實(shí)驗(yàn)一低碳鋼和鑄鐵的拉伸實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊鬁y定低碳鋼的流動(dòng)極限、強(qiáng)度極限、延伸率、截面收縮率和鑄鐵的強(qiáng)度極SB限。B低碳鋼和鑄鐵在拉伸過程中表現(xiàn)的現(xiàn)象，繪出外力和變形間的關(guān)系曲線（曲LF線）。比較低碳鋼和鑄鐵兩種材料的拉伸性能和斷口情況。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器CMT5504/5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺等圖11CMT5504/5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)三、拉伸試件金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)常用的試件形狀如圖所示。圖中工作段長度稱為標(biāo)距，試件的拉L伸變形量一般由這一段的變形來測定，兩端較粗部分是為了便于裝入試驗(yàn)機(jī)的夾頭內(nèi)。低碳鋼拉伸鑄鐵拉伸四、實(shí)驗(yàn)原理和方法1低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)低碳鋼試件在靜拉伸試驗(yàn)中，通?？芍苯拥玫嚼烨€，如圖13所示。用準(zhǔn)確的拉伸曲線可直接換算出應(yīng)力應(yīng)變曲線。首先將試件安裝于試驗(yàn)機(jī)的夾頭內(nèi)，之后勻速圖12拉伸試件緩慢加載加載速度對(duì)力學(xué)性能是有影響的，速度越快，所測的強(qiáng)度值就越高，試樣依次經(jīng)過彈性、屈服、強(qiáng)化和頸縮四個(gè)階段，其中前三個(gè)階段是均勻變形的。圖13低碳鋼拉伸曲線1彈性階段是指拉伸圖上的段，沒有任何殘留變形。在彈性階段，載荷與變OA形是同時(shí)存在的，當(dāng)載荷卸去后變形也就恢復(fù)。在彈性階段，存在一比例極限點(diǎn)A，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為比例極限，此部分載荷與變形是成比例的。P2屈服階段對(duì)應(yīng)拉伸圖上的BC段。金屬材料的屈服是宏觀塑性變形開始的一種標(biāo)志，是由切應(yīng)力引起的。在低碳鋼的拉伸曲線上，當(dāng)載荷增加到一定數(shù)值時(shí)出現(xiàn)了鋸齒現(xiàn)象。這種載荷在一定范圍內(nèi)波動(dòng)而試件還繼續(xù)變形伸長的現(xiàn)象稱為屈服現(xiàn)象。屈服階段中一個(gè)重要的力學(xué)性能就是屈服點(diǎn)。低碳鋼材料存在上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn)，不加說明，一般都是指下屈服點(diǎn)。上屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)拉伸圖中的B點(diǎn)，記為，即試件發(fā)生屈服而力首次SUF下降前的最大力值。下屈服點(diǎn)記為，是指不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)的屈服階段中的最小力值，SLF注意這里的初始瞬時(shí)效應(yīng)對(duì)于液壓擺式萬能試驗(yàn)機(jī)由于擺的回?cái)[慣性尤其明顯，而對(duì)于電子萬能試驗(yàn)機(jī)或液壓伺服試驗(yàn)機(jī)不明顯。用式11、式12、式13計(jì)算出屈服點(diǎn)、下屈服點(diǎn)和上屈服點(diǎn)。11S0/AF12L13SU0/3強(qiáng)化階段對(duì)應(yīng)于拉伸圖中的CD段。變形強(qiáng)化標(biāo)志著材料抵抗繼續(xù)變形的能力在增強(qiáng)。這也表明材料要繼續(xù)變形，就要不斷增加載荷。在強(qiáng)化階段如果卸載，彈性變形會(huì)隨之消失，塑性變形將會(huì)永久保留下來。強(qiáng)化階段的卸載路徑與彈性階段平行。卸載后重新加載時(shí)，加載線仍與彈性階段平行。重新加載后，材料的比例極限明顯提高，而塑性性能會(huì)相應(yīng)下降。這種現(xiàn)象稱之為冷作硬化。冷作硬化是金屬材料的寶貴性質(zhì)之一。工程中利用冷作硬化工藝的例子很多，如擠壓、冷拔等。D點(diǎn)是拉伸曲線的最高點(diǎn)，載荷為，BF對(duì)應(yīng)的應(yīng)力是材料的強(qiáng)度極限或抗拉極限，記為，用式（14）計(jì)算B14B0/AF4頸縮階段對(duì)應(yīng)于拉伸圖的DE段。載荷達(dá)到最大值后，塑性變形開始局部進(jìn)行。這是因?yàn)樵谧畲筝d荷點(diǎn)以后，冷作硬化跟不上變形的發(fā)展，由于材料本身缺陷的存在，于是均勻變形轉(zhuǎn)化為集中變形，導(dǎo)致形成頸縮。頸縮階段，承載面積急劇減小，試件承受的載荷也不斷下降，直至斷裂。斷裂后，試件的彈性變形消失，塑性變形則永久保留在破斷的試件上。材料的塑性性能通常用試件斷后殘留的變形來衡量。軸向拉伸的塑性性能通常用伸長率和斷面收縮率來表示，計(jì)算公式為1510/01LL16A式中，、分別表示試件的原始標(biāo)距和原始面積；、分別表示試件標(biāo)距的斷后長0LA1LA度和斷口面積。塑性材料頸縮部分的變形在總變形中占很大比例，研究表明，低碳鋼試件頸縮部分的變形占塑性變形的80左右，見圖15。測定斷后伸長率時(shí)，頸縮部分及其影響區(qū)的塑性變形都包含在之內(nèi)，這就要求斷口位置到最鄰近的標(biāo)距線大于，此時(shí)可1L3/0L直接測量試件標(biāo)距兩端的距離得到。否則就要用移位法使斷口居于標(biāo)距的中央附近。若1L斷口落在標(biāo)距之外則試驗(yàn)無效。2鑄鐵拉伸實(shí)驗(yàn)鑄鐵是典型的脆性材料，拉伸曲線如圖17所示，可以近似認(rèn)為經(jīng)彈性階段直接斷裂。斷裂面平齊且為閃光的結(jié)晶狀組織，說明是由拉應(yīng)力引起的。其強(qiáng)度指標(biāo)也只有抗拉強(qiáng)度，用實(shí)驗(yàn)測得的最大力值，除以試件的原始面積，就得到鑄鐵的抗拉強(qiáng)度，BBF0AB即/17B0圖17鑄鐵拉伸曲線圖五、實(shí)驗(yàn)方法與步驟（一）、拉伸實(shí)驗(yàn)、低碳鋼的試件的準(zhǔn)備在試件中段取標(biāo)距既50MM在標(biāo)距兩端用腳標(biāo)規(guī)打5LD上沖眼作為標(biāo)志，用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距范圍內(nèi)測量中間和兩端三處直徑（在每處的兩D個(gè)互相垂直的方向各測一次取其平均值）取最小值作為計(jì)算試件橫截面面積用。鑄鐵拉伸試件的準(zhǔn)備用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距范圍內(nèi)測量中間和兩端三處直徑取最小值作為計(jì)算試件橫截面面積用。、操作步驟1）、開電腦顯示器電源，開控制器電源，開主機(jī)電源；2）、鼠標(biāo)點(diǎn)擊CMT5504/5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)SANS圖標(biāo)，進(jìn)入聯(lián)機(jī)參數(shù)界面，進(jìn)入控制操作界面；3）、點(diǎn)擊右側(cè)上下按鍵使橫梁上下移動(dòng)至和適位置；4）、根據(jù)試樣形式裝上相應(yīng)夾頭；5）、設(shè)定試驗(yàn)方案和試驗(yàn)參數(shù)；6）、傳感器初值置零；7）、點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，開始試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束自動(dòng)停止，點(diǎn)擊生成試驗(yàn)報(bào)告；8）、安裝下一根試樣，重復(fù)步驟8），直到所有試樣全部試驗(yàn)結(jié)束；9）、關(guān)主機(jī)，關(guān)電腦顯示器電源，關(guān)控制器電源，取下拉斷的試件，將斷裂的試件緊對(duì)到一起，用游標(biāo)卡尺測量出斷裂后試件標(biāo)距間的長度，按下式可計(jì)算出低碳鋼的延伸1L率10L將斷裂的試件的斷口緊對(duì)在一起，用游標(biāo)卡尺量出斷口（細(xì)頸）處的直徑，計(jì)算出1D面積；按下式可計(jì)算出低碳鋼的截面收縮率，1A01A11）、清理試驗(yàn)現(xiàn)場。二）、注意事項(xiàng)1、更換試樣夾持裝置時(shí)，注意裝置重心，防止裝置傾倒砸傷人員或砸壞試驗(yàn)機(jī)；2、安裝試樣時(shí)注意盡可能對(duì)中；3、試驗(yàn)時(shí)在試樣周圍設(shè)置護(hù)欄，以防試樣斷裂瞬間飛出傷人；4、試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)意外情況，立即按下試驗(yàn)機(jī)機(jī)座上的紅色急停按鈕，請(qǐng)?jiān)囼?yàn)機(jī)管理人員檢查。5、試驗(yàn)完畢清理并恢復(fù)試驗(yàn)現(xiàn)場，請(qǐng)?jiān)囼?yàn)機(jī)管理人員檢查試驗(yàn)機(jī)狀況，做好試驗(yàn)記錄。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理以表格的形式處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)記錄的原始數(shù)據(jù)，計(jì)算出低碳鋼的、和SB，鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。將計(jì)算結(jié)果填入實(shí)驗(yàn)報(bào)告表。BBC七、思考題（1）由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果比較低碳鋼和鑄鐵的機(jī)械性能有何不同（2）實(shí)驗(yàn)時(shí)如何觀察低碳鋼的屈服極限八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式僅供參考實(shí)驗(yàn)名稱班級(jí)實(shí)驗(yàn)日期報(bào)告人同組者（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）實(shí)驗(yàn)設(shè)備和工具試驗(yàn)機(jī)名稱型號(hào)讀數(shù)精度量具名稱型號(hào)規(guī)格精度（3）實(shí)驗(yàn)原理方法簡述（4）實(shí)驗(yàn)步驟簡述（5）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果處理見表11拉伸試件尺寸表和表12實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和處理結(jié)果。）（6）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制應(yīng)力一應(yīng)變曲線，以及試樣斷口草圖。（7）分析討論和回答思考題。實(shí)驗(yàn)二低碳鋼和鑄鐵的壓縮實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）比較低碳鋼和鑄鐵壓縮變形和破壞現(xiàn)象。（2）測定低碳鋼的屈服極限S和鑄鐵的強(qiáng)度極限B。（3）比較鑄鐵在拉伸和壓縮兩種受力形式下的機(jī)械性能、分析其破壞原因。（4）熟悉壓力試驗(yàn)機(jī)和萬能試驗(yàn)機(jī)的使用方法。一、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備（1）CMT5504/5105電子萬能試驗(yàn)機(jī)。（2）游標(biāo)卡尺。三、試件介紹根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，低碳鋼和鑄鐵等金屬材料的壓縮試件一般制成圓柱形試件。低碳鋼壓縮試件的高度和直徑的比例為32，鑄鐵壓縮試件的高度和直徑的比例為21。試件均為圓柱體。四、實(shí)驗(yàn)原理及方法壓縮實(shí)驗(yàn)是研究材料性能常用的實(shí)驗(yàn)方法。對(duì)鑄鐵、鑄造合金、建筑材料等脆性材料尤為合適。通過壓縮實(shí)驗(yàn)觀察材料的變形過程、破壞形式，并與拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，可以分析不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料強(qiáng)度、塑性的影響，從而對(duì)材料的機(jī)械性能有比較全面的認(rèn)識(shí)。低碳鋼壓縮時(shí)也會(huì)發(fā)生屈服，但并不象拉伸那樣有明顯的屈服階段。因此，在測定PS時(shí)要特別注意觀察。在緩慢均勻加載下，當(dāng)材料發(fā)生屈服時(shí)，讀數(shù)增加緩慢甚至減小，這時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷即為屈服載荷PS。屈服之后加載到試件產(chǎn)生明顯變形即停止加載。這是因?yàn)榈吞间撌軌簳r(shí)變形較大而不破裂，因此愈壓愈扁。橫截面增大時(shí)，其實(shí)際應(yīng)力不隨外載荷增加而增加，故不可能得到最大載荷PB,因此也得不到強(qiáng)度極限，所以在實(shí)驗(yàn)中是以變B形來控制加載的。鑄鐵試件壓縮時(shí)，在達(dá)到最大載荷PB前出現(xiàn)較明顯的變形然后破裂，此時(shí)試驗(yàn)機(jī)讀數(shù)迅速減小，讀取最大載荷PB值，鑄鐵試件最后略呈變形，斷裂面與試件軸線大約呈450。五、實(shí)驗(yàn)步驟1）測量試件的直徑和高度。測量試件兩端及中部三處的截面直徑，取三處中最小一處的平均直徑計(jì)算橫截面面積。2）將試件放在試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)臺(tái)球形支撐板中心處。3）、設(shè)定試驗(yàn)方案和試驗(yàn)參數(shù)；對(duì)于低碳鋼，要及時(shí)記錄其屈服載荷，超過屈服載荷后，繼續(xù)加載，將試件壓成鼓形即可停止加載。鑄鐵試件加壓至試件破壞為止。4）、初值置零；5）、點(diǎn)擊開始試驗(yàn)按鈕，開始試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束自動(dòng)停止，生成試驗(yàn)報(bào)告；6）、安裝下一根試樣，重復(fù)步驟8），直到所有試樣全部試驗(yàn)結(jié)束；7）、打印試驗(yàn)報(bào)告；六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）讀取記錄低碳鋼的屈服極限S（20APS1）（2）讀取記錄鑄鐵的強(qiáng)度極限B（20APB2）其中，為試件實(shí)驗(yàn)前最小直徑。20041DA七、思考題（1）為何低碳鋼壓縮測不出破壞載荷，而鑄鐵壓縮測不出屈服載荷（2）根據(jù)鑄鐵試件的壓縮破壞形式分析其破壞原因，并與拉伸作比較（3）通過拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)，比較低碳鋼的屈服極限在拉伸和壓縮時(shí)的差別（4）通過拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)，比較鑄鐵的強(qiáng)度極限在拉伸和壓縮時(shí)的差別實(shí)驗(yàn)三低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?觀察低碳鋼的扭轉(zhuǎn)破壞現(xiàn)象，并測定其剪切屈服極限S和剪切強(qiáng)度極限B；2觀察鑄鐵的扭轉(zhuǎn)破壞現(xiàn)象，并測定其剪切強(qiáng)度極限B。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1CTT1000/最大扭矩500NM微機(jī)控制扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。2游標(biāo)卡尺。圖31CTT1000/最大扭矩500NM微機(jī)控制扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)三、實(shí)驗(yàn)試樣按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB1012888金屬室溫扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法，金屬扭轉(zhuǎn)試樣的形狀隨著產(chǎn)品的品種、規(guī)格以及試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌譃閳A形截面試樣和管形截面試樣兩種。其中最常用的是圓形截面試樣，如圖21所示。通常，圓形截面試樣的直徑，標(biāo)距M10D或，平行部分的長度為。若采用其它直徑的試樣，其平行部分的長DL5L10M0L度應(yīng)為標(biāo)距加上兩倍直徑。試樣頭部的形狀和尺寸應(yīng)適合扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的夾頭夾持。由于扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，試樣表面的切應(yīng)力最大，試樣表面的缺陷將敏感地影響試驗(yàn)結(jié)果，所以，對(duì)扭轉(zhuǎn)試樣的表面粗糙度的要求要比拉伸試樣的高。對(duì)扭轉(zhuǎn)試樣的加工技術(shù)要求參見國家標(biāo)準(zhǔn)GB1012888。圖21扭轉(zhuǎn)試樣四、實(shí)驗(yàn)原理與方法從理論知道，圓柱形試件在扭轉(zhuǎn)時(shí)，橫截面邊緣上任一點(diǎn)處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)（圖22）。由于純剪切應(yīng)力狀態(tài)是屬于二向應(yīng)力狀態(tài)，兩個(gè)主應(yīng)力的絕對(duì)值相等，大小等于橫截面上該點(diǎn)處的剪應(yīng)力，即，其方向?yàn)榕c圓桿軸線成45角的螺旋面上。31圓桿扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上有最大剪應(yīng)力，而45斜截面上有最大拉應(yīng)力，由于各種材料抵抗剪切和拉伸的能力不同，故不同材料有各種不同的破壞形式。由此可以分析低碳鋼和鑄鐵扭轉(zhuǎn)時(shí)的破壞原因。由于低碳鋼的抗剪強(qiáng)度低于抗拉強(qiáng)度，試件橫截面上的最大剪應(yīng)力引起沿橫截面剪斷破壞；而鑄鐵抗拉強(qiáng)度低于抗剪強(qiáng)度，試件由與桿軸線成45的斜截面上的引起拉斷破壞。1圖22園軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力1、低碳鋼試樣的扭轉(zhuǎn)低碳鋼是塑性材料，其扭轉(zhuǎn)曲線（圖23）與拉伸類似，隨扭矩T的增加，材料經(jīng)過彈性變形（OA段）、塑性變形（AB段）、強(qiáng)化（BC段）和斷裂四個(gè)階段而被破壞，斷口是很齊的橫斷面，這是因?yàn)榧魬?yīng)力超過了材料的剪切強(qiáng)度極限所致。對(duì)于低碳鋼材料M曲線有兩種類型，如圖24所示。BTSBTS圖24低碳鋼曲線T圖23低碳鋼扭轉(zhuǎn)曲線ABC圖25低碳鋼圓軸試件扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力分布示意圖低碳鋼試件在受扭的最初階段，扭矩M與扭轉(zhuǎn)角成正比關(guān)系，橫截面上剪應(yīng)力沿半徑線性分布如圖25A所示。隨著扭矩MN的增大，橫截面邊緣處的剪應(yīng)力首先達(dá)到剪切屈服極限，且塑性區(qū)逐漸向圓心擴(kuò)展，形成環(huán)形塑性區(qū)見圖25B。但中心部分仍是彈性S的。試件繼續(xù)變形，屈服從試件表層向心部擴(kuò)展直到整個(gè)截面幾乎都是塑性區(qū)如圖25C所示。在曲線上出現(xiàn)屈服平臺(tái)見圖24。試驗(yàn)機(jī)指針基本不動(dòng)此時(shí)對(duì)應(yīng)的扭矩即為屈服T扭矩。隨后，材料進(jìn)入強(qiáng)化階段，變形增加，扭矩隨之增加，直到試件破壞為止。因扭S轉(zhuǎn)無頸縮現(xiàn)象。所以，扭轉(zhuǎn)曲線一直上升而無下降情況，試件破壞時(shí)的扭矩即為最大扭矩。B現(xiàn)在推導(dǎo)扭轉(zhuǎn)屈服極限及的計(jì)算公式。SB扭矩超過比例極限后，截面上的剪應(yīng)力分布發(fā)生變化，如圖25B。在截面上出現(xiàn)了一個(gè)環(huán)狀塑性區(qū)，并隨著的增長，塑性區(qū)逐步向中心擴(kuò)展，曲線稍微上升，直到BTT點(diǎn)趨于平坦，截面上各材料完全達(dá)到屈服，扭矩度盤上的指針幾乎不動(dòng)或擺動(dòng)，此時(shí)測力度盤上指示出的扭矩或指針擺動(dòng)的最小值即為屈服扭矩。如圖25B，根據(jù)靜力平衡條件，S可以求得與的關(guān)系為S（21）SSATD將式中DA用環(huán)狀面積元素表示，則有D2（22）/2P43DSSSOW故剪切屈服極限為（23）4SSPTSELB類似可求得（24）34BPTW式中為圓軸的抗扭截面模量，其值由下式計(jì)算PW2、鑄鐵試樣的扭轉(zhuǎn)鑄鐵屬脆性材料，其扭轉(zhuǎn)曲線如圖24所示，扭轉(zhuǎn)時(shí)變形很小就突然斷裂，有爆裂聲，斷裂面粗糙，是與軸線約成45度角的螺旋面，這是由于最大拉應(yīng)力超過了材料的強(qiáng)度極限而破壞的。一般按式（24）計(jì)算鑄鐵的抗扭強(qiáng)度。圖24鑄鐵扭轉(zhuǎn)曲線由于低碳鋼材料在純剪切應(yīng)力狀態(tài)下，其抗正斷能力高于抗剪斷能力，故低碳鋼試件將沿最大剪應(yīng)力所在的橫截面剪斷，斷口平齊。呈現(xiàn)了切斷的特征。而鑄鐵材料在純剪切應(yīng)力狀態(tài)下，其抗正斷能力低于抗剪斷能力，所以，鑄鐵試件將從其表面某一最弱處，沿與軸線呈的螺旋狀曲面被拉斷，呈現(xiàn)正斷斷口的特征。453、破壞分析根據(jù)試件扭轉(zhuǎn)破壞斷口形式如圖25所示。低碳鋼圓形試件的破壞斷面與曲線垂直見圖25A，顯然是沿最大剪應(yīng)力的作用面發(fā)生斷裂，為剪應(yīng)力作用而剪斷。故低碳鋼材料的抗剪能力低于抗拉（壓）能力；鑄鐵圓形試件破壞斷面與軸線成45螺旋面見圖25B，破壞斷口垂直于最大拉應(yīng)方向，