- 1 - 实验一 材料在轴向拉伸、压缩时的力学性能
一、 实验目的
1． 测定低碳钢在拉伸时的屈服极限σs、强度极限σb、延伸率δ和断面收缩率。
2． 测定铸铁在拉伸以及压缩时的强度极限σb。
3． 观察拉压过程中的各种现象，并绘制拉伸图。
4． 比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）机械性质的特点。
二、 设备及仪器
1．电子万能材料试验机。
2．游标卡尺。
图1-1 CTM－5000电子万能材料试验机
电子万能材料试验机是一种把电子技术和机械传动很好结合的新型加力设备。它具有准确的加载速度和测力范围，能实现恒载荷、恒应变和恒位移自动控制。由计算机控制，使得试验机的操作自动化、试验程序化，试验结果和试验曲线由计算机屏幕直接显示。图示国产CTM－5000系列的试验机为门式框架结构，拉伸试验和压缩试验在两个空间进行。
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图1-2 试验机的机械原理图
试验机主要由机械加载（主机）、基于DSP的数字闭环控制与测量系统和微机操作系统等部分组成。
（1） 机械加载部分
试验机机械加载部分的工作原理如图1-2所示。由试验机底座（底座中装有直流伺服电动机和齿轮箱）、滚珠丝杠、移动横梁和上横梁组成。上横梁、丝杠、底座组成一框架，移动横梁用螺母和丝杠连接。当电机转动时经齿轮箱的传递使两丝杠同步旋转，移动横梁便可水平向上或相下移动。移动横梁向下移动时，在它的上部空间由上夹头和下夹头夹持试样进行拉伸试验；在它的下部空间可进行压缩试验。
（2） 基于DSP的数字闭环控制与测量系统
是由DSP平台；基于神经元自适应PID算法的全数字、三闭环（力、变形、位移）控制- 3 - 系统；8路高精准24Bit数据采集系统；USB1.1通讯；专用的多版本应用软件系统等。
（3） 微机操作系统
试验机由微机控制全试验过程，采用POWERTEST软件实时动态显示负荷值、位移值、变形值、试验速度和试验曲线；进行数据处理分析，试验结果可自动保存；试验结束后可重新调出试验曲线，进行曲线比较和放大。可即时打印出完整的试验报告和试验曲线。
信息化教学设计教案
学科：工程力学
课题：测定材料在拉伸与压缩时的力学性能
班级：2015级材料工程技术班
授课人：杜皎
1 教学目标
1.1 知识与技能
1、通过本节课的学习使学生掌握强度极限、弹性极限、屈服极限及冷作硬化处理方法；
2、掌握拉伸和压缩的试验方法。
3、能够利用低碳钢应力-应变图形说明塑性材料的力学性能；利用铸铁的应力-应变图形分析脆性材料的力学性能。
4、通过课堂实验，加强动手能力，并加以拓展，培养学生的主观能动性，思维的积极性；在实际操作中能够独立分析和解决问题。
1.2 过程与方法
1、学生通过预习教学平台上的资源，培养学生自主学习的能力。
2、通过观看教学平台资源库的视频资源，使学生加深了对于实验过程的理解，提高学习兴趣。
3、分组进行实验，提高动手能力，并加以拓展，培养学生的主观能动性，思维的积极性，提高学生分析问题和解决问题的能力。
4、通过网上评价机制，使学生能够实时关注自己的成绩，有效提高了学习积极性和自我约束性。
1.3 情感、态度和价值观
通过引导学生参与分析问题和解决问题的过程，大胆的猜想、归纳，使学生体验成功的感受，激发学生的学习热情，增强学生的自信心，培养学生良好的学习、思维的习惯，在教学过程中充分体现学生的主体作用，学生的理解能力得到进一步的提高。
2 教学重点
测定材料的力学性能指标。
3 教学难点
根据试验测定数据，计算材料的强度指标和塑性指标。
4 教学方法
根据本节知识的特点和学生的实际，结合学生的认知规律，采用启发诱导、探索发现等方法进行教学，并结合多媒体和网络教学平台教学资源库，采用分组讨论并利用网络教学平台试题库进行练习。根据教学内容的实际，利用实物教具，采取常规的教学手段，增强师生之间的互动性，充分挖掘学生的主观能动性，让学生动手操作活跃课堂气氛，从而取得良好的教学效果。
5 教学过程
课前，教师将学习资源上传到课程平台，并通过QQ、邮箱发布课前预习通知，学生接到通知后，对资源进行预习。
材 料 力 学 教 案
1 第3讲 教学方案
——材料在拉伸与压缩时的力学性能
许用应力与强度条件
基
本
内
容
各种材料在轴向拉伸与压缩时的力学性能、安全系数和许用应力的概念、强度条件及其应用。
教
学
目
的
1、掌握几种典型材料的拉压曲线及相应的基本概念和力学量。
2、比较几种不同材料拉压曲线和性能的异同。
3、建立许用应力的概念。
4、理解安全系数的概念和选取原则。
5、熟练掌握利用强度条件进行强度校核、截面设计和许可载荷计算。
重
点
、
难
点
本节重点：低碳钢与铸铁拉伸与压缩时的力学性能，许用应力与强度条件。
本节难点：脆性与塑性材料的破坏特点与许用应力。 第 三 讲
2 §2-4 材料在拉伸时的力学性能
材料的力学性能：也称机械性能。通过试验揭示材料在受力过程中所表现出的与试件几何尺寸无关的材料本身特性。如变形特性，破坏特性等。研究材料的力学性能的目的是确定在变形和破坏情况下的一些重要性能指标，以作为选用材料，计算材料强度、刚度的依据。因此材料力学试验是材料力学课程重要的组成部分。
此处介绍用常温静载试验来测定材料的力学性能。
1. 试件和设备
标准试件：圆截面试件，如图2-14：标距l与直径d的比例分为，dl10，dl5；
板试件（矩形截面）：标距l与横截面面积A的比例分为，Al3.11，Al65.5；
试验设备主要是拉力机或全能机及相关的测量、记录仪器。
详细介绍见材料力学试验部分。国家标准《金属拉伸试验方法》（如GB228-87）详细规定了实验方法和各项要求。
2. 低碳钢拉伸时的力学性能
低碳钢是指含碳量在0.3%以下的碳素钢，如A3钢、16Mn钢。
1）拉伸图（P—ΔL），如图2-15所示。
弹性阶段（oa）
屈服（流动）阶段（bc）
强化阶段（ce）由于P—ΔL曲线与试样的尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，可采用应力应变曲线，即曲线来代替P—ΔL曲线。进而试件内部出现裂纹，名义应力下跌，至f点试件断裂。
§3—4 材料在拉伸和压缩时的力学性能
前面的讨论中，涉及的弹性模量、泊松比等，这些指标都属于材料的力学性质。材料的力学性质是指：材料受力时力与变形之间的关系所表现出来的性能指标。材料的力学性质是根据材料的拉伸、压缩试验来测定的。
工程中使用的材料种类很多。下面主要以常用的低碳钢和铸铁这两种最具有代表性的材料为例，研究它们在常温（一般指室温）、静载下（指在加载过程中不产生加速度）拉伸和压缩时的力学性能。
一、材料拉伸时的力学性能
试验时采用国家规定的标准试样。金属材料试样如图3-10a、b所示。试件中间是一段等直杆，等直部分划上两条相距为l的横线，横线之间的部分作为测量变形的工作段，l称为标距；两端加粗，以便在试验机上夹紧。规定圆形截面试样，标距l与直径d的比例为dl10或dl5，矩形截面试样标距l与截面面积A的比例为Al3.11或Al65.5。
拉伸试验一般在万能试验机上进行，它可以对试件加载，可以测力并自动记录力与变形的关系曲线。
d图3-10a
A图3-10b
（一）低碳钢的拉伸试验
1．拉伸图和应力应变曲线
将低碳钢试件装在试验机上，缓慢加载，同时试样逐渐伸长。记录各时刻的拉力P以及标距l段相应的纵向伸长l，直至拉断为止。将P和l的关系按一定比例绘制成的曲线，称为拉伸图（或lP曲线）如图3-11a所示。将拉力P除以试件横截面的原面积A，作为试件工作段的正应力，将试件的伸长量l除以工作段的原长l，代表试件工作段的轴向线应变。按一定的比例将拉伸图转换为与关系的曲线，如图3-11b，该曲线称为应力-应变曲线或-曲线。 PΔ图3-11a（c）
oo1gabcfdeσpσeσsσbσε图3-11b（d）
从应力-应变曲线可见，在低碳钢拉伸试验的不同阶段，应力与应变关系的规律不同。下面介绍各个阶段的范围、特点、指标及量值。
（1）弹性阶段（图3-11b中Ob段） 试样应力不超过b点所对应的应力时，材料的变形全是弹性变形，即卸除荷载时，试样的变形将全部消失。弹性阶段最高点b相对应的应力值e称为材料的弹性极限。在弹性阶段内，初始一段直线Oa表明应力与应变成正比，材料服从胡克定律。过a点后，应力应变图开始微弯，表示应力与应变不再成正比。a点对应的应力值P称为材料的比例极限。
