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材料力学性能实验教学指导书 实验总学时：6 实验项目：1. 准静态拉伸 2. 不同材料的冲击韧性 3材料的磨损材料科学与工程学院实验中心 工程材料及机制基础实验室实验一 准静态拉伸 一、实验目的1观察低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）在准静态拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化和颈缩等现象），并绘制拉伸图。2测定低碳钢的屈服极限s，强度极限b，断后延伸率和断面收缩率。3测定铸铁的强度极限b。 4比较低碳钢和铸铁的力学性能的特点及断口形貌。二、概述静载拉伸试验是最基本的、应用最广的材料力学性能试验。一方面，由静载拉伸试验测定的力学性能指标，可以作为工程设计、评定材料和优选工艺的依据，具有重要的工程实际意义。另一方面，静载拉伸试验可以揭示材料的基本力学行为规律，也是研究材料力学性能的基本试验方法。静载拉伸试验，通常是在室温和轴向加载条件下进行的，其特点是试验机加载轴线与试样轴线重合，载荷缓慢施加。在材料试验机上进行静拉伸试验，试样在负荷平稳增加下发生变形直至断裂，可得出一系列的强度指标（屈服强度和抗拉强度）和塑性指标（伸长率和断面收缩率）。通过试验机自动绘出试样在拉伸过程中的伸长和负荷之间的关系曲线，即Pl曲线，习惯上称此曲线为试样的拉伸图。图1即为低碳钢的拉伸图。试样拉伸过程中，开始试样伸长随载荷成比例地增加，保持直线关系。当载荷增加到一定值时，拉伸图上出现平台或锯齿状。这种在载荷不增加或减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫屈服，屈服阶段的最小载荷是屈服点载荷，除以试样原始横截面面积Ao即得到屈服极限： 试样屈服后，要使其继续发生变形，则要克服不断增长的抗力，这是由于金属材料在塑性变形过程中不断发生的强化。这种随着塑性变形增大，变形抗力不断增加的现象叫做形变强化或加工硬化。由于形变强化的作用，这一阶段的变形主要是均匀塑性变形和弹性变形。当载荷达到最大值后，试样的某一部位截面积开始急剧缩小，出现“缩颈”现象，此后的变形主要集中在缩颈附近，直至达到Pb试样拉断。Pb除以试样原始横截面面积A0即得到强度极限（抗拉强度）：拉伸试验还可得到塑性指标，即伸长率和断面收缩率伸长率拉断后的试样标距部分所增加的长度与原始标距长度的百分比，即式中 试件原始标距，为100，试件拉断后标距长度。断面收缩率为了测定低碳钢的断面收缩率，试件拉断后，在断口处两端沿互相垂直的方向各测一次直径，取平均值计算断口处横截面面积，再按下式计算面积收缩率： 式中 A0试件原始横截面面积 A1试件拉断后断口处最小面积。试件开始受力时，由于头部在夹头内滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。分析时应将直线段延长与横坐标相交于0点，作为坐标原点。OA段为弹性阶段载荷与变形成正比，BC段为屈服阶段，CD段为强化阶段，DE段为颈缩阶段，至E点试件被拉断。铸铁的拉伸图如图2所示。铸铁试件在承受拉力变形极小时，就达到最大载荷而突然发生断裂。它没有屈服和颈缩现象，故在拉伸时，一般只能测定其强度极限，试件沿横截面断裂。 图1 图2三、实验设备与材料1.实验设备：（1）SHT4605型微机控制万能材料试验机。（2）游标卡尺。2.实验材料：直径为d的圆截面试件，短试件和长试件的标距分别为5d和10 d。本实验采用圆截面的长试件（d10mm，100mm）。dr四、实验内容与方法1.实验内容:(1) 了解材料试验机的构造、原理及操作;(2) 列表记录低碳钢、铸铁的原始尺寸及实验后尺寸，计算出、（低碳钢）；(3) 画出PL曲线，并计算出低碳钢试样的s、b及铸铁试样的b；(4) 比较两种材料的力学性能的特点、断口形貌及断裂方式。2.实验方法及步骤： (1)试件准备用游标卡尺测量标距两端及中间这三个横截面处的直径，在每一横截面内沿互相垂直的两个直径方向各测量一次取其平均值。用所测得的三个平均值中最小的值计算试件的横截面面积A0。将测量的试件横截面处的直径及计算出的横截面面积A0填入表中。（2）试验机准备打开计算机, 进入试验机控制系统主界面,在用户参数输入区内输入试验参数，如试样标距、试样直径、试样种类等。然后点击【试验】按钮进入试验。（3）安装试件调整下横梁使上下夹头的距离小于试件的长度。先将试件安装在试验机的上夹头内，再调整下横梁使其达到适当位置，把力值清零，然后把试件下端夹紧，位移值清零。（4）进行试验点击屏幕右边的【运行】按钮加载。注意观察测力窗口、位移窗口的情况和相应的试验现象。若出现力和位移值为负值或其它异常情况，请立即按下右边立柱旁的“急停”按钮，或【速度栏】内的停止按钮。试验结束后取下试件。将低碳钢试件的屈服载荷Ps和最大载荷Pb记入表中。然后将 断裂试件的两段对齐并尽量靠紧，用游标卡尺测量断裂后标距段的长度l1；测量两段断口（颈缩）处的直径d1，应在每一断口处沿两个互相垂直方向各测量一次，计算其平均值，取其中最小值计算断口处最小横截面面积A1。把测量值和计算值填入表中。 将铸铁试件的最大载荷Pb记入表中。五、试验结果的处理1根据屈服载荷Ps及最大载荷Pb计算低碳钢试件的屈服极限s及低碳钢试件和铸铁试件的强度极限b。 2根据试件前、后的标距段长度及横截面面积计算低碳钢试件的延伸率及断面收缩率六、实验要求：1 学生进入实验室前必须做好实验预习，认真阅读实验指导书，明确实验目的、任务、有关原理、操作的主要步骤、注意事项。2 实验过程中必须严格遵守操作规程及注意事项，自觉遵守实验室的各项规章制度。3 独立完成实验。4 认真观察和分析实验现象，做好实验数据记录。5 按照格式要求认真撰写实验报告，不得抄袭。七、注意事项1未经指导教师同意不得开动机器。2操作者不得擅自离开操纵台。3试件安装必须正确、防止偏斜和夹入部分过短的现象。4试验时听见异常声音或发生任何故障，按下急停按钮立即停车。实验二 不同材料的冲击韧性一、实验目的1.了解冲击试验方法。2.测定低碳钢与铸铁的冲击韧性ak值。二、概述（1） 冲击实验是研究材料对于动荷抗力的一种实验，和静载荷作用不同，由于加载速度快，使材料内的应力骤然提高，变形速度影响了材料的力学性质，所以材料对动载荷作用表现出另一种反应。（2） 此外在金属材料的冲击实集中验中，还可以揭示在静载荷时不易发现的某些结构特点和工作条件对机械性能的影响（如应力，材料内部缺陷，化学成分和加荷时温度，受力状态以及热处理情况等），因它在工艺分析比较和科学研究中都具有一定的意义，在工程上常采用“冲击韧性”来表示材料抵抗冲击的能力。把金属材料制成标准试件（金属夏比（V型缺口）试件）（图1.1），安置在冲击试验机的机座上(图1.2)，使它受冲击而折断。记录试件折断所消耗的能量Ak，将Ak用缺口处的横截面面积A去除，所得的数值定义为材料的冲击韧性ak。 ak=(J/cm2)ak对材料品质、内部缺陷和晶粒大小等比较敏感。再加上冲击试验简便易行，所以常用来检验材料质量、内部缺陷、脆性程度等。在试件上制作缺口是为了使试件由该处折断。分析表明，,在缺口根部附近材料处于三向拉应力状态。某些金属在静力拉伸下表现出良好的塑性，但处于三向拉应力作用下却有增加其脆性的倾向。所以塑性材料的缺口试件在冲击作用下，一般都呈现脆性破坏方式（断裂）。试验表明，缺口的形状，试件的绝对尺寸及材料的性质等因素都会影响断口附近参与塑性变形的体积，因此，冲击试验必须在规定的标准下进行。同时，缺口的加工也十分重要，一般应当铣削或磨削，以保证尺寸准确。图1.1 图1.2 图1.3冲击试验机的构造原理如图1.3所示。将摆锤向上摆起（如图所示的角），于是摆锤便具有一定的位能。试验时，令摆锤突然下落，冲击安装在机座上的试件，将试件冲断。试件折断所消耗的能量等于摆锤原来的位能（在角处）与其冲断试件后在扬起位置（角处）时的位能之差。三、实验设备与材料1实验设备：（1） 示波冲击试验机；（2） 游标卡尺2实验材料： 低碳钢（V型缺口）试件和铸铁试件各一件四、实验内容与方法1. 实验内容：（1）测量试件尺寸。（2）打开电源开关，使摆杆扬起；（3）安装冲击试样，令缺口背对摆锤刃口，并使缺口中心线与跨距中心线重合；（4）给冲击指令，使摆杆自由下落，冲断试样；（5）记录试样在冲击过程中吸收的能量Ak值。（6）观察低碳钢和铸铁的断口形貌。2. 实验方法与步骤 （1）打开冲击试验机的电源，观察指示灯是否亮。（2）点击【扬摆】按钮，使摆锤扬到位。（3）点击【冲击】按钮，进行冲击测试。（4）记录试件的吸收能量Ak值。（5）实验完毕后按住【放摆】按钮，执行放摆操作。五、试验结果的处理1.根据试件折断所消耗的能量Ak值，计算低碳钢与铸铁的ak，2.观察两种材料断口的差异，并画出两种材料的破坏断口草图。六、实验要求1学生在进入实验室前必须做好实验预习，认真阅读实验指导书，明确实验目的、任务、有关原理、操作的主要步骤、注意事项。2实验过程中必须严格遵守操作规程及注意事项，自觉遵守实验室的各项规章制度。3独立完成实验。4认真观察和分析实验现象，做好实验数据记录。5按照格式要求认真撰写实验报告，不得抄袭。七注意事项本实验属动荷实验，而且实验机为自动控制，故需严格按操作规程进行实验，特别要注意安全。 点击“冲击”前必须将安全门关闭。安放试件时，绝对不许点击【冲击】按钮。实验结束后一定将摆锤放下。实验三 材料的磨损一 实验目的：1. 掌握用失重法测量金属磨损量的方法；2. 了解磨损试验机的结构及磨损试验方法。二实验仪器及设备1. MMW1型立式万能磨损试验机2. 电子天平3. 夹装工具三磨损试验原理及其装置磨损是工程上普遍存在的现象，凡是产生相对摩擦的机件，必然会伴随有摩损现象。但是影响摩擦与磨损的因素很多，诸如施加压力、运动速度、工件表面质量、润滑剂及材料性能等等，所以金属的摩擦磨损特性并不是固有的，而是摩擦条件与材料性能的综合特性。因此，磨损试验方法就是指试样与对磨材料之间加上中间介质，在施加一定的压力下，按一定的速度作相对运动，经过一定时间（或摩擦距离）后，测量其磨损量，根据磨损量大小来判断材料的耐磨性能。若在相同时间（或距离）内磨损量越大，表明材料的耐磨性越差。反之，则表明耐磨性越好。磨损试验机种类很多，一般由加力装置、力矩测量机构及装夹试样装置等部分组成。MMW1型磨损试验机能进行滑动、滚动或滚滑复合磨损试验，用来测定材料的磨损率Wr和摩擦系数。四试样材料、形状及尺寸 磨损试验所用的试样的形状及尺寸与试验机类型有关。材料选用低碳钢和高碳钢五耐磨性的评定方法失重法材料耐磨性能的好坏取决于磨损试验中磨损量的多少。所以磨损试验的关键在于如何测出磨损量大小。目前常用的方法有失重法、测长法、磨痕法、压痕法等，其中以失重法应用最多。本试验以失重法测定金属材料在磨损试验中的磨损量。1. 定义及其表示方法失重法是指以试样在磨损试验前后的重量差来表示磨损量，用符号M表示：M=M0-M1式中： M0试样磨损前原始重量； M1试样磨损后的重量失重法应用广泛，无论哪种磨损试验机，无论哪种磨损试样均可用失重法测定其磨损量。 2. 失重法的测量方法和要求：试样重量测定在分析天平上进行。但有两点必须注意：试样的原始重量为M0，应取经过跑合试验之后的重量。试样在称重前（无论磨损前或磨损后），必须用酒精或丙酮清洗并吹干，否则将影响到数据的准确性。3. 耐磨性的评定:耐磨性是表示材料在一定摩擦条件下磨损量的多少。但是由于磨损量这个概念有不完善之处，所以常用磨损率Wr来表示。这样，耐磨性的大小就可用磨损率Wr的倒数来评定。即 =1/Wr 磨损率是表示单位摩擦行程（以km计）或单位摩擦时间（以min计）内的磨损量。常用如下两种表示方法：行程单位摩擦行程的磨损量，即Wr=(M0-M1)/SL 式中 S受磨损面积，mm L摩擦行程，km单位摩擦时间的磨损量，即Wr= (M0-M1)/t 式中 t摩擦时间，min。六实验步骤磨损试验条件：压力：100N时间：5min/次转速：100r/min介质：干摩擦本试验的具体方法及步骤如下：1. 试验前的准备工作(1)试样的准备将跑合后的试样用丙酮或酒精进行清洗，吹干后在电子天平上秤其原始重量M0(2)试验机的调试1) 将试样和砂纸安装好；2）设置时间、压力和转速；3）通过调节螺母将试样与砂纸接触，有一定的预压力；4）按下加载按钮，使压力达到设定值5）启动转速和时间按钮开始试验6）达到试验设定时间后试验机自动停机，按下“卸除”按钮卸载7）将试样取出用酒精进行清洗，吹干后在电子天平上秤重记录实验一：准静态拉伸实验报告一、 实验目的：二、实验设备及仪器试验机型号、名称：量 具型号、名称：三、 试件1) 试件材料：试件1：低碳钢；试件2：铸铁2) 试件形状和尺寸：实验前实验后试件原始形状图试件断后形状图尺寸低碳钢铸铁尺寸低碳钢铸铁平均直径：d0mm 最小直径：d1mm横截面积：A0mm2最小截面积：A1mm2标距长度：L0mm断后长度：L1mm四、 实验数据及计算结果实验数据计算结果试件屈服载荷最大载荷屈服极限强度极限延伸率截面收缩率低碳钢铸铁附：计算公式：屈服极限：延伸率：强度极限：断面收缩率：五、 拉伸曲线示意图 低碳钢 铸铁 六、回答问题1) 参考低碳钢拉伸图，分段回答力与变形的关系以及在实验中反映出的现象。2) 由低碳钢、铸铁的拉伸图和试件断口形状及其测试结果，回答二者机械性能有什么不同。报告人班 级实验成绩实验日期 实验二 不同材料的冲击韧性实验报告一、实验目的：二、实验设备及仪器：试验机型号、名称：量 具 型号、名称：三、 试件1试件材料：试件1：低碳钢，试件2：铸铁2试件形状和尺寸:实验前实验后试件原始形状图试件断后形状图尺寸低碳钢铸铁（无缺口）缺口处尺寸：L×L1mm横截面积：A0mm四、 实验数据及计算结果试件吸收能量Ak（J）有无纤维区冲击韧性ak（J/cm）低碳钢铸铁附：计算公式： 冲击韧性： ak=(J/cm2)五、回答问题1）冲击韧性值ak为什么不能用于定量换算只能用于相对比较。3）由低碳钢、铸铁的试件断口形状及其测试结果，分析二者机械性能有什么不同。报告人班级实验成绩实验日期实验三 材料的磨损实验报告一 、实验目的：二、实验仪器及设备 试验机型号、名称：量 具 型号、名称：三、试样材料 低碳钢和高碳钢 四、实验数据 1.实验条件 试样材料试验压力试验转速试验时间试验介质2.评定耐磨性的方法及测试仪器五、 回答问题1. 简要分析机件正常运动的磨损过程的三阶段。2. 提高耐磨性可从哪几方面考虑。报告人班级实验成绩实验日期