拉伸与压缩实验11

材料力学实验指导书§1拉伸实验指导书1、概述常温、静载作用下（应变速率≤10-1）的轴向拉伸实验是测量材料力学性能中最基本、应用最广泛的实验。通过拉伸实验，可以全面地测定材料的力学性能，如弹性、塑性、强度、断裂等力学性能指标。这些性能指标对材料力学的分析计算、工程设计、选择材料和新材料开发都有极其重要的作用。2、实验目的2.1测定低碳钢的下列性能指标：两个强度指标：流动极限s、强度极限b；两个塑性指标：断后伸长率、断面收缩率；测定铸铁的强度极限b。2.2观察上述两种材料在拉伸过程的各种实验现象，并绘制拉伸实验的F－l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）的力学性能特点与试样破坏特征。2.4了解实验设备的构造和工作原理，掌握其使用方法。2.5了解名义应力应变曲线与真实应力应变曲线的区别，并估算试件断裂时的应力k。3、实验原理对一确定形状试件两端施加轴向拉力，使有效部分为单轴拉伸状态，直至试件拉断，在实验过程中通过测量试件所受荷载及变形的关系曲线并观察试件的破坏特征，依据一定的计算及判定准则，可以得到反映材料拉伸试验的力学指标，并以此指标来判定材料的性质。为便于比较，选用直径为10mm的典型的塑性材料低碳钢Q235及典型的脆性材料灰铸铁HT200标准试件进行对比实验。常用的试件形状如图1.1所示，实验前在试件标距范围内有均匀的等分线。典型的低碳钢(Q235)的LF曲线和灰口铸铁（HT200）的LF曲线如图1.2、图1.3所示。图1.2低碳钢拉伸LF曲线图1.3铸铁拉伸LF曲线Fp-比例伸长荷载；Fe-弹性伸长荷载；Fsu-上屈服荷载；Fb-极限荷载Fsl-下屈服荷载；Fb-极限荷载；Fk-断裂荷载图1.1常用拉伸试件形状低碳钢Q235试件的断口形状如图1.4所示，铸铁HT200试件的断口形状如图1.5所示，观察低碳钢的LF曲线，并结合受力过程中试件的变形，可明显地将其分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部变形阶段。(1)弹性阶段OE在OP阶段中的拉力和伸长成正比关系，表明低碳钢的应力与应变为线性关系，遵循胡克定律。故P点的应力称为材料的比例极限,如图1.2所示。若当应力继续增加达到材料弹性极限E点时，应力和应变间的关系不再是线性关系，但变形仍然是弹性的，即卸除拉力后变形恢复。工程上对弹性极限和比例极限并不严格区分，而统称为弹性极限，它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ES当拉力超过弹性极限到达锯齿状曲线时，拉力不再增加或开始回转并震荡，这时在试样表面上可看到表面晶体滑移的迹线。这种现象表明在试件承受的拉力不继续增加或稍微减少的情况下试件继续伸长，称为材料的屈服，其应力称为屈服强度(流动极限)。拉力首次回转前的最大力(上屈服力suF)及不计初始瞬时效应(即不计载荷首次下降的最低点)时的最小力(下屈服力sLF)所对应的应力为上、下屈服强度。由于上屈服强度受变形速度及试件形式等因素的影响有一定波动，而下屈服强度则比较稳定，故工程中一般只测定下屈服强度。其计算公式为：0/SFsLsL。屈服应力是设计材料许用应力的一个重要指标。图1.4低碳钢Q235试件拉伸实验断口形式图1.5铸铁HT200试件拉伸实验断口形式(3)强化阶段SB过了屈服阶段以后，试件材料因塑性变形其内部晶体组织结构重新得到了调整，其抵抗变形的能力有所增强，随着拉力的增加，伸长变形也随之增加，拉伸曲线继续上升。SB曲线段称为强化阶段，随着塑性变形量的增大，材料的力学性能发生变化，即材料的变形抗力提高，塑性变差，这个阶段称为强化阶段。当拉力增加，拉伸曲线到达顶点时，曲线开始返回，而曲线顶点所指的最大拉力为bF，由此求得的材料的抗拉强度极限为0/SFbb，它也是衡量材料强度的一个重要指标。实际上由于试件在整个受力过程中截面面积不断发生变化，按公式0/SFbb得到抗拉强度极限为名义值，b并非为荷载为最大值时的真实应力，也非整个拉伸过程中的最大应力，从拉伸实验的LF曲线可以看出，试件并非在最大荷载时断裂。试件在拉过最大荷载后，仍有确定的承载力，低碳钢拉伸的过程中试件的应变持续增加，而应变是由应力引起的，低碳钢拉伸的过程同样也是一个应力持续增加的过程，试件的最大应力应为试件断裂时的应力。虽然，按公式0/SFbb得到抗拉强度极限为名义值，但这种计算办法有利于工程设计，有着普遍的工程意义。(4)颈缩和断裂阶段BK对于塑性材料来说，在承受拉力bF以前，试样发生的变形各处基本上是均匀的。但在达到bF以后，变形主要集中于试件的某一局部区域，该处横截面面积急剧减小，这种现象即是“颈缩”现象，此时拉力随之下降，直至试件被拉断，其断口形状成杯锥状。试件拉断后，弹性变形消失，而塑性变形则保留在拉断的试件上。利用试件标距内的塑性变形及试件断裂时的荷载来计算材料的断裂伸长率、断面收缩率及断裂应力的估算值。断裂伸长率：%10000LLLk式中，-延伸率，0L-原始标距，KL-断后标距。断面收缩率：%10000AAAk式中，-延伸率，0A-原始截面面积，KA-断后最小截面面积。断裂应力估算值：kkkAF/式中，k-断裂应力估算值，kF-断裂荷载，KA-断裂处最小截面面积。由延伸率的定义可以看出，为标距长度范围内延伸的均值，实际上由于试件的颈缩导致试件在标距范围内的变形并不均匀，若事先在试件表面做等长的标记，将试件分成等长的多段小标距，断裂后会发现，小标距离颈缩点越近变形越大，离颈缩点越远变形越小，且呈对称分布，最终趋于变形均匀。这样同样材质、同样直径的试件采用不同的标距进行计算时会有不同的，为了使材料拉伸实验的结果具有可比性与符合性，国家已制订统一标准(简称国标)GB6397—86《金属拉伸试验试样》、GB228—87《金属拉伸试验方法》。规定拉伸试件分为比例和定标距两种，表面分为经机加工试祥和不经机加工的全截面试件，通常多采用经机加工的圆形截面试件或矩形截面试件比例试样标距0L按公式00SKL确定，式中0S为试件的截面面积，系数K通常为5.65或11.3，前者称为短试件，后者为长试件。对于直径为10mm的试件而言，短、长试件的标距0L应分等于50mm及100mm,即005dL或0010dL，对应的延伸率分别定义为5和10。通常，延伸率小的材料多采用短标距试件，延伸率大的材料多采用长标距试件。同样由于低碳钢试件颈缩变形的不均匀性和梯次递减的特性，同样的试件，当断口在中间时和断口在靠近边缘时会有一定的差异，这样不利于数据的相互比较，为减小由于断口位置导致的误差，GB228—87规定：若断口距标距端点的距离小于或等于L0/3时，则需要用“移位法”来计算LK。其方法是：以断点为中心，利用长段上相对应的变形格的长度加到短段已有的变形格上，使短段的计算变形格数为N/2或N/2-1个（N为原始有效标距的个数），加上长段的N/2或N/2+1个格数的长度，就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，假定断口在试件的中间，则有L1≈L1’，L2≈L2’，L3≈L3’……，L1＞L2＞L3……。这样通过移位处理就可以减小由于试件断裂位置不同引起的误差。图1.7为金属材料移位处理示意图图1.7位法处理示例从上图可以看出：不进行移位处理时LK=LAD+LDB，进行移位处理后LK=LAD+LCD，由于试件断裂的不均匀性可知：LCD＞LDB，因此经移位处理后的LK大于未移位处理的LK，且其更接近于断点在试件中间的情形，这样有利于提高实验结果的相符性及可比性。通过断裂应力估算值k的计算，并将其与名义拉伸强度b相比较，可以明显地看出k＞b，由于公式kkkAF/中，KA为断裂后的测量值，且试件颈缩过程中有一定的应力分布不均匀现象，所以，k为估算值，但其较接近真值。这样通过对低碳钢拉伸实验过程中LF曲线的分析就可以得到反映低碳钢抵抗拉伸荷载的力学性能指标：屈服强度：s，抗拉强度：b，延伸率：5/10，断面收缩率：，断裂应力：k。同样通过对铸铁试件LF曲线的分析就可以得到反映铸铁抵抗拉伸荷载的相应力学性能指标，对于典型的脆性材料铸铁，观察其LF曲线可发现在整个拉伸过程中变形很小，无明显的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部变形阶段，在达到最大拉力时，试样断裂。观察实验现象可发现无屈服、颈缩现象，其断口是平齐粗糙的，属脆性破坏但由于铸铁在拉伸实验过程中没有表现出塑性指标，所以，在拉伸实验过程中只能测得其抗拉强度：b。4、实验方案4.1实验设备、测量工具及试件YDD-1型多功能材料力学试验机（图1.8）、150mm游标卡尺、标准低碳钢、铸铁拉伸试件（图1.1）。YDD-1型多功能材料力学试验机由试验机主机部分和数据采集分析两部分组成，主机部分由加载机构及相应的传感器组成，数据采集部分完成数据的采集、分析等。试件采用标准圆柱体短试件，为方便观测试件的变形及判定延伸率，试验前需用游标卡尺测量出试件的最小直径，并根据试件的最小直径（0d）确定标距的长度（0L,需进行必要的修约），并在标距长度内均匀制作标记，为方便数据处理，通常将标距长度10等份刻痕。常用的标记方式有：机械刻痕、腐蚀刻痕、激光刻痕等。图1.1为已进行刻痕处理的低碳钢拉伸短试件。4.2装夹、加载方案安装好的试件如图1.9所示。实验时，装有夹头的试件通过夹头与试验机的上、下夹头相联接，上夹头通过铰拉杆与试验机的上横梁呈铰接状态，实验时，当油缸下行带动下夹头向下移动并与夹头相接触时，试件便受到轴向拉力。加载过程中通过控制进油手轮的旋转来控制加载速度。图1.8YDD-1型多功能材料力学试验机图1.9安装好的拉伸试件图1.10实测低碳钢拉伸实验曲线图1.11实测铸铁拉伸实验曲线4.3数据测试方案试件所受到的拉力通过安装在油缸底部的拉、压力传感器测量，变形通过安装在油缸活塞杆内的位移传感器测量。4.4数据的分析处理数据采集分析系统，实时记录试件所受的力及变形，并生成力、变形实时曲线及力、变形X-Y曲线，图1.10为实测低碳钢拉伸实验曲线，图1.11为实测铸铁拉伸实验曲线在图1.10中左窗口，力、变形实时曲线，上部曲线为试件所受的力，下部曲线为试件的变形。右窗口，力、变形的X-Y曲线，从力变形的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。在左窗口中，通过移动光标可以方便地读取所需要的数据，屈服荷载sF、极限荷载bF、断裂荷载kF。实验中需要的其它数据，原始标距断裂后的长度KL、断裂处最小截面面积KA，依据实验要求由游标卡尺直接或间接测量。在图1.11中，透过移动光标可得到铸铁拉伸的极限荷载bF，通过峰值光标或利用统计功能可方便得到极限荷载。得到相关数据后，依据实验原理，就可以得到所需要的力学指标。5、完成实验预习报告在了解实验原理、实验方案及实验设备操作后，就应该完成实验预习报告。实验预习报告包括：明确相关概念、预估试件的最大载荷、明确操作步骤等，在完成预习报告时，有些条件实验指导书已给出（包括后续的试验操作步骤简介）、有些条件为已知条件、有些条件则需要查找相关标准或参考资料。通过预习报告的完成，将有利于正确理解及顺利完成实验。有条件的同学可以利用多媒体教学课件，分析以往的实验数据、观看实验过程等。完成实验预习报告，并获得辅导教师的认可，是进行正式实验操作的先决条件。6、实验操作步骤简介6.1试件原始参数的测量及标距的确定实验采用标准短试件，试件形状见图1.6，用游标卡尺在标距长度的中央和两端的截面处，按两个垂直的方向测量直径，取其算术平均值，选用三处截面中最小值进行计算。依据测得的直径确定标距长度（0S65.5）并修约到最接近的5mm的倍数的长度，并在原始标距长度L0范围内标记十等分格用于测量试件破坏后的伸长率。6.2装夹试件6.2.1旋转上夹头使之与上横梁为铰接