材料力学性能-实验指导书

实验一低碳钢的拉伸试验任何一种材料受力后都要产生变形，变形到一定程度就可能发生断裂破坏。材料在受力——变形——断裂的这一破坏过程中，不仅有一定的变形能力，而且对变形和断裂有一定的抵抗能力，这些能力称为材料的力学性能。通过拉伸实验，可以确定材料的许多重要而又最基本的力学机械性能。例如：弹性模量E、比例极限σp、上和下屈服强度σeu和σeL、强度极限σm、延伸率δ、收缩率Ψ。除此而外，通过拉伸实验的结果，往往还可以大致判定某种其它机械性能，如硬度等。按国标GB/T228-2002，拉伸试样如图1所示。实验段直径mmd100,标距mml1000。一、实验目的1．研究低碳钢的应力——应变曲线拉伸图。2．确定低碳钢在拉伸时的力学指标（比例极限σp、下屈服强度σeL、强度极限σm、延伸率δ、断面收缩率Ψ）。3.观察低碳钢拉伸时的断口特征，并与其他形式的断口相比较。二、实验原理在拉伸实验前，测定低碳钢试件的直径0d和标距0l。实验时，首先将试件安装在实验机的上、下夹头内，并在实验段的标记处安装引伸仪，以测量实验段的变形。然后开动实验机，缓慢加载，与实验机相联的微机会自动绘制出载荷-变形曲线（lF曲线，见图2）或应力-应变曲线（曲线，见图3），随着载荷的逐渐增大，材料呈现出不同的力学性能：abcefPbgfhsoddΔlFsFbF图2图30d0l图1拉伸试件（1）弹性阶段（Ob段）在拉伸的初始阶段，曲线（Oa段）为一直线，说明应力与应变成正比，即满足胡克定理，此阶段称为线形阶段。线性段的最高点称为材料的比例极限（P），线性段的直线斜率即为材料的弹性摸量E。线性阶段后，曲线不为直线（ab段），应力应变不再成正比，但若在整个弹性阶段卸载，应力应变曲线会沿原曲线返回，载荷卸到零时，变形也完全消失。卸载后变形能完全消失的应力最大点称为材料的弹性极限（e），一般对于钢等许多材料，其弹性极限与比例极限非常接近。（2）屈服阶段（bc段）超过弹性阶段后，应力几乎不变，只是在某一微小范围内上下波动，而应变却急剧增长，这种现象成为屈服。使材料发生屈服的应力称为屈服应力或屈服极限（s）。当材料屈服时，如果用砂纸将试件表面打磨，会发现试件表面呈现出与轴线成045斜纹。这是由于试件的045斜截面上作用有最大切应力，这些斜纹是由于材料沿最大切应力作用面产生滑移所造成的，故称为滑移线。试样发生屈服而力首次下降前的最大应力成为上屈服点，记为σeu当不计瞬时效应（指在屈服过程中试验力第一次发生下降）时屈服阶段中的最小应力成为下屈服点，记为σeL。（3）硬化阶段（ce段）经过屈服阶段后，应力应变曲线呈现曲线上升趋势，这说明材料的抗变形能力又增强了，这种现象称为应变硬化。若在此阶段卸载，则卸载过程的应力应变曲线为一条斜线（如dd斜线），其斜率与比例阶段的直线段斜率大致相等。当载荷卸载到零时，变形并未完全消失，应力减小至零时残留的应变称为塑性应变或残余应变，相应地应力减小至零时消失的应变称为弹性应变。卸载完之后，立即再加载，则加载时的应力应变关系基本上沿卸载时的直线变化。因此，如果将卸载后已有塑性变形的试样重新进行拉伸实验，其比例极限或弹性极限将得到提高，这一现象称为冷作硬化。在硬化阶段应力应变曲线存在一最高点，该最高点对应的应力称为材料的强度极限（b），强度极限所对应的载荷为试件所能承受的最大载荷bF。（4）颈缩阶段（ef段）试样拉伸达到强度极限b之前，在标距范围内的变形是均匀的。当应力增大至强度极限b之后，试样出现局部显著收缩，这一现象称为颈缩。颈缩出现后，使试件继续变形所需载荷减小，故应力应变曲线呈现下降趋势，直至最后在f点断裂。试样的断裂位置处于颈缩处，断口形状呈杯状，这说明引起试样破坏的原因不仅有拉应力还有切应力。三、实验用仪器设备和工具1．材料试验机2．标准试样（如图1）3．游标卡尺、冲子、铁锤等四、实验步骤1、依次打开计算机、变压器，并按下主机外罩上的“复位”按钮启动试验机。2、双击桌面上的图标WinWdw-PCI，进入软件操作系统。3、点击“试验操作”，打开实验操作界面，做拉伸试验时，在软件操作系统的“控制面板”上选取“拉向”。4、量度试件尺寸：1）量度直径d0。对于圆试件，在计算长度的两端及中部三处用卡尺测量，每一处都要在两个互相垂直的方向上量出直径，取其平均值。2）确定计算长度L0。使用标准试样的标距L0。将结果填入表1。表1拉伸试件原始尺寸数据记录材料标距L0（mm）直径d0(mm)横截面面积S0(mm2)截面I截面II截面III12平均12平均12平均低碳钢5、做实验⑴装夹拉伸试样。通过试验机的“上升”、“下降”按钮把横梁调整到方便装试件的位置，再把上钳口松开，夹紧试样的上端；⑵使横梁下降，当试样能够夹在下钳口时，停止；⑶在实验操作界面上把负荷、峰值、变形、位移、时间清零，夹紧下钳口；⑷在“控制面板”上选择“位移控制”，使横梁下降，消除预紧力，使负荷变为零；⑸装夹引伸计，并检查引伸计是否已正确连接到计算机主机的端口上；⑹单击“新建试样”按钮，输入试件的有关信息，包括直径（或长、宽）、标距，然后点击“新建试样”按钮，再点击“确认”。⑺再次把负荷、峰值、变形、位移、时间等各项分别清零。⑻单击“位移方式”，切换为“取引伸计”模式。在取引伸计模式下，点击“开始”按钮，开始实验。在实验过程中，注意观察屈服（流动）、强化，卸载规律、颈缩、断裂等现象。⑼试样拉断后，立即按“停止”按钮。然后点取“保存数据”按钮，保存试验数据。取下试样，先将两段试件沿断口整齐地对拢，量取并记录拉断后两标距点之间的长度1l，及断口处最小的直径1d，并计算断后面积。⑽数据处理。五、实验记录实验过程中，需要记录表1；需要绘制应力-应变曲线；并需要绘制拉伸断口示意图。六、实验结果处理1、力学指标的计算和测量记录试件的屈服抗力Fs和最大抗力Fb。试件断裂后，测量断口处的最小直径1d和标距间的距离1l。依据测得的实验数据，计算低碳钢材料的强度指标和塑性指标。强度指标：屈服极限4,200dAAFss其中强度极限0AFbb塑性指标：延伸率%100001lll断面收缩率%100010AAA2、断口特征分析写出塑性材料拉伸断裂的断口特征。七、实验结论及分析描述、对比疲劳断口、应力腐蚀断口和高温蠕变断口的断口特征。实验二冲击试验工程中，有许多机件是快速加载即冲击载荷及低温条件下工作的，如：汽车在凸凹不平的道路上行驶；飞机的起飞和降落；材料的压力加工等；其性能将与常温、静载的不同。金属材料在使用过程中除要求足够强度和塑性外，还要求有足够的韧性。夏比冲击试验是由法国工程师夏比(Charpy)建立起来的，虽然试验中测定的冲击吸收功Ak值缺乏明确的物理意义，不能作为表征金属制件实际抵抗冲击载荷能力的韧性判据，但因其试样加工简便、试验时间短，试验数据对材料组织结构、冶金缺陷等敏感而成为评价金属材料冲击韧性应用最广泛的一种传统力学性能试验。一、实验目的1．掌握冲击的工作原理和测定试样冲击性能的方法。2．掌握低温脆性的的概念和韧脆转变温度的规定方法。3．观察冲击断口的形貌特征。二、实验原理夏比冲击试验是将具有规定形状、尺寸和缺口类型的试样，放在冲击试验机的试样支座上，使之处于简支梁状态。然后用规定高度的摆锤对试样进行一次性打击，如图1所示，实质上就是通过能量转换过程，测量试样在这种冲击下折断时所吸收的功。试样的冲击吸收功在试验中用摆锤冲击前后的位能差测定:Ak=A－A1(1)cos11FLFHA(2)cos121FLFHA(3)式中A——摆锤起始位能，J；A1——摆锤打击试样后的位能，J。如不考虑空气阻力及摩擦力等能量损失，则冲断试样的吸收功为COSCOSLFAK(4)式中F——摆锤的重力，N；L——摆长(摆轴至锤重心之间的距离)，mm；α——冲击前摆锤扬起的最大角度，弧度；β——冲击后摆锤扬起的最大角度，弧度。图1夏比冲击试验原理三、实验用仪器设备和工具1、冲击试验机2、标准试件四、实验步骤1、测量试样的几何尺寸及缺口处的横截面尺寸。标准冲击试样如图所示。2、根据估计材料冲击韧性来选择试验机的摆锤和表盘。3、安装试样。如图3所示。图3冲击试验示意图图2夏比冲击试样4、进行试验。将摆锤举起到高度为H处并锁住，然后释放摆锤，冲断试样后，待摆锤扬起到最大高度，再回落时，立即刹车，使摆锤停住。5、记录表盘上所示的冲击功AKV值.取下试样，观察断口。试验完毕，将试验机复原。6、冲击试验要特别注意人身的安全。五、实验记录实验中，绘制冲击试样示意图；记录摆锤的起始位置和最终位置；绘制冲击断口示意图。六、实验结果处理1、计算冲击韧性值αK.0SAkk(J/cm2)(1-4)式中,AK缺口试样的冲击吸收功(J)；S0为试样缺口处断面面积(cm2)。冲击韧性值αK是反映材料抵抗冲击载荷的综合性能指标，它随着试样的绝对尺寸﹑缺口形状﹑试验温度等的变化而不同。2、比较分析两种材料的抵抗冲击时所吸收的功。观察破坏断口形貌特征。七、实验结论及分析简述韧脆转变的定义及采用断口形貌定义tk的方法。