾向。所以塑性材料的缺口试件在冲击作用下，一般都呈现脆性破坏方式（断裂）。试验表明，缺口的形状，试件的绝对尺寸及材料的性质等因素都会影响断口附近参与塑性变形的体积，因此，冲击试验必须在规定的标准下进行。同时，缺口的加工也十分重要，一般应当铣削或磨削，以保证尺寸准确。

图1.1

图1.2

图1.3

冲击试验机的构造原理如图1.3所示。将摆锤向上摆起（如图所示的α角），于是摆锤便具有一定的位能。试验时，令摆锤突然下落，冲击安装在机座上的试件，将试件冲断。试件折断所消耗的能量等于摆锤原来的位能（在α角处）与其冲断试件后在扬起位置（β角处）时的位能之差。

三、实验设备与材料 1．实验设备：

（1） 示波冲击试验机； （2） 游标卡尺 2．实验材料：

低碳钢（V型缺口）试件和铸铁试件各一件

四、实验内容与方法

1. 实验内容：

（1）测量试件尺寸。

（2）打开电源开关，使摆杆扬起；

（3）安装冲击试样，令缺口背对摆锤刃口，并使缺口中心线与跨距中心线重合； （4）给冲击指令，使摆杆自由下落，冲断试样； （5）记录试样在冲击过程中吸收的能量Ak值。 （6）观察低碳钢和铸铁的断口形貌。 2. 实验方法与步骤

（1）打开冲击试验机的电源，观察指示灯是否亮。 （2）点击【扬摆】按钮，使摆锤扬到位。 （3）点击【冲击】按钮，进行冲击测试。

（4）记录试件的吸收能量Ak值。

（5）实验完毕后按住【放摆】按钮，执行放摆操作。 五、试验结果的处理

1.根据试件折断所消耗的能量Ak值，计算低碳钢与铸铁的ak， 2.观察两种材料断口的差异，并画出两种材料的破坏断口草图。 六、实验要求

1．学生在进入实验室前必须做好实验预习，认真阅读实验指导书，明确实验目的、任务、有关原理、操作的主要步骤、注意事项。

2．实验过程中必须严格遵守操作规程及注意事项，自觉遵守实验室的各项规章制度。 3．独立完成实验。

4．认真观察和分析实验现象，做好实验数据记录。 5．按照格式要求认真撰写实验报告，不得抄袭。 七．注意事项

本实验属动荷实验，而且实验机为自动控制，故需严格按操作规程进行实验，特别要注意安全。 点击“冲击”前必须将安全门关闭。安放试件时，绝对不许点击【冲击】按钮。实验结束后一定将摆锤放下。

实验一：准静态拉伸实验报告

一、 实验目的：

二、实验设备及仪器

试验机型号、名称： 量 具型号、名称： 三、 试件

1) 试件材料：试件1：低碳钢；试件2：铸铁 2) 试件形状和尺寸：

实验前 试件原始形状图 实验后 试件断后形状图 尺寸 平均直径： d0﹙mm﹚ 横截面积： A0﹙mm2﹚ 标距长度： L0﹙mm﹚ 低碳钢 铸铁 尺寸 最小直径： d1﹙mm﹚ 最小截面积： A1﹙mm2﹚ 断后长度： L1﹙mm﹚ 低碳钢 铸铁

四、 实验数据及计算结果

试件 低碳钢 铸铁 实验数据 屈服载荷 最大载荷 屈服极限 计算结果 强度极限 延伸率 截面收缩率 FS(kN) Fb(kN) a(MPa) b(MPa) (%) (%) 附：计算公式：

屈服极限：SFS A0 延伸率： L1L0100% L0A1A0100% A0强度极限：bFb A0 断面收缩率： 五、 拉伸曲线示意图

FFOLOL 低碳钢 铸铁

六、回答问题

1) 参考低碳钢拉伸图，分段回答力与变形的关系以及在实验中反映出的现象。

2) 由低碳钢、铸铁的拉伸图和试件断口形状及其测试结果，回答二者机械性能有什么不同。

报告人 实验成绩 班 级 实验日期

实验二 不同材料的冲击韧性实验报告

一、实验目的：

二、实验设备及仪器：

试验机型号、名称： 量 具 型号、名称： 三、 试件

1试件材料：试件1：低碳钢，试件2：铸铁 2试件形状和尺寸: 实验前 试件原始形状图 实验后 试件断后形状图 尺寸 缺口处尺寸： L×L1﹙mm﹚ 横截面积： A0﹙mm﹚ 低碳钢 铸铁（无缺口）

四、 实验数据及计算结果

试件 低碳钢 铸铁

附：计算公式：

冲击韧性：

吸收能量Ak（J） 有无纤维区 冲击韧性a（J/cm） k a=AAkk

k(J/cm2)

五、回答问题

1）冲击韧性值

a为什么不能用于定量换算．只能用于相对比较。

3）由低碳钢、铸铁的冲击试件断口形状及其测试结果，分析二者机械性能有什么不同。

报告人 实验成绩 班级 实验日期

古今名言

敏而好学，不耻下问——孔子

业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随——韩愈 兴于《诗》，立于礼，成于乐——孔子 己所不欲，勿施于人——孔子 读书破万卷，下笔如有神——杜甫 读书有三到，谓心到，眼到，口到——朱熹 立身以立学为先，立学以读书为本——欧阳修 读万卷书，行万里路——刘彝

黑发不知勤学早，白首方悔读书迟——颜真卿 书卷多情似故人，晨昏忧乐每相亲——于谦 书犹药也，善读之可以医愚——刘向 莫等闲，白了少年头，空悲切——岳飞 发奋识遍天下字，立志读尽人间书——苏轼 鸟欲高飞先振翅，人求上进先读书——李苦禅 立志宜思真品格，读书须尽苦功夫——阮元 非淡泊无以明志，非宁静无以致远——诸葛亮

熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟——孙洙《唐诗三百首序》 书到用时方恨少，事非经过不知难——陆游 问渠那得清如许，为有源头活水来——朱熹 旧书不厌百回读，熟读精思子自知——苏轼 书痴者文必工，艺痴者技必良——蒲松龄

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