中山大学工学院、理论与应用力学刘广编制 实验编号及题目：实验一 低碳钢、铸铁拉伸试验 《材料力学》课程实验报告纸 院系：工学院 专业：理论与应用力学 年级：2011 级 实验人姓名：刘广 参加人姓名：刘广、马鹏程、杨航、罗嘉辉、林泽鹏、 刘志豪、林静榕、刘海峰 日期：2012 年10 月18 号 温度：28°C 学号 实验一：低碳钢、铸铁拉伸试验 一、实验目的 本试验以低碳钢和铸铁为代表，了解塑性材料在简单拉伸时的机械性质。它是力学性能 试验中最基本最常用的一个。一般工厂及工程建设单位都广泛利用该实验结果来检验材料的 机械性能。试验提供的 E，R ，R ，A 和Z 等指标，是评定材质和进行强度、刚度计算的重要 eL m 依据。本试验具体要求为： 1.了解材料拉伸时力与变形的关系，观察试件破坏现象。 2．测定强度数据，如屈服点R ，抗拉强度R 。 eL m 3．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。 4．比较塑性材料与脆性材料在拉伸时的机械性质。 二：实验仪器与设备: ① 微机控制电液伺服万能试验机 型号SHT5305 最大负荷300kN 1 台 ② 全数字闭环测控系统 型号DCS-300 1 台 ③ 电子引伸计 1 个 ④ 游标卡尺 0-150mm 最小刻度0.02mm ⑤ 刻度尺 0-30cm 最小刻度0.5mm ⑥ 橡皮筋 2 条 三、实验原理 进行拉伸试验时，外力必须通过试样轴线,以确保材料处于单向应力状态。一般试验机都 设有自动绘图装置，用以记录试样的拉伸图即 F- ΔL 曲线，形象地体现了材料变形特点以及 各阶段受力和变形的关系。但是 F- ΔL 曲线的定量关系不仅取决于材质而且受试样几何尺寸 的影响。因此，拉伸图往往用名义应力、应变曲线来表示： R ? ——试样的名义应力 Page 1 of 11 中山大学工学院、理论与应用力学刘广编制 实验编号及题目：实验一 低碳钢、铸铁拉伸试验 《材料力学》课程实验报告纸 院系：工学院 姓名：刘广 学号 日期：2012 年10 月18 号 ? ? ——试样的名义应变 S 和 L 分别代表初始条件下的面积和标距。R- ε曲线与F- ΔL 曲线相似，但消除了几何 0 0 尺寸的影响。因此，能代表材料的属性。单向拉伸条件下的一些材料的机械性能指标就是在 R- ε曲线上定义的。如果试验能提供一条精确的拉伸图，那么单向拉伸条件下的主要力学性 能指标就可精确地测定。 不同性质的材料拉伸过程也不同，其 R- ε曲线会存在很大差异。低碳钢和铸铁是性质截 然不同的两种典型材料，它们的拉伸曲线在工程材料中十分典型，掌握它们的拉伸过程和破 坏特点有助于正确、合理地认识和选用材料。 低碳钢具有良好的塑性，由R- ε曲线 比例系数E 代表直线OA 的斜率，称作材料的弹性模量。 屈服 L ，S 分别代表试样拉断后的标距和断口的面积。 u u 低碳钢颈缩部分的变形在总变形中占很大比重如图 1-2 所示。测试断后伸长率时，颈缩 局部及其影响区的塑性变形都应包含在 L 之内。这就要求断口位置应在标距的中央附近。若 断口落在标距之外则试验无效。 工程上通常认为，材料的断后伸长率 A 5%属于韧断，A 5%则属于脆断。韧断的特征是 断裂前有较大的宏观塑性变形，断口形貌是暗灰色纤维状组织。低碳钢断裂时有很大的塑性 变形，断口为杯状周边为 45°的剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状，因此是一种典型的韧状 铸铁是典型的脆性材料，其拉伸曲线如图 1-1 所示。其拉伸过程较低碳钢简单，可 近似认为是经弹性阶段直接过渡到断裂。其破坏断口沿横截面方向，说明铸铁的断裂是由拉 应力引起，其强度指标只有 R 。由拉伸曲线可见，铸铁断后伸长率甚小，所以铸铁常在没有 任何预兆的情况下突然发生脆断。因此这类材料若使用不当，极易发生事故。铸铁断口与正 应力方向垂直，断面平齐为闪光的结晶状组织，是典型的脆状断口。 Page 3 of 11 中山大学工学院、理论与应用力学刘广编制 实验编号及题目：实验一 低碳钢、铸铁拉伸试验 《材料力学》课程实验报告纸 院系：工学院 姓名：刘广 学号 日期：2012 年10 月18 号 多数工程材料的拉伸曲线介于低碳钢和铸铁之间，常常只有两个或三个阶段如图 1-3。但 强度、塑性指标的定义和测试方法基本相同。所以，通过拉伸破坏试验，分析比较低碳钢和 铸铁的拉伸过程，确定其机械性能，在机械性能试验研究中具有典型意义。 四：试样的制备 试样制备是试验的重要环节。国家标准《金属拉伸试验试样》GB6397-86 对此有详细规定。 通常拉伸试样有比例试件和定标准试件两种。 一般拉伸试样由三部分组成，即工作部分，过渡部分和夹持部分。工作部分必 须保持光滑均匀以确保材料表面的单向应力状态。均匀部分的有效工作长度 L 称做标距。d 0 0、 S 分别代表工作部分的直径和面积。过渡部分必须有适当的台肩和圆角，以降低应力集中，保 持该处不会断裂。试样两端的夹持部分用以传递载荷，其形状尺寸应与试验机的钳口相匹配。 R 0.8 图1-4 圆形截面拉伸试件 Page 4 of 11 中山大学工学院、理论与应用力学刘广编制 实验编号及题目：实验一 低碳钢、铸铁拉伸试验 《材料力学》课程实验报告纸 院系：工学院 姓名：刘广 学号 日期：2012 年10 月18 号 前已述及，颈缩局部及其影响区的塑性变形在断后伸长率中占很大的比重。虽然，同种材 料的断后伸长率不仅取决于材质，而且还取决于试样的标距。试样愈短、局部变形所占比例 愈大，A 也就愈大。为了便于相互比较，试样的长度应当标准化。按照规定，测试断后伸长率 应当采用比例试样。比例试样的长度有两种规定： 10 倍直径圆试样： L ?10d , 即 0 ?11.3 0 0 5 倍直径圆试样： L ? d 0 0 5 0 , 即 ? 5.65 按照上述比例，板试样也分长、短两种： 长试样： L0 ?11.3 S0 短试样： L0 ?5.65 S0 用 10 倍直径试样测定的断后伸长率记做A ，用5 倍直径试样测定的断后伸长率记做A 国家 u0 5 标准推荐使用短比例试样。 五：实验步骤: 低碳钢拉伸: ① 用游标卡尺在低碳钢试件的两端和中央的三个截面上测量直径，每个截面在互相垂直的两 个方向各测一次，取其平均值，并用三个平均值中最小者作为计算截面积的直径d ，并计 算出截面积S 值。 用刻度尺在低碳钢试件两端间取10d 的距离作为原长度l ，做上标记，并平均分成10 格，同 0 0 样做上标记。 ②打开万能试验机，先把试件安装在试验机的上夹头内，用橡皮筋将电子引伸计固定在试件 标记l 长度内，再移动下夹头，使其达到适当的位置，此时清零电脑记录的所有数据后， 把试件下端夹紧。 Page 5 of 11 中山大学工学院、理论与应用力学刘广编制 实验编号及题目：实验一 低碳钢、铸铁拉伸试验 《材料力学》课程实验报告纸 院系：工学院 姓名：刘广 学号 日期：2012 年10 月18 号 ③点击电脑中表示“开始”的箭头按钮，开始拉伸试验，此间数据由电脑记录。 ④ 当电脑提示取下引伸计时，取下引伸计。 ⑤拉断试件后，打印电脑记录数据及图像，取下断裂的两截试件。 ⑥用游标卡尺测量上下两截断截口处的截面直径，每个截面在互相垂直的两个方向各测一 次，取其平均值，取最小值作为计算截面积的直径 d，计算此时截面积 S ，同时计算断面 收缩率 S ?S ? ? ?100% 。 ⑦将试件两截拼合后用刻度尺测量拉伸后试件长度，测量三次取平均值为 l，同时计算伸长 l ?l ?? 0 ?100% 。 实验结束，收拾好实验用品。 铸铁拉伸： ①用游标卡尺在铸铁试件的两端和中央的三个截面上测量直径，每个截面在互相垂直的两个 方向各测一次，取其平均值，并用三个平均值中最小者作为计算截面积的直径d ，并计算 出截面积S0 值。 ②用刻度尺在铸铁试件两端间取10d 的距离作为原长度l ，做上标记。 0 0 ③打开万能试验机，先把试件安装在试验机的上夹头内，再移动下夹头，使其达到适当的位 置，此时清零电脑记录的所有数据后，把试件下端夹紧。 ④点击电脑中表示“开始”的箭头按钮，开始拉伸试验，此间数据由电脑记录。 ⑤拉断试件后，打印电脑记录数据及图像，取下断裂的两截试件。 Page 6 of 11 中山大学工学院、理论与应用力学刘广编制 实验编号及题目：实验一 低碳钢、铸铁拉伸试验 《材料力学》课程实验报告纸 院系：工学院 姓名：刘广 学号 日期：2012 年10 月18 号 ⑥用游标卡尺测量上下两截断截口处的截面直径，每个截面在互相垂直的两个方向各测一 次，取其平均值，取最小值作为计算截面积的直径 d，计算此时截面积 S ，同时计算断面 收缩率 S ?S ? ? 0 ?100% 。 ⑦将试件两截拼合后用刻度尺测量拉伸后试件长度，测量三次取平均值为l，同时计算伸长 l ?l ?? 0 ?100% 。 ⑧实验结束，收拾好实验用品。 实验数据与数据处理： 低碳钢： 截面直径d 测量 位置 第一次测量 第二次测量 上部 10.00mm 10.00mm 中部 10.00mm 10.00mm 下部 10.00mm 10.00mm 断面直径d 位置 第一次测量 第二次测量 上半段 5.70mm 5.70mm 下半段 5.70mm 5.70mm 断裂后长度l 第一次 第二次 第三次 l 124.16mm 124.16mm 124.16mm 断裂处位于 由上至下 第5 格 由下至上 第6 格 断裂上半截呈凸状 下半截呈凹状 Page 7 of 11 中山大学工学院、理论与应用力学刘广编制 实验编号及题目：实验一 低碳钢、铸铁拉伸试验 《材料力学》课程实验报告纸 院系：工学院 姓名：刘广 学号 日期：2012 年10 月18 号 截面直径d ： 位置 第一次测量 第二次测量 上部 10.00mm 10.00mm 中部 10.00mm 10.00mm 下部 10.00mm 10.00mm 断面直径d 位置 第一次测量 第二次测量 上半段 10.00mm 10.00mm 下半段 10.00mm 10.00mm 断裂后长度l 第一次 第二次 第三次 l 110.06mm 110.06m 110.06m 断裂处距下端a 第一次 第二次 0.92cm 0.95cm 六、实验结果的处理 1.强度指标计算 屈服极限 ReL ? eL 强度极限 R ? m m S 屈服载荷F 取屈服平台的下限值。F 取F- ΔL 曲线的最大载荷。铸铁不存在屈服阶段故只记 eL m 2.塑性指标的计算 L ?L 断后伸长率 A u 0 ??100% Page 8 of 11 中山大学工学院、理论与应用力学刘广编制 实验编号及题目：实验一 低碳钢、铸铁拉伸试验 《材料力学》课程实验报告纸 院系：工学院 姓名：刘广 学号 日期：2012 年10 月18 号 S ?S 断面收缩率 Z ? 0 u ?100% 将自动绘图器绘出的图形用光滑曲线联结，并延长直线部分使之交于坐标原点。修正后绘方 格纸上，并注明比例尺，即方格上每一厘米代表若干载荷和伸长。 绘出低碳钢和铸铁试件试验前后的形状图形。 低碳钢： FeH 28.56kN 上屈服度:ReH? ? ? 0.3638GPa A ?10?2 ? 2 ??? ? m ? 2 ? FeH 25.99kN 下屈服度：ReL= ? ? 0.33108GPa A ?10?2 ? 2 ??? ? m ? 2 ? Fm 35.87kN 抗拉强度：Rm= ? ?0.45694GPa A ?10?2 ? 2 ??? ? m ? 2 ? L ?L 124.16?100 断后伸长率：A= 1 0 ?100% ??100% 24.16% L 100 2 2 ? ?2 ? ? ?3 ? 10 5.70?10 ? ?? ? ?? ?? ? A ?A ? 2 ? ? 2 ? 截面收缩率：ψ= 1 0 ?100% ??100% 67.51% A ? ?2 ? 0 10 ? ?? ? ? 2 ? Fm 13.21kN 抗拉强度：Rm= 0.16828GPa A ? ?2 ? 10 2 ? ?? ? m ? 2 ? L ?L 110.06 ?100 断后伸长率：A= 1 0 ?100% ? ?100% ?10.06% L 100 以上数据均符合实验要求。 Page 9 of 11 中山大学工学院、理论与应用力学刘广编制 实验编号及题目：实验一 低碳钢、铸铁拉伸试验 《材料力学》课程实验报告纸 院系：工学院 姓名：刘广 学号 日期：2012 年10 月18 号 低碳钢和铸铁应力应变曲线见最后附表。 低碳钢端口截面图如下： 铸铁截面图如下： 实验课后思考： 1. 实验时如何观察低碳钢的屈服点？测定时为何对加载速度提出要求？ 答：在实验中，当应力超过某一点增加到某一值时，应变有非常明显的增大，而应力是先 下降，然后作微小的波动，在σ-ε 曲线上出现接近水平的小锯齿形折线。像这种应力基本 保持不变、而应变显著增加的现象就是屈服。在低碳钢试验时，我们可以边观察电脑屏幕 上的 σ-ε 曲线，当曲线出现以上现象时就代表低碳钢出现了屈服点。 在室温下，以缓慢平稳的加载方式进行试验，称为常温静载试验，是测定材料力学性能的 基本实验。在进行荷载加载时，必须缓慢加载才可以达到常温静载试验的要求。假如加载 速度过快，则会导致材料的各项数据短时间内发生剧烈变动，导致测量误差过大。 2. 为什么低碳钢拉伸时会发生颈缩现象？ 答：在σ-ε 曲线中，当应变超过某一点，在试样的某一局部范围内，横向尺寸突然急剧缩小， 形成颈缩现象。低碳钢是含碳量在0.3%以下的碳素钢，且断面收缩率 5%的塑性材料.其内部 Page 10 of 11 中山大学工学院、理论与应用力学刘广编制 实验编号及题目：实验一 低碳钢、铸铁拉伸试验 《材料力学》课程实验报告纸 院系：工学院 姓名：刘广 学号 日期：2012 年10 月18 号 结构具有的有序耗散决定其在拉伸时具有屈服和颈缩现象。 3. 对低碳钢和铸铁试件拉伸时的断口形状进行描述，并分析破坏原因。 答：低碳钢断口有明显的塑性破坏产生的光亮倾斜面，倾斜面倾角与试样轴线近似成45 度，这部分材料的断裂是由于切应力造成的，中心部分为粗糙平面，塑性越大对应杯 状断口越大，中心粗糙平面的面积越小。而铸铁没有任何的倾斜侧面，断口平齐，并垂直于 拉应力，属典型的脆性断口。故当拉应力达到其极限时，就会发生断裂，且断口平齐。 Page 11 of 11
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