力学参数测试

1、 实 验 报 告 实验名称: 材料的力学参数测试技术 实验一 低碳钢拉伸实验一、实验目的和要求1. 了解电子万能试验机的工作原理，熟悉其操作规程和正确的使用方法，同时学会正确使用材料力学参数测试软件；2. 测定低碳钢拉伸试件的上屈服力、下屈服力、强度性能指标、断后伸长率、断面收缩率等参数指标；3. 观察低碳钢试样在拉伸过程中的各种现象，绘制拉伸曲线（曲线）了解材料拉伸时力与变形的关系，观察试件破坏现象。4测定塑性材料的塑性指标：拉伸时的伸长率A，截面收缩率Z。5比较塑性材料与脆性材料在拉伸时的机械性质。二、实验设备电脑、万能试验机、游标卡尺、试样打点机、打印机、材料参数测试软件 ，待测试件。万

2、能试验机：采用夹板式夹头，如图1-1。夹头有螺纹，形状如1-2所示。试件被夹持部分相应也有螺纹。试验时，利用试验机的自动绘图器绘制低碳钢的拉伸图。 图1-1 夹板式夹头 图 1-2用于圆形截面试件的夹头三、拉伸试件本次金属材料拉伸实验所用的试件形状如图1-3所示。图中工作段长度称为标距，试件的拉伸变形量一般由这一段的变形来测定，两端较粗部分是为了便于装入试验机的夹头内。图1-3 低碳钢的拉伸试件图中L0为标距长度，用于测量拉伸变形，单位为mm。四、实验原理低碳钢是应用最为广泛的结构材料，其拉伸曲线也较为特殊。当试样伸长达到某一长度时，继续拉伸试样，材料强度反而出现下降现象，并在某一不大的范围内

3、波动，此即所谓的材料屈服现象。从图1-4中可以看出，对于低碳钢试件，当载荷在弹性极限范围内变化时，拉伸图上相应段是直线，表明此阶段内载荷与试件的变形成比例关系，即符合胡克定律的弹性变形范围。当载荷增加到上屈服点时，实验力值不变或突然下降到某点，然后在小的范围内摆动，这时变形增加很快，载荷增加很慢，说明材料产生了屈服（或称流动）。与上屈服点相应的应力叫上屈服极限，与下降后的点相应的应力叫下屈服极限，因下屈服极限比较稳定，所以材料的屈服极限一般规定按下屈服极限取值。以下屈服点相对应的载荷值除以试件的原始截面积，即得到低碳钢的屈服极限，。屈服阶段后，试件要承受更大的外力才能继续发生变形，若要使塑性变

4、形加大，必须增加载荷，达到最大荷载点之前的这一段就称为强化阶段。当载荷达到最大值时，试件的塑性变形集中在某一截面处的小段内，此段发生截面收缩，即出现“颈缩”现象。此时记下最大载荷值，用除以试件的原始截面积，就得到低碳钢的强度极限，。在试件发生颈缩后，由于截面积的减小，载荷迅速下降，然后试件断裂。图1-4 低碳钢拉伸应力应变曲线铸铁是少数脆性金属材料的代表。铸铁的含碳量比高碳钢的含碳量还高。其应力应变曲线如图1-5所示。铸铁拉伸时只有弹性变形，卸载时应力应变曲线回到原点，但铸铁的应力应变曲线的线性很差，或者说线弹性很短。由于铸铁在断裂前没有塑性变形，自然不会存在屈服和颈缩现象。整个变形很小，几乎

5、没有什么预兆就发生突然断裂。断裂时的载荷即为强度极限所对应的载荷。图1-5 铸铁拉伸应力-应变曲线五、实验方法及步骤1. 试样标距确定：取一根低碳钢棒材试样，利用打点机在试样的平直段均匀打出十一个点，每两点间的距离为10mm，则原始标距为100mm；1-6用划线机将标距10等分2初始直径测量：用游标卡尺测量试样的初始直径，为10.06mm；3. 开机：打开电脑后，运行材料力学参数测试软件，单击“联机”图标，将软件和万能试验机联机；4. 实验参量设置：在软件的“条件读盘”下拉菜单中进行条件设置：数据文件名设为：低碳钢拉伸曲线试验；输入试样的初始标距和初始直径，分别为100mm和10.06mm；选

6、择“要计算的项目”为：上屈服力，下屈服力，上屈服强度，下屈服强度，最大力，抗拉强度，断面收缩率，断后伸长率；实验速度设为4mm/min；选择显示的坐标体系中横坐标为“位移（mm）”，最大值取40mm，纵坐标为“力（kN）”，最大值取40 kN；5. 装夹试样；6. 开始实验：实验前要对所有实验显示进行清零，在材料力学参数测试软件中单击“开始实验”。可以看到力在连续加载，“力位移”曲线也在屏幕上逐渐显示出来。当加载的力达到最大后，可以看到试样变形明显加快，很快试样就被拉断；7卸载并取下试样。8. 断后试样参数确定：利用游标卡尺测得的断后标距为119.16mm。缩颈最小处相互垂直的两个方向上直径的

7、测量值为6.44mm和6.40mm。在软件中输入上述测量值，可得到要求计算的物理量的值。9. 打印：单击“结果”下拉菜单中的“打印”，可得到试样的拉伸曲线以及要计算的各个物理量。10. 单击“脱机”图标，完成实验。六、实验结果处理拉伸曲线上显示：上屈服力，下屈服力，最大力。则上屈服强度为 下屈服强度 抗拉强度 断后伸长率 断后收缩断面的直径断面收缩率断后伸长率和断面收缩率在低碳钢拉伸曲线上也显示出来了。拉伸曲线如附页1“低碳钢拉伸试验”所示。七、注意事项1） 开机前和停机后，送油阀一定要置于关闭位置。加载、卸载均须缓慢进行。2） 拉伸试件夹住后，不得再调整下夹头的位置。3） 机器开动时，操纵者

8、不得擅自离开。实验过程中不得触动摆锤。4） 使用时，听见异声或发生任何故障应立即停止。5） 试件装夹必须正确，防止偏斜和夹入部分过短的现象。8、 实验讨论1.途中起始阶段呈曲线是由于试样头部在试验机夹具内有轻微滑动及试验机各部分存在间隙造成的。2. 从低碳钢拉伸曲线图中可以看出：加载初期材料表现出明显的线弹性变形，位移随着力呈线性比例增加；进入屈服阶段后，施加的力基本维持不变，而试样的位移明显增加；屈服阶段过后，随着位移的增加，力也不断增加，两者关系呈曲线，直至力达到最大值；此后，随着位移的增加，施加的力减小，直至试样被拉断。（与低碳钢不同的是，铸铁从开始加载到最后被拉断，只有少量塑性变形，在

9、弹性变形达到最大时突然背拉断，没有颈缩和强化的阶段。）实验二 低碳钢和铸铁弹性模量的测定一、实验目的和要求1. 确定材料所要加载的弹性范围：对于低碳钢和铸铁试样，可根据实验一得到的金属材料拉伸 “力位移”曲线得到所需加载的弹性范围。2.掌握低碳钢和铸铁弹性模量的测定方法；3. 初步掌握机械式引伸计的构造原理及操作使用方法；4比较塑性材料与脆性材料在拉伸时的机械性质。二、实验设备和器材万能试验机、YJY12机械引伸计、橡皮筋、游标卡尺、打印机、材料参数测试软件、低碳钢棒材试样一根、铸铁棒材试样一根。三、实验原理在弹性范围内，金属材料服从胡克定律，其应力应变关系呈线性比例，从而“力-变形”曲线也近

10、似呈直线。在试件上安装测量轴向伸长的引伸计，加载即可得到引伸计在标距范围内的轴向伸长量，弹性模量的计算方法详述如下：取线段上的两个点，对应的力和变形量的值分别为，；，。由轴向拉伸作用下的变形公式 软件根据计算式可计算得到弹性模量值。4、 实验方法及步骤（1）铸铁弹性模量的测定一般用初始部分曲线的割线斜率来表示其弹性模量。铸铁的弹性模量较碳钢小。利用游标卡尺测得铸铁棒材试样的直径为9.96mm。具体实验操作可参照低碳钢弹性模量的实验测定方法。（2）低碳钢弹性模量的测定1. 测量试样直径：在试验段范围内，利用游标卡尺测量低碳钢棒材的直径为10.00mm；2. 开机：打开电脑中的材料力学参数测试软件

11、，单击“联机”图标，将软件和万能试验机联机；3. 实验参量设置：数据文件名设为：低碳钢弹性模量；输入试样的原始直径为10.00mm。选择“要计算的项目”为：弹性模量，最大力；选取用于计算的“力变形”曲线段上的两点对应的力分别为施加的最大力的10%和60%；选择显示的坐标横坐标为“变形（mm）”，最大值取0.06mm，纵坐标为“力（kN）”，最大值取20 kN；选中引伸计设定框。单击“确认”，保存条件设置；4. 装夹试样；5. 装引伸计：装用橡皮筋将引伸计的刀口固定在试样的中间部分，固定好之后拔下引伸计上的销钉；6. 开始实验：实验前对所有实验显示进行清零，横梁速度采用2mm/min。然后单击“

12、开始实验”，注意观察图形和数据显示窗口，当加载的力达到约19.0kN的时候，单击“暂停”，保存实验文件。拨下安装引伸计的橡皮筋，同时用手托住引伸计，把它轻放在电脑桌或实验机平台上；8. 打印：单击“结果”下拉菜单中的“打印”，先打印预览一下，没有问题后，开始打印，可得到试样在弹性范围内的“力变形”曲线以及要计算的各个物理量；9. 卸载并取下试样。五、实验结果分析及处理 软件计算得到的低碳钢试样、铸铁试样的弹性模量值分别为和，施加的最大力分别为19.191kN和15.472N，对应的“力变形”曲线见附页2和3所示。六、实验讨论当把引伸计固定在试样上后，切记拔下销钉，否则引伸计会因为刀口受到约束而

13、随着试样的变形被拉坏。摘下引伸计后，把销钉插回原处以起到保护作用。 实验三 铝试样和低碳钢规定非比例延伸强度的测定一、实验目的1. 学会测试金属材料的规定非比例延伸强度的原理和方法，并对三种主要的实验方法进行比较；2. 熟悉引伸计的构造原理和使用方法；3. 测定LY12试样和低碳钢试样的非比例延伸强度。二、实验设备及材料引伸计、橡皮筋、游标卡尺、万能试验机、材料参数测试软件、电脑、 LY12和低碳钢棒材试样一根三、实验原理用引伸计测量延伸试样延伸时，引伸计刀口部分的距离成为引伸计标距（）。实验期间，任一给定时刻引伸计标距（）的增量叫做延伸。延伸与引伸计标距（）之比的百分率叫延伸率。实验中任一给

14、定时刻引伸计标距的非比例延伸与引伸计标距（）之比的百分率称为非比例延伸率。当非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力称为规定非比例延伸强度。图4 规定非比例延伸强度测定由于规定的百分率有不同值，所以使用的符号应附以下标说明规定的百分率。本实验测定的就是规定非比例延伸率为0.01%时的应力，实验中常用的三种测试方法如下所述：（1） 逐级加力法逐级加力方法测定规定非比例延伸强度。查阅所测材料的拉伸曲线，参考其屈服力的值估算一个规定非比例延伸强度所对应的力，则取其大小的10%作为初载，取其大小的70%80%作为估算的比例段的最大载荷。在和之间分四级或五级加载。级间间隔力，其中（n=4或5）。在

15、加载的力超过后，仍分级加载，但级间间隔力变小，令并取整数。在加载过程中，对于每一个力，立即记录下其对应的变形，并计算前后两次变形量间的变形间隔，并计算出处于比例阶段的平均变形间隔。当变形间隔增大时，说明材料进入了非比例延伸阶段，计算出非比例伸长量。当非比例伸长量=原始标距*非比例延伸率时，记录下此时的力，将其除以原始横截面积即可得到规定非比例延伸强度。（2） 图解法根据力-延伸曲线图测定规定非比例延伸强度。在曲线图上，画一条与曲线的弹性直线段部分平行，且在延伸轴上与此直线段的距离等效于规定非比例延伸率0.01%的直线。此平行线与曲线的交截点给出相应于所求规定非比例延伸强度的力。此力除以试样原始

16、横截面积得到规定非比例延伸强度（见图5）。此方法中，准确绘制力-延伸曲线图十分重要。图5 图解法有些材料的拉伸曲线中无明显的弹性直线段，这样就造成力-延伸曲线图的弹性直线部分不能明确地确定，导致不能以足够的准确度来画出上述平行线，这时就要采用后两种方法，如下所述。（3） 滞后环法试验时，当已超过预期的规定非比例延伸强度后，将力降至约为已达到的力的10%。然后再施加力直至超过原先已达到的力。为了测定规定非比例延伸强度，过滞后环划一直线。然后经过横轴上与曲线原点的距离等效于所规定的非比例延伸率的点，做平行于此直线的平行线。平行线与曲线的交截点给出相应于规定非比例延伸强度的力。此力除以试样原始横截面

17、积得到规定非比例延伸强度，如图6所示。图6 滞后环法四、实验方法及步骤（1）LY12的规定非比例延伸强度本实验采用逐级加力方法测定LY12试样的规定非比例延伸强度。 1. 计算规定非比例延伸量：规定非比例伸长量=原始标距*非比例延伸率=50mm*0.01%=0.005mm。2. 拟定加载方案:：查阅LY12试样的拉伸曲线，参考其屈服力的值估算一个规定非比例延伸强度所对应的力，则分五级加载，则级间间隔加载取， ，从实验精度考虑，取更合适。3. 测量试样直径：利用游标卡尺测量LY12棒材试样的原始直径为10.01mm。4. 实验参量设置：在软件的“条件读盘”下拉菜单中进行条件设置：数据文件名设为：

18、铝试样规定非比例延伸强度实验；输入试样的原始直径，为10 mm；选择“要计算的项目”为：非比例延伸强度0.01；选择显示的坐标横坐标为“变形（mm）”，最大值取0.60mm，纵坐标为“力（kN）”，最大值取40 kN；选中引伸计设定框。单击“确认”，保存条件设置。5. 装夹试样，装好后在试样上安装引伸计： 6. 开始实验：实验前对所有实验显示进行清零，然后单击“开始实验”。注意观察图形和数据显示窗口，记录下加载的力的值为3.0kN，7.0kN，11.0kN，15.0kN，19.0kN，23.0kN，24.0kN，25.0kN，26.0kN，26.6.0kN，27.2kN，27.8kN，28.0

19、kN，28.2kN，28.4kN，28.6kN时对应的变形量的值，并同时计算相邻两个变形量之间的变形间隔以及处于比例阶段的平均变形间隔。当变形间隔增大时，说明材料进入了非比例延伸阶段，计算出每一个变形量对应的非比例伸长量。并逐渐缩小级间间距。当非比例伸长量为0.005mm时，单击“暂停”，记录下此时对应的力。8. 单击“停止实验”，软件自动计算出非比例延伸强度0.01的值。9. 卸载并取下试样和引伸计。10. 单击“脱机”图标，完成实验。（2）低碳钢的规定非比例延伸强度拟定加载方案:：查阅低碳钢试样的拉伸曲线，参考其屈服力的值估算一个规定非比例延伸强度所对应的力，则取整数，。分五级加载，则级间

20、间隔加载取，从实验精度考虑，取更合适。测量试样直径：利用游标卡尺测量LY12棒材试样的原始直径为9.98mm。记录下加载的力的值为2.0kN，5.0kN，8.0kN，11.0kN，14.0kN，17.0kN，18.0kN，18.50kN，19.0kN时对应的变形量的值。其他步骤与LY12的相同。五、实验结果处理与分析（1）低碳钢的规定非比例延伸强度实验中记录到的力和对应的变形量的值如表3-2所示：表3-2 低碳钢 力变形 实验记录值施加的力（kN）变形量（mm）变形量间隔（mm）比例变形间隔（mm/kN）比例伸长量（mm）非比例伸长量（mm）2.00.0100.0110.0100.0005.0

21、0.0210.0110.0210.0008.00.0330.0120.0330.00011.00.0440.0110.0440.00014.00.0540.0100.0540.00017.00.0640.0100.0640.00018.00.0680.0040.0680.00018.50.0710.0030.0710.00019.00.0790.0050.0740.005由表中数据可知，规定非比例伸长率0.01%对应的力，则规定非比例延伸强度为“力-变形”曲线如附页4所示。（2）LY12的规定非比例延伸强度实验中记录到的力和对应的变形量的值如表3-1所示：表3-1 LY12 力变形 实验记录值

22、施加的力（kN）变形量（mm）变形量间隔（mm）比例变形间隔（mm/kN）比例伸长量（mm）非比例伸长量（mm）3.00.0300.0090.0300.0007.00.0650.0350.0650.00011.00.1010.0360.1010.00015.00.1360.0350.1360.00019.00.1710.0350.1710.00023.00.2070.0360.2070.00024.00.2160.0090.2160.00025.00.2250.0090.2250.00026.00.2340.0090.2340.00026.60.2400.0060.2400.00027.20.

23、2460.0060.2460.00027.80.2520.0060.2520.00028.00.2550.0030.2550.00028.20.2570.0020.2570.00028.40.2600.0030.2600.00028.60.2680.0080.2630.005由表中数据可知，规定非比例伸长率0.01%对应的力，则规定非比例延伸强度为“力-变形”曲线如附页5所示。六、注意事项1.开机前和停机后，送油阀一定要置于关闭位置。加载、卸载均须缓慢进行。2.拉伸试件夹住后，不得再调整下夹头的位置。3.机器开动时，操纵者不得擅自离开。实验过程中不得触动摆锤。4.使用时，听见异声或发生任何故障

24、应立即停止。5.试件装夹必须正确，防止偏斜和夹入部分过短的现象。6. 在记录力及对应的变形量的值的过程中一定要边记录，边及计算变形量差值，以检查变形量差值的变化，防止非比例伸长超过规定非比例伸长七、实验讨论 1.一般而言，随着实验的进行，记录的两个相邻的力的间隔要减小，特别是发现变形量差值变大后，记录的力及对应的变形量之间的间隔应该变得更小一点，这主要是因为此时的非比例伸长会增加很快。 实验四 铝试样和低碳钢规定残余延伸强度的测定一、实验目的1. 理解材料规定残余延伸强度的定义，学会测试金属材料规定残余延伸强度的原理和方法；2. 测定LY12试样和低碳钢的规定残余延伸强度。3. 熟悉引伸计的构

25、造原理和使用方法。二、实验设备及器材万能试验机、YJY12引伸计、橡皮筋、电脑、游标卡尺、材料参数测试软件、 LY12和低碳钢棒材试样一根三、 实验原理当卸除应力后残余延伸率等于规定的引伸计标距（）百分率时对应的应力成为规定残余延伸强度。使用的符号应附以下脚注说明所规定的百分率。例如，表示规定残余延伸率为0.2%时的应力。金属材料的屈服强度是工程实际应用中的一个重要强度性能指标，在工程实际中，多数塑性材料如高碳钢、黄铜、硬铝等却没有明显的屈服阶段，这时通常要用名义屈服极限来代替金属材料的屈服点。国标GB/T 2282002中把Rr0.2称为规定残余延伸强度，它是指试样在拉伸过程中，卸除拉力后残

26、余延伸率(0.2%)等于规定的引伸计标距(Le)百分率时对应的应力(见图4-1)。其表达式为： 式中，Fr0.2为规定产生0.2%的残余伸长变形所对应的拉力，S0为试样原始横截面面积。图4-1规定残余延伸强度必须使用卸力法测定。对LY12试样的规定残余延伸强度Rr0.2，实验前，要先预估一下LY12的规定残余延伸强度，计算出相应于该强度10%的力作为初始载荷。另外引伸计标距内所要达到的残余延伸量规定残余延伸率。从起第一次施加力直至试样在引伸计标距的长度上产生的总延伸为，保持力保持1012s，将力卸载至。计算残余延伸量。第二次施加力直至引伸计的读数达到，保持1012 s，卸载至后，计算残余延伸量

27、。第三次施加力直至引伸计的读数达到，保持1012 s，卸载至后，计算残余延伸量。如此反复，直至第n次测得的残余延伸量达到或稍微超过。若最终的残余延伸量超过，采用内插法求得规定残余延伸力，将其除以试样的横截面积得到规定残余延伸强度。 四、实验方法及步骤1. 测量试样直径：利用游标卡尺测量LY12棒材试样的原始直径为10.06mm。2. 初始载荷及残余延伸量计算：，初步估计LY12的规定残余延伸强度为,则估计力，则对试样施加的初始载荷：取整为。3. 实验参量设置：在软件的“条件读盘”下拉菜单中进行条件设置：数据文件名设为：铝试样规定残余延伸强度；输入试样的原始直径，为10.06mm；选择显示的坐标横坐标为“变形（mm）”，最大值取0.40mm，纵坐标为“力（kN）”，最大值取30 kN；选中引伸计设定框。单击“确认”，保存条件设置