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拉伸 压缩 实验

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材料力学实验教学 1拉伸试验说明 1.概观 常温静载荷(应变率10-1)下的轴向拉伸试验是测量材料力学性能最基本、应用最广泛的试验。通过拉伸试验，可以全面测量材料的弹性、塑性、强度、断裂等力学性能。这些性能指标在材料力学分析计算、工程设计、材料选择和新材料开发中发挥着极其重要的作用。 2.实验目的 2.1测量低碳钢的以下性能指标： 两个强度指标：流动极限和强度极限； 两个塑性指标：断裂后伸长率和面积收缩；铸铁强度极限的测定。 2.2观察上述两种材料在拉伸过程中的各种实验现象，绘制拉伸实验的F曲线。 2.3分析比较低碳钢(典型塑性材料)和铸铁(典型脆性材料)的力学性能和试样破坏特征。 2.4了解实验设备的结构和工作原理，掌握其使用方法。 2.5了解名义应力-应变曲线和实际应力-应变曲线之间的差异，并估算试样断裂时的应力。 3.实验原理 图1.1普通拉伸试样的形状 图1.2低碳钢的拉伸曲线图1.3铸铁的拉伸曲线 Fp-比例伸长载荷；铁-弹性伸长载荷；Fsu-上屈服载荷；极限载荷 Fsl下的屈服荷载-；极限载荷；断裂载荷 对某一形状的试件两端施加轴向拉力，使有效部位处于单轴拉伸状态，直至试件断裂。通过测量试件载荷与变形的关系曲线，观察试件的破坏特征，按照一定的计算和判断准则，可以得到反映材料拉伸试验的力学指标，并以此指标来判断材料的性能。为了进行比较，选择直径为10毫米的典型塑性材料Q235和具有灰铸铁的典型脆性材料HT200进行比较实验。常用样品的形状如图1.1所示。在实验之前，在样品的标准距离范围内甚至有等分线。 低碳钢(Q235)和灰铸铁(HT200)的典型曲线如图1.2和图1.3所示。 低碳钢Q235试样的断裂形状如图1.4所示。 铸铁 图1.5铸铁HT200试样在拉伸试验中的断裂形式 HT200试样的断裂形状如图1.5所示。 图1.4低碳钢Q235试样在拉伸试验中的断裂形式 通过观察低碳钢的曲线，结合试件在受力过程中的变形情况，可以清楚地将其分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段。 (1)弹性阶段运行经验 在拉伸阶段，拉伸力与伸长率成正比，这表明低碳钢的应力和应变是线性的，符合胡克定律。因此，点p处的应力称为材料的比例极限，如图1.2所示。如果应力继续增加并达到材料的弹性极限E点，应力和应变之间的关系不再是线性的，但变形仍然是弹性的，也就是说，在张力消除后变形恢复。弹性极限和比例极限在工程上没有严格的区别，但它们统称为弹性极限，是控制材料在弹性变形范围内工作的有效指标，在工程上有实用价值。 (2)屈服阶段 当张力超过弹性极限并达到之字形曲线时，张力不再增加或开始旋转和振荡。此时，可以在样品表面看到表面晶体滑移的痕迹。这种现象表明，试样上的拉力不会继续增加或略有减少，这称为材料的屈服，其应力称为屈服强度(流动极限)。对应于第一次拉伸旋转前的最大力(上屈服力)和不考虑初始瞬时效应(即不考虑第一次载荷下降的最低点)的最小力(下屈服力)的应力是上下屈服强度。由于变形速度和试件形状等因素导致屈服强度上限波动，而屈服强度下限相对稳定，只有屈服强度下限相对稳定 在屈服阶段之后，由于塑性变形，样品的内部晶体结构被重新调整，并且其抵抗变形的能力被增强。随着拉力的增加，伸长变形也增加，拉伸曲线继续上升。锑曲线段称为强化阶段。随着塑性变形的增加，材料的力学性能发生变化，即材料的抗变形能力增加，塑性变差。这个阶段叫做强化阶段。当拉力增大，拉伸曲线到达顶点时，曲线开始回复，曲线顶点所指示的最大拉力为，因此材料的极限抗拉强度为，这也是衡量材料强度的一个重要指标。事实上，由于试样的横截面积在整个应力过程中不断变化，根据公式得到的抗拉强度极限是名义值，这不是载荷最大时的实际应力，也不是整个拉伸过程中的最大应力。从拉伸试验曲线可以看出，试样在最大载荷下不会断裂。拉动最大载荷后，试件仍有一定的承载能力。在低碳钢的拉伸过程中，由于应力的作用，试样的应变不断增加。低碳钢的拉伸过程也是一个不断增加应力的过程。试样的最大应力应该是试样断裂时的应力。 该公式得到的抗拉强度限值虽然是名义值，但这种计算方法有利于工程设计，具有普遍的工程意义。 (4)颈缩和断裂阶段BK 对于塑性材料，在承受拉力之前，试样各处的变形基本均匀。然而，在变形实现后，它主要集中在试样的局部区域，在该区域中，横截面积急剧减小，这被称为“颈缩”现象，此时张力减小，直到试样断裂并且其断裂形状为杯锥。拉伸断裂后，弹性变形消失，而塑性变形保留在拉伸断裂试样上。材料的断裂伸长率、面积收缩率和断裂应力的估算值通过使用试样标准距离内的塑性变形和试样断裂时的载荷来计算。 断裂伸长率： 其中，-伸长率，-原始轨距，-断裂轨距。 面积收缩： 其中，-伸长率，-原始横截面积，-断裂后的最小横截面积。 断裂应力的估计值： 其中，-估计断裂应力，-断裂载荷，-断裂处的最小横截面积。 从伸长率的定义可以看出，它是在规格长度范围内延伸的平均值。事实上，由于试样的颈缩，试样在标距范围内的变形是不均匀的。如果试样表面预先标有等长标记，并将试样分成多个等长的小规格长度，将发现小规格越靠近颈缩点，变形越大，越远离颈缩点，变形越小，且对称分布，最终趋于均匀。这样，当用不同的测量距离计算时，具有相同材料和相同直径的试样将会不同。为了使材料拉伸试验的结果具有可比性和一致性，国家制定了统一标准(简称国家标准)GB6397—86 《金属拉伸试验试样》和GB 228—87 《金属拉伸试验方法》。规定拉伸试样可分为刻度和校准距离，表面可分为已加工和未加工的全断面试样。通常，加工的圆形或矩形截面试样用于根据公式确定比例试样的比例距离，其中试样的截面面积通常为5.65或11.3，前者称为短试样，后者称为长试样。对于直径为10毫米的试样，短试样和长试样的标距应分别等于50毫米和100毫米，即相应的伸长率分别定义为和。通常，短规格样品用于小伸长率的材料，长规格样品用于大伸长率的材料。 同样，由于低碳钢试样颈缩变形的不均匀性和台阶递减的特点，中间断口和靠近中间断口的断口会有所不同 如果断口与轨距终点之间的距离小于或等于L0/3，LK需要用“移位法”计算。该方法是以断点为中心，用长段对应的变形格的长度加到短段已有的变形格上，使计算出的短段变形格数为N/2或N/2-1 (n为原始有效标准距离的个数)，长段变形格数的N/2或N/2-1的长度加起来即为断裂后的计算长度LK。其原理如图1.6:金属材料塑性断裂变形示意图 图1.6金属材料塑性断裂变形示意图 在上图中，假设裂缝位于试件中间，则有L1L1，L2L2，L3 L3 '.L1 > L2 > L3。 通过这种方式，通过位移处理可以减少由试件的不同断裂位置引起的误差。图1.7是金属材料置换处理的示意图 图1.7按位处理示例 从上图可以看出，LK=无移位处理的LAD LDB和LK=移位处理后的LAD LCD，由于试样断口的不均匀性表明LCD > ldb，移位处理后的LK大于无移位处理的LK，更接近于断点在试样中间的情况，有利于提高实验结果的一致性和可比性。 通过计算断裂应力的估算值，并与名义抗拉强度进行比较，可以清楚地看出，由于公式中的>是断裂后的测量值，且试样在颈缩过程中存在一些不均匀的应力分布，所以是估算值，但接近真实值。 这样，通过对低碳钢拉伸试验曲线的分析，可以得到反映低碳钢抗拉伸载荷的力学性能指标：屈服强度：拉伸强度：伸长率：/，面积收缩率：断裂应力： 通过分析铸铁试件的曲线，可以得到相应的反映铸铁抗拉负荷性能的力学性能指标。对于典型的脆性铸铁，观察曲线表明，在整个拉伸过程中变形很小，没有明显的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段。当达到最大拉力时，试样断裂。通过对实验现象的观察，发现没有屈服和颈缩现象，断口平整粗糙，属于脆性破坏。然而，由于铸铁在拉伸试验中不显示塑性指数，因此在拉伸试验中只能测量其拉伸强度。 4.实验方案 4.1实验设备、测量工具和试件 图1.8 YDD-1多功能材料力学试验机 YDD-1多功能材料力学试验机(图1.8)、150毫米游标卡尺、标准低碳钢和铸铁拉伸试样(图1.1)。 YDD-1多功能材料力学试验机由两部分组成：试验机的主体部分和数据采集与分析部分。主体部分由加载机构和相应的传感器组成，数据采集部分完成数据采集和分析。 图1.9安装的拉伸试样 标准圆柱体短试件用作试件。为了观察试件的变形和确定试件的伸长率，试验前应使用游标卡尺测量试件的最小直径，并根据试件的最小直径()确定规距的长度，并进行必要的修整。标记应在仪表距离内均匀地做出。为了便于数据处理，轨距通常分为10等份。常用的划线方法有：机械划线、腐蚀划线、激光划线等。图1.1是已划线的低碳钢短拉伸试样。 4.2夹紧和加载方案 安装的样本如图1.9所示。实验中，带卡盘的试件通过卡盘与试验机的上下卡盘连接，上卡盘通过铰链拉杆与试验机的上梁铰接。在实验中，当下卡盘向下移动并与卡盘接触时，试件受到轴向张力。在加载过程中，加载速度通过控制进油手轮的旋转来控制。 4.3数据测试方案 图1.11测量的张力 数据采集与分析系统实时记录试件的受力和变形，并生成受力和变形实时曲线和受力和变形X-Y曲线。图1.10显示了低碳钢的实测拉伸试验曲线，图1.11显示了铸铁的实测拉伸试验曲线 图1.10低碳钢实测拉伸试验曲线 在图1.10的左窗口中，力和变形的实时曲线如下：上曲线是作用在试样上的力，下曲线是试样的变形。在右边的窗口中，力和变形的X-Y曲线可以清晰地区分低碳钢拉伸的四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩断裂阶段。在左侧窗口中，您可以通过移动光标轻松读取所需数据，如屈服载荷、极限载荷和断裂载荷。 实验中所需的其他数据，如断裂后的原始轨距长度和断裂处的最小截面积，根据实验要求用游标卡尺直接或间接测量。 在图1.11中，铸铁张力的极限载荷可通过移动光标获得，极限载荷可通过使用峰值光标或统计函数轻松获得。 在获得相关数据后，根据实验原理，可以得到所需的力学指标。 5.完成实验预习报告 了解实验原理、实验方案和实验设备操作后，应完成实验预习报告。实验预习报告包括：定义相关概念、估计试件最大载荷、定义操作步骤等。在完成预览报告时，已经给出了一些条件(包括后续测试操作步骤的简要介绍)，有些条件是已知条件，有些条件需要找到相关的标准或参考资料。通过预习报告的完成，将有利于正确理解和顺利完成实验。 有条件的学生可以利用多媒体课件分析以前的实验数据，观察实验过程。 完成实验预习报告并获得导师的认可是正式实验操作的前提。 6.实验操作步骤简介 6.1试件原始参数的测量和标准距离的确定 实验中使用标准的短试件，试件的形状如图1.6所示。用游标卡尺在两个垂直方向上测量直径，测量长度的中心和两端的横截面，取算术平均值，并选择三个横截面中的最小值进行计算。根据测得的直径，测量长度()被确定并调整到最接近的5毫米倍数，并且在原始测量长度L0内标记十个等分，用于测量试样失效后的伸长率。 图1.12试样夹紧示意图 6.2夹紧样品 6.2.1旋转上卡盘，使其与上梁铰接(卡盘可灵活摆动)。 6.2.2将M6内六角扳手插入上下卡盘一侧的锁孔中，逆时针转动打开闭合的夹片。图1.12是样品夹紧的示意图。 6.2.3将试件插入上卡盘。当试件的夹紧部分刚好盖住卡盘的观察孔时，顺时针转动内六角扳手夹紧试件。调整试验机下卡盘的位置。操作步骤：关闭“进油手轮”，打开“压力调节手轮”，选择“油泵启动”，“油缸上升”，打开“进油手轮”，下卡盘上升。此时，禁止将手放在上下卡盘的任何位置。当试件的下夹紧部分落在下卡盘的两个夹爪之间时，关闭“进油手轮”，顺时针转动内六角扳手。 6.3连接测试线 根据需要连接测试线，1CH选择力测量，3CH选择位移测量。接线时应注意不同类型传感器的测量方法和接线方法。连接模式应与传感器的工作模式相对应。 6.4设置数据收集环境 6.4.1进入测试环境 根据需要连接测试电路，确认后打开仪器电源和计算机电源，双击桌面上的快捷图标，提示检测到采集设备确定进入测试环境 测试参数是被测物理量和被测电信号之间的纽带，设置正确合理的测试参数是获得正确数据的前提。测试参数由系统参数、通道参数和窗口参数组成。其中，系统参数包括测试模式、采样频率、报警参数和实时压缩时间。通道参数反映了被测工程量与被测电信号之间的转换关系，由测量内容、转换因子和满量程值组成。窗口是指实验中显示数据和实验完成后分析数据的曲线窗口集。该曲线可分为实时曲线和X-Y函数曲线。 检测仪器后，系统会自动给出上次实验的测试环境。 图1.13数据采集和分析环境 第一项，通道参数 通道参数位于采集环境的底部，反映被测工程量与被测电信号之间的转换关系，由通道号、测量内容、工程单位、转换因子和满量程值组成。 通道号：与测试和分析系统的通道一一对应。通常，选择一个通道来测量样品上的载荷，选择三个通道来测量样品的变形(位移)。 测量内容：由待测电信号的类型决定，由数据采集(电压

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