【精品实用】材料力学实验指导书

112 1 材料力学实验指导书 （第一部分） 材料的力学性能测试 浙江工业大学机电学院 2006 年 9 月 212 2 第一部分 材料的力学性能测试 任何一种材料受力后都有变形产生，变形到一定程度材料就会降低或失去承载能力，即发生破坏，各种材料的受力 变形 破坏是有一定规律的。材料的力学性能（也称机械性能），是指材料在外力作用下表现出的变形和破坏等方面的性能，如强度、塑性、弹性和韧性等。为保证工程构件在各种负荷条件下正常工作，必须通过试验测定材料在不同负荷下的力学性能，并规定具体的力学性能指标，以便 为构件的强度设计提供可靠的依据。材料的主要力学性能指标有屈服强度、抗拉强度、材料刚度、延伸率、截面收缩率、冲击韧性、疲劳极限、断裂韧性和裂纹扩展特性等。金属材料的力学性能取决于材料的化学成分、金相结构、表面和内部缺陷等，此外，测试的方法、环境温度、周围介质及试样形状、尺寸、加工精度等因素对测试结果也有一定的影响。 材料的力学性能测试必修实验为 5 学时，包括：轴向拉伸实验、轴向压缩实验、低碳钢拉伸弹性模量 E 的测定、扭转实验、低碳钢剪切弹性模量 G 的测定。 1 1 轴向拉伸实验 一、实验目的 1、 测定低碳钢的屈服强 度s）、抗拉强度mR（b）、断后伸长率 10）和断面收缩率 Z（ ）。 2、 测定铸铁的抗拉强度mR（b）。 3、 比较低碳钢（塑性材料）和铸铁（脆性材料）在拉伸 时的力学性能和断口特征。 注：括号内为 228属材料 室温拉伸试验方法发布前的旧标准引用符号。 二、设备及试样 1、 电液伺服万能试验机（自行改造）。 2、 标卡尺。 3、 低碳钢圆形横截面比例长试样一根。把原始标距段 等分，并刻画出圆周等分线。 4、 铸铁圆形横截面非比例试样一根。 注： 228定，拉伸试样分比例试样和非比例试样两种。比例试样的原始标距0。比例系数 k 取 称为短比例试样， 称为长比例试样，国际上使用的比例系数 k 取 比例试样0 三、实验原理及方法 低碳钢是指含碳量在 下的碳素钢。这类钢材在工程中使用较广，在拉伸时表现出的力学性能也最为典型。 F （轴向拉力） L （标距段伸长量）初始瞬时效应F L 曲线） 以轴向力 F 为纵坐标，标距段伸长量 L 为横坐标，所绘出的试验曲线图称为拉伸图，即 F L 曲线。低碳钢的拉伸图如上图所示， 最大轴向力。 312 3 F L 曲线与试样的尺寸有关。为了消除试样尺寸的影响，把轴向力 F 除以试样横截面的原始面积 得到了名义应力，也叫工程应力，用表示。同样，试样在标距段的伸长 L 除以试样的原始标距 O 得到名义应变，也叫工程应变，用表示 。 曲线与 F L 曲线形状相似，但消除了儿何尺寸的影响，因此代表了材料本质属性，即材料的本构关系。 低碳钢应力 应变图（ 曲线） 典型低碳钢的拉伸 曲线，如上图所示，可明显分为四个阶段： （ 1）弹性阶段 在此阶段试样的变形是弹性的，如果在这一阶段终止拉伸并卸载，试样仍恢复到原先的尺寸，试验曲线将沿着拉伸曲线回到初始点，表明试样没有任何残余变形。习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律，其应力、应变为正比关系，即 E 式中比例系数 E 代表直线 的斜率，称为材料的弹性模量，其常用单位为 是代表材料发生弹性变形的主要性能参数。 E 的大小反映材料抵抗弹性变形的一种能力，代表了材料的刚度。此外，材料在发生杆的轴向伸长的同时还发生横向收缩。反映横向变形的横向应变与之比的绝对值称为材料的泊松比。它是代表材料弹性变形的另一个性能参数。 （ 2）屈服阶段 超过弹性阶段后出现明显的屈服过程，即曲线沿一水平段上下波动，即应力增加很少，变形快速增加。这表明材料在此载荷作用下，宏观上表现为暂时丧失抵抗继续变形的能力，微观上表现为材料内部结构发生急剧变化 。从微观结构解释这一现象，是由于构成金属晶体材料结构晶格间的位错，在外力作用下发生有规律的移动造成的。如果试样表面足够光滑、材料杂质含量少，可以清楚地看出试样表面有 450 方向的滑移线。 根据 228 2002 标准规定，试样发生屈服而力首次下降前的最大应力称为上屈服强度，记为“ 在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力称为下屈服强度，记为“ 若试样发生屈服而力首次下降的最小应力是屈服期间的最小应力时，该最小应力称为初始瞬时效应，不作为下屈服强度。 通常把试验测定的下屈服强度 为材料 的屈服极限 S， S 是材料开始进入塑性的标志。 不同的塑性材料其屈服阶段的曲线类型有所不同，其屈服强度按 228定确定。 结构、零件的外加载荷一旦超过这个应力，就可以认为这一结构或零件会因为过量变形而失效。因此，强度设计中常以屈服极限 S 作为确定许可应力的基础。由于材料在这一阶段已经发生过量变形，必然残留不可恢复的变形（塑性变形），因此，从屈服阶段开始，材料的变形就包含弹性和塑性两部分。 （ 3）强化阶段 服阶段结束后， 曲线又出现上升现象，说明材料恢复了对继续变形的抵抗能力， 材料若要继续变形必须施加足够的载荷。如果在这一阶段卸载，弹性变形将随之消失，而塑性变形将永远保留。强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行。卸载后若重新加载，材料的弹性阶段线将加长、屈服强度明显提高，塑性将降低。这种现象称作应变强化或冷作硬化。冷作硬化是金属材料极为宝贵的性质之一。塑性变形与应变强化二者结合，是工厂强化金属的重要手段。例如：喷丸、挤压，冷拔等工艺，就是利用材料的冷作硬化来提高材料的强度。强化阶段的塑性变形是沿轴向均匀分布的。随塑性变形的增长，试样表面 ( 工 程 应 力 ） ( 工 程 应 变 )初始瞬时效应 的滑移线亦愈趋明显。 曲线的应力峰值 材料 的强度极限 b。对低碳钢来说 是材料进入颈缩阶段的标志。 （ 4）颈缩阶段 力到达强度极限后，开始在试样最薄弱处出现局部变形，从而导致试样局部截面急剧颈缩，承载面积迅速减少，试样承受的载荷很快下降，直至断裂。断裂时，试样的弹性变形消失，塑性变形则遗留在断裂的试样上。 塑性材料和脆性材料的拉伸曲线存在很大差异。低碳钢和铸铁是工程材料中最具典型意义的两种材料，前者为塑性材料，后者为脆性材料。观察它们在拉伸过程中的变形和破坏特征有助于正确、合理地认识和选用材料。 根据试验 机绘制的拉伸 F L 曲线确定低碳钢的s、b和铸铁的b。 （ 1）原始横截面面积（ 测定：圆形横截面试样，应分别在标距内两端及中部测 量直径。测量某处的直径时，应在该处测量两个互垂方向的直径，取其算术平均值。原始横截面面积 三处测得的最小直径计算，并至少保留 4 位有效数字。 （ 2）强度指标（s、b）的测定：从低碳钢的 F L 曲线读取 试样的 其分别除以试样的原始横截面面积 低碳钢的屈服强度s和抗拉强度b；从铸铁的 F L 曲线读取 试样的 ，将其除以试样的原始横截面面积 铸铁抗拉强度b； 根据拉断后低碳钢试样的断口直径及标距段长度确定 Z （ 1）原始标距 标记：低碳钢拉伸试样的标距段原始长度为 100十等分，用划线机 划细的圆周线作为标记。 （ 2）低碳钢断面收缩率 Z 的测定：断裂后试样横截面的最大缩减量 原始横截面面积 比的百分率为断面收缩率。 测量时将试样断裂部分仔细地配接在一起，使其轴线处于同一直线上。测量圆形横截面缩颈处的最小直径计算缩颈后的试样最小横截面面积 （ 3）低碳钢断后伸长率 测定：断后标距的残余伸长 原始标距 比的百分率为断后伸长率。对于比例试样，则符号 A 应附下标注明所使用的比例系数，例如 示 原始标距 的试样断后伸长率。 测量时将试样断裂部分仔细地配接在一起，应使试样二段的轴线处于同一直线上，并且断裂部分适当接触。当断裂处与最接近的标距标记的距离不小于原始标距的三分之一时，标距段长度 要求配接后直接测量，否则应按下述移位方法测量 试验前将原始标距 分为 N 等分，把每一等分的细圆周线称为标距等分标记 试验后，以符号 X 表示断裂后试样短的一段距离试样夹持部最近的标距等分标记，以符号 Y 表示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求 Y 与断裂处的距离最 接近 X 与断裂处的距离， X 与 Y 之间的标距等分格数为 n。 若 N n 为偶数，以符号 Z 表示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求 Z 与 Y 的标距等分格数为2分别测量 X 与 Y 之间的距离记为 Y 与 Z 之间的距离记为 试样断后的标距段长度 2下图（ a）所示。 若 N n 为奇数，以符号 Z 和 Z表示断裂试样长的一段的标距等分标记，要求 Z与 ， Z与 Z的标距等分格数为 1。分别测量 X 与 Y 之间的距 离记为 Y 与 Z之间的距离记为 Y Z、 Z与 Z之间的距离记为 Z Z，则试样断后的标距段512 5 长度 2Y Z Z Z，如下图（ b）所示。 X(a) X(b)1Z”四、实验步骤 1、 按要求测量试样的原始横截面面积 碳钢标距段原始长度不用测量，为 100铁不定标距，不用测量。 2、 按要求装夹试样（先选其中一根），并保持上下对中。 3、 按指导老师要求选择“试验方案” “新建实验” “ 金属圆棒拉伸实验” 进行试验， 详细操作要求见电液伺服万能试验机使用说明。 4、 试样拉断后拆下试样，重新调整试验机活动台的合理高度（一般为 10按要求装夹另一根试样，选择 “继续实验” 进行第二根试样的拉伸试验。 5、 第二根试样拉断后拆下试样，根据电液伺服万能试验机使用说明把两根试样的 F 从低碳钢的 F L 曲线上读取 铸铁的 F L 曲线上读取 。并比较两条曲线的特征。 6、 测量低碳钢拉断后的断口最小横截面面积 7、 根据低碳钢断口的位置选择直接测量或移位 方法测量标距段长度 8、 比较低碳钢和铸铁的断口特征。 9、 试验机复原。 五、实验数据及处理要求 1、试样直径的测量与测量工具的精度保持一致。 2、横截面面积的计算值取 4 位有效数字。 3、拉伸力学性能指标的数值确定应保留计算过程，最终结果值按下表要求修约。 性能名称 范围 修约间隔 屈服强度和抗拉强度 200 200 1000 10000后伸长率 断面收缩率 612 6 六、思考题 1、为什么在实验前需要测试件原始尺寸，包括哪 些数据，如何测？ 2、如果试件直径为 10按标准短比例试件要求，标距应定为多少？ 3、哪种材料需要在试件拉断后测量试件尺寸？ 4、铸铁拉伸变形为什么没有屈服、强化及缩颈等阶段？ 5、 测定材料屈服强度的意义？哪些材料需要测定屈服强度？ 6、 应变强化是哪类材料的特点，发生在拉伸过程的哪个阶段，有何作用和意义？ 1 2 轴向压缩实验 一、实验目的 1、测定低碳钢压缩时的屈服强度 s。 2、测定铸铁压缩时的抗压强度 3、比较低碳钢和铸铁在压缩时的变形规律和破坏现象，并进行比较。 二、设备及试样 1、电 液伺服万能试验机（自行改造）。 2、游标卡尺。 3、低碳钢、铸铁圆形横截面短试样各一枚。 注：材料压缩短试样试样标距段原始高度 标距段原始直径 比值通常规定为：1 3。而长试样通常用于拉伸试验。 三、实验原理及方法 当试样承受压缩时，其上下端面与试验机垫板之间产生很大的摩擦力，如下图，这些摩擦力阻碍试样上部和下部的横向变形，使其抗压能力有所提高，故试验时试样两端面应涂以润滑剂以减小摩擦力的影响。另外，当 大时，摩擦力的影响也会减少，因此试样的抗压能力将随比值 增大而略有降低。由此可见，只有在相同的试验条件下，才能对不同材料的压缩性能进行比较。 施加载荷时，要求其合力作用线与试样轴线一致，为此试样两端面必须平行且与轴线垂直；同时，在试验机下垫板底部有球形承垫，见上图。当试样两端面稍有不平行时，会自动调整下垫板平面的方位，使接触面载荷均匀分布。 低碳钢压缩试验中，屈服现象不及拉伸时那样明显，从 F l 曲线读下屈服载荷 此可求得屈服极限0。此后由于材料良好的塑性，使其压成饼状而不致破坏，故低碳钢不存在压缩强度 极限。 铸铁压缩试验则在出现较大（相对于拉伸而言）的塑性变形后发生破坏，其裂纹方向与 轴线约成 450 角，此时的载荷即为最大载荷 此可算得压缩强度极限0。 四、实验步骤 1、测量试样的原始尺寸。 2、 安装试样并保持上下对中。 3、根据试样的负荷和变形水平，按试验机操作软件设定试验的详细步骤加载试验。 4、 观察试样变形和破坏特征。 五、实验数据及处理要求（同轴向拉伸实验） 六、思考题 1、说明铸铁压缩破坏原因？ 2、 总结低碳钢、铸铁的拉伸、压缩力学性能 。 1 3 低碳钢拉伸弹性模量 E 的测定 一、实验目的 1、测定低碳钢拉伸时的弹性模量 E。 2、了解引伸仪的原理和球铰式引伸仪的使用。 二、设备及试样 1、小型测 E 台。 2、球铰式引伸仪。 3、 8碳钢拉伸比例长试样一根。 三、实验原理及方法 弹性模量 E 是材料在单向应力状态，应力低于比例极限时应力与应变的比值，即 E 。试样轴向拉伸时，上式也可写成 0（ F 为轴向载荷， A 为横截面面积， L 为 长 一段试样的总 变形 ）。所以在材料的比例极限内，对试样施加轴向拉伸载荷 F，并测量 长 一段试样的总变形 L，即可求得弹性模量 E。 因为试样在比例极限内变形很小，测量需要高放大倍数的引伸仪。为减少测量误差，试验采用等增量法加载，即把载荷分成若干相等的加载等级 F，逐级加载。 本实验设置一个较小的初载砝码，然后分四级等量加载。测量 长 一段试样在 等量 F 加载时的各级变形增加量（ L） i。若各级（ L） i 基本相等，就表明 L 与 F 成线性关系，符合虎克定律。 实验完成一次加载过程，将得到 一组数据。 用弹性模量平 均法求得： (11 0 （ i=1、 2、 3、 4） 四、实验注意事项 1、球铰引伸仪是精密仪器，使用时用上、下两对顶尖固定在试样上。实验前，安装已由指导老师完成。学生使用时，不允许自行拆装，以免造成引伸仪脱落而损坏。 2、由于一堂实验课每台装置需要重复使用二、三十次，所以学生实验时，不要自行转动千分表的刻度盘。刻度盘指针不对零，并不影响测量结果，实验时不用调零。 3、使用前应检查球铰引伸仪的千分表小指针是否有大于 2 的初始值，否则联系指导老师作调整。学生不要自行调整，以免损 坏引伸仪。 4、砝码加、卸时应轻拿轻放，避免引起千分表指针的摆动，增大测量误差。加载时砝码与812 8 砝码托盘、砝码与砝码之间应对齐并套合凹凸面，防止砝码脱落造成安全隐患。 5、因为千分表装在下标距叉一侧，试样伸长时，触头向下移动，千分表大指针会逆时针转动，所以千分表应记读“红字”刻度值，记读时估读一位小数。 6、完成一次四级等量加载并记录各级载荷相应的千分表读数后应及时卸下所有砝码，避免砝码碰落造成安全隐患。 五、实验步骤 1、查看引伸仪安装是否可靠，千分表是否有预压量（小指针是否有大于 2 的初始值）。如不满足，告知 指导老师，由指导老师进行调整。 2、加最小的初载砝码，记录千分表大指针读数，然后逐个加等量砝码，逐级记读，完成四级等量加载，并记录各级千分表读数后即刻卸下所有砝码。 3、计算千分表的各级读数增量。当试样轴向拉伸，材料在比例极限内时，若增加的砝码重量相同，理论上其相应的位移增加量也应相同，如误差较大，应检查原因。 4、重复上述“ 2、”“ 3、”过程二到三次。 5、设备复原。 六、实验数据处理要求 用弹性模量平均法测定 E，弹性模量取 3 位有效数字，横截面面积取 4 位有效数字。 七、思考题 1、试样的截面形状和尺寸对测 量弹性模量有无影响。 2、测定 E 时为何要加初载？采用分级加载的目的是什么？ 1 4 扭转实验 一、实验目的 1、测定低碳钢的剪切屈服点 s，抗扭强度 b。 2、测定铸铁的抗扭强度 b。 3、比较低碳钢和铸铁在扭转时的变形和破坏特征。 二、设备及试样 1、伺服电机控制扭转试验机（自行改造）。 2、 标卡尺。 3、低碳钢 10 圆试件一根，画有两圈圆周线和一根轴向线。 4、铸铁 10 圆试件一根。 三、实验原理及方法 塑性材料试样安装在伺服电机驱动的扭转试验机上，以 6主动夹头旋转速 度对试样施加扭力矩，在计算机的显示屏上即可得到扭转曲线（扭矩 如下图为低碳钢的部分扭转曲线。试样变形先是弹性性的，在弹性阶段，扭矩与扭转角成线性关系。 弹性变形到一定程度试样会出现屈服。扭转曲线扭矩首次下降前的最大扭矩为上屈服扭矩 服段中最小扭矩为下屈服扭矩 常把下屈服扭矩对应的应力值作为材料的屈服极限 s，即： s= 。当试样扭断时，得到最大扭矩 其抗扭强度为 b= 式中 W 为抗扭截面模量，对实心圆截面有 W= 6。 912 9 铸铁为脆 性材料，无屈服现象，扭矩 当其扭转试样破断时，测得最大扭矩 其抗扭强度为： b= 四、实验步骤 1、测量试样原始尺寸 分别在标距两端及中部三个位置上测量的直径，用最小直径计算 抗扭截面模量 。 2、安装试样并保持试样轴线与扭转试验机转动中心一致。 3、低碳钢扭转破坏试验，观察线弹性阶段、屈服阶段的力学现象，记录上、下屈服点扭矩值，试样扭断后，记录最大扭矩值，观察断口特征。 4、铸铁扭转破坏试验，试样扭断后，记录最大扭矩值，观察断口特征。 五、实验数据处理 1、试样直径的测 量与测量工具的精度一致。 2、抗扭截面模量取 4 位有效数字。 3、力学性能指标数值的修约要求同拉伸实验。 六、思考题 1、低碳钢扭转时圆周线和轴向线如何变化？与扭转平面假设是否相符？ 2、如用木材或竹材制成纤维平行于轴线的圆截面试样，受扭时它们将按怎样的方式破坏？ 3、根据低碳钢和铸铁的破口特征，分析两种材料扭转破坏的原因？ 4、 比较低碳钢拉伸和扭转实验，从进入塑性变形阶段到破坏的全过程，两者变形有何明显的区别？ 1 5 低碳钢剪切弹性模量 G 的测定 一、实验目的 1、测定低碳钢扭转时的剪切弹性模量 G。 2、了 解扭角仪的原理。 二、设备及试样 1、小型测 G 台。 2、扭角仪。 3、 10碳钢扭转试样一根。 三、实验原理及方法 剪切弹性模量 G 是材料在纯剪切应力状态，应力低于比例极限时切应力与切应变的比值，即 G （ G） 。试样扭转时，上式也可写成 （式中 扭力偶、 实心圆截面有 2、为试样距离为 两横截面的相对扭转角 ） 。所以在材料的比例极限内，对试样施加扭力偶 测量距离为 即可求得弹性模量 G。 为减少测量误差，试验采用等增量法加载，即把载荷分成若干相等的加载等级 级加载。 本实验未设初始载荷，分四级等量加载。测量距离为 两横截面 A、 B 的相对