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工力实验实验报告
实验一金属材料拉伸实验
拉伸实验是测定材料在常温静载下机械性能的最基本和重要的实验之一。这不仅因为拉伸实验简便易行,便于分析,且测试技术较为成熟。更重要的是,工程设计中所选用的材料的强度、塑形和弹性模量等机械指标,大多数是以拉伸实验为主要依据。
实验目的
1、验证胡可定律,测定低碳钢的E。
2、测定低碳钢拉伸时的强度性能指标:屈服应力Rel和抗拉强度Rm。
3、测定低碳钢拉伸时的塑性性能指标:伸长率A和断面收缩率Z
4、测定灰铸铁拉伸时的强度性能指标:抗拉强度Rm
5、绘制低碳钢和灰铸铁拉伸图,比较低碳钢与灰铸铁在拉伸树的力学性能和破坏形式。
实验设备和仪器
万能试验机、游标卡尺,引伸仪
实验试样
本试验采用经机加工的直径d=10mm的圆形截面比例试样,其是根据国家试验规范的规定进行加工的。它有夹持、过渡和平行三部分组成(见图2-1),它的夹持部分稍大,其形状和尺寸应根据试样大小、材料特性、试验目的以及试验机夹具的形状和结构设计,但必须保证轴向的拉伸力。其夹持部分的长度至少应为楔形夹具长度的3/4(试验机配有各种夹头,对于圆形试样一般采用楔形夹板夹头,夹板表面制成凸纹,以便夹牢试样)。机加工带头试样的过渡部分是圆角,与平行部分光滑连接,以保证试样破坏时断口在平行部分。平行部分的长度Lc按现行国家标准中的规定取Lo+d,Lo是试样中部测量变形的长度,称为原始标距。
实验原理
按我国目前执行的国家GB/T228—2002标准——《金属材料室温拉伸试验方法》的规定,在室温10℃~35℃的范围内进行试验。
图2-1机加工的圆截面拉伸试样
将试样安装在试验机的夹头中,固定引伸仪,然后开动试验机,使试样受到缓慢增加的拉力(应根据材料性能和试验目的确定拉伸速度),直到拉断为止,并利用试验机的自动绘图装置绘出材料的拉伸图(图2-2所示)。
应当指出,试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形ΔL主要是整个试样(不只是标距部分)的伸长,还包括机器的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素。由于试样开始受力时,头部在夹头内的滑动较大,故绘出的拉伸图最初一段是曲线。
(a)低碳钢拉伸曲线图(b)铸铁拉伸曲线图
图2-2由试验机绘图装置绘出的拉伸曲线图
低碳钢(典型的塑性材料)
当拉力较小时,试样伸长量与力成正比增加,保持直线关系,拉力超过FP后拉伸曲线将由直变曲。保持直线关系的最大拉力就是材料比例极限的力值FP。
在FP的上方附近有一点是Fc,若拉力小于Fc而卸载时,卸载后试样立刻恢复原状,若拉力大于Fc后再卸载,则试件只能部分恢复,保留的残余变形即为塑性变形,因而Fc是代表材料弹性极限的力值。
图2-3低碳钢的冷作硬化
当拉力增加到一定程度时,试验机的示力指针(主动针)开始摆动或停止不动,拉伸图上出现锯齿状或平台,这说明此时试样所受的拉力几乎不变但变形却在继续,这种现象称为材料的屈服。低碳钢的屈服阶段常呈锯齿状,其上屈服点B′受变形速度及试样形式等因素的影响较大,而下屈服点B则比较稳定(因此工程上常以其下屈服点B所对应的力值FeL作为材料屈服时的力值)。确定屈服力值时,必须注意观察读数表盘上测力指针的转动情况,读取测力度盘指针首次回转前指示的最大力FeH(上屈服荷载)和不计初瞬时效应时屈服阶段中的最小力FeL(下屈服荷载)或首次停止转动指示的恒定力FeL(下屈服荷载),将其分别除以试样的原始横截面积(S0)便可得到上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。即
ReH=FeH/S0ReL=FeL/S0
屈服阶段过后,虽然变形仍继续增大,但力值也随之增加,拉伸曲线又继续上升,这说明材料又恢复了抵抗变形的能力,这种现象称为材料的强化。在强化阶段内,试样的变形主要是塑性变形,比弹性阶段内试样的变形大得多,在达到最大力Fm之前,试样标距范围内的变形是均匀的,拉伸曲线是一段平缓上升的曲线,这时可明显地看到整个试样的横向尺寸在缩小。此最大力Fm为材料的抗拉强度力值,由公式Rm=Fm/S0即可得到材料的抗拉强度Rm。
如果在材料的强化阶段内卸载后再加载,直到试样拉断,则所得到的曲线如图2-3所示。卸载时曲线并不沿原拉伸曲线卸回,而是沿近乎平行于弹性阶段的直线卸回,这说明卸载前试样中除了有塑性变形外,还有一部分弹性变形;卸载后再继续加载,曲线几乎沿卸载路径变化,然后继续强化变形,就像没有卸载一样,这种现象称为材料的冷作硬化。显然,冷作硬化提高了材料的比例极限和屈服极限,但材料的塑性却相应降低。
当荷载达到最大力Fm后,示力指针由最大力Fm缓慢回转时,试样上某一部位开始产生局部伸长和颈缩,在颈缩发生部位,横截面面积急剧缩小,继续拉伸所需的力也迅速减小,拉伸曲线开始下降,直至试样断裂。此时通过测量试样断裂后的标距长度Lu和断口处最小直径du,计算断后最小截面积(Su),由计算公式
、
即可得到试样的断后伸长率A和断面收缩率Z。
铸铁(典型的脆性材料)
脆性材料是指断后伸长率A<5%的材料,其从开始承受拉力直至试样被拉断,变形都很小。而且,大多数脆性材料在拉伸时的应力-应变曲线上都没有明显的直线段,几乎没有塑性变形,也不会出现屈服和颈缩等现象(如图2-2b所示),只有断裂时的应力值——强度极限。
铸铁试样在承受拉力、变形极小时,就达到最大力Fm而突然发生断裂,其抗拉强度也远小于低碳钢的抗拉强度。同样,由公式Rm=Fm/S0即可得到其抗拉强度Rm,而由公式则可求得其断后伸长率A。
进行实验
低碳钢拉伸实验
本小组在万能试验机上进行了低碳钢的拉伸实验,得到了如下图所示的拉力图
由图中我们可以看出实验结果与实验原理吻合的相当好,有明显的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。其次,在强化过程中,有一条向下的竖线,那时我们在卸去载荷后所得到的曲线,验证了材料的冷作硬化。
图2-5是低碳钢拉断后的断口形状我们可以清楚的看到断口的形状呈现杯锥状
若是单纯的用最大拉应力强度理论来分析,则断口的形状应该比较平整:若是用最大剪应力来分析,则形状该是呈现45斜面。这两种原理都不符合实验的结果。通过课后查阅资料得知,材料的破坏是多种因素共同作用的结果,可能是剪断也可能是拉断,这主要取决于破坏的方式和应力状态分布。一般认为,像我们实验用的材料和拉伸方式,最终试样的中心区域不是发生剪断而是脆性拉断,最外面的部分才沿具有最大剪应力的45斜面上剪断,形成杯锥状的断口。
重要的实验结果:
屈服极限Rel(N/mm^2)
强度极限Rm(N/mm^2)
弹性模量E(N/mm^2)
断面收缩率Z
断后延伸率A
最大拉力Fm(kN)
256
430
21%
51%
在完成低碳钢的拉伸实验后我们又进行了灰铸铁的拉伸实验,绘制的拉力图:
同样的,这条实验曲线与理论曲线吻合的很好,证明这次试验很成功。
灰铸铁的断口形状比较平整,原因是灰铸铁是脆性材料,在应力不太大的情况下就被拉断。
小结与讨论
1、我们将低碳钢和灰铸铁拉断后的试样放在一起比较如图2-7所示,可以很清楚的看到上述的结论——低碳钢的断口是杯锥状而灰铸铁的比较平整。同时我们也会发现灰铸铁的断口在过度部分和工作部分相交处,因为那里有截面的变化,应力集中,对于脆性材料来说,它对应力集中比较敏感。
灰铸铁
低碳钢
2、低碳钢和灰铸铁在常温静载下力学性能的差异:低碳钢是典型的塑性材料,在断裂前变形较大,塑性指标较高,抵抗拉断的能力较好,其常用的强度指标是屈服极限,而且,一般来说,在拉伸和压缩时的屈服极限值相同。灰铸铁是脆性材料,在断裂前的变形较小,塑性指标较低,其强度指标是强度极限,而且其拉伸强度远低于压缩强度。但是材料是塑性的还是脆性的,将随材料所处的温度,应变率和应力状态等条件的变化而不同。
实验二金属材料的压缩实验
实验目的
测定低碳钢压缩时的屈服应力Rec。
测定灰铸铁压缩时的抗压强度Rbc。
观察、比较低碳钢与灰铸铁在压缩时的变形特点和破坏形式。
实验设备和仪器
万能实验机
游标卡尺。
实验试样
按照国家标准GB7314-2002《金属压缩实验方法》,金属压缩试样的形状随着产品的品种、规格以及实验目的的不同而分为圆柱试样、正方形柱体试样和样板试样三种。
实验原理与方法
测定低碳钢在压缩过程中的强度性能指标
低碳钢在压缩过程中,当应力小于屈服应力时,其变形情况与拉伸时基本相同。当达到屈服应力后,试样产生塑性变形,随着压力的继续增加,试样的横截面积面积不断变大直至被压扁。故只能测其屈服载荷Fec,进而计算出屈服应力Rec。
2)测定灰铸铁压缩时的强度性能指标
灰铸铁在压缩过程中,当试样的变形很小时即发生破坏,故只能测其破坏时的最大载荷Fbc,即可得到抗压强度Rbc。
实验步骤
检查试样两端面的光洁度和平行度,并涂上润滑油。用游标卡尺测量并记录试样的原始尺寸。
检查上下承垫是否符合平整的要求。
快速移动实验机横梁,将上下压头调整至合适位置。
将试样放进万能试验机的上下承垫之间,并检查对中情况。
设置实验数据。
开始实验均匀缓慢加载,注意读取低碳钢的屈服载荷Fec和灰铸铁的最大载荷Fbc,并注意观察试样的变形现象。
实验结果
低碳钢:屈服载荷Fs=
屈服极限Rec=289MPa
铸铁:极限载荷Fm=
强度极限Rbc=719MPa
实验三金属材料的扭转实验
实验目的
测定低碳钢扭转时的强度性能指标:剪切屈服极限和剪切强度极限。
测定灰铸铁扭转时的强度性能指标:剪切强度极限。
绘制低碳钢和灰铸铁的扭转图,比较低碳钢和灰铸铁的扭转破坏形式。
了解电子式扭转试验机的构造、原理和操作方法。
实验设备和仪器
扭转实验及
游标卡尺
实验试样
按照国家标准GB10128-2007《金属室温扭转实验方法》,金属扭转试样的形状随着产品的品种、规格以及实验目的不同而分为圆形截面试样和管形截面试样两种。其中最常用的是圆形截面试样,本实验中就是圆形截面试样,试样形状建下图:
实验原理与方法
扭转力学性能实验
试样在外力偶矩的作用下,其上任意一点处于纯剪切应力状态。随着外力偶矩的增加,力矩与扭转角成线性关系,直至力矩的示数值出现一个维持的平台,这时所指示的外力偶矩的数值即为屈服扭矩,按弹性扭转公式计算的剪切屈服应力为
()
式中:为试样在标距内的抗扭截面系数。
在测出屈服扭矩后,可加快试验机加载速度,直到试样被扭断为止。试验机记录下最大扭矩,剪切强度极限为
()
如上所述,名义剪切应力等,是按弹性公式计算的,它是假设试样横截面上的剪应力为线性分布,外表最大,形心为零,这在线弹性阶段是对的。
测定灰铸铁扭转时的强度性能指标
对于灰铸铁试样,只需测出其承受的最大外力偶矩,抗扭强度为
()
低碳钢试样的端口与轴线垂直,表明破坏是由切应力引起的;而灰铸铁试样的断口则沿螺旋线方向与轴线约成45,表明破坏是由拉应力引起的。
实验步骤
测量试样的直径(方法与拉伸试验相同)。