材料力学实验讲义

材料⼒学实验讲义

⾦属材料的拉伸、压缩实验指导书

张雅琴编

北京化⼯⼤学

⽬录实验⼀⾦属材料的拉伸实验

实验⼆⾦属材料的压缩实验

实验⼀⾦属材料的拉伸实验

⾦属材料的拉伸实验是研究⾦属材料⼒学性能的最基本的实验。⽅法简单，数据可靠，⼀些⼯矿企业、研究所⼀般都⽤此类⽅法对⾦属材料进⾏出⼚检验或进⼚复检，⽤测得的各项指标来评定材质和进⾏强度、刚度计算。因此，对⾦属材料进⾏轴向拉伸实验具有⼯程实际意义。

不同材料在轴向拉伸过程中会表现出不同的⼒学性质和现象。低碳钢和铸铁分别是典型的塑性材料和脆性材料。低碳钢材料具有良好的塑性，在拉伸实验中的弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段尤为明显和清楚。铸铁材料受拉时处于脆性状态，其破坏是由拉应⼒拉断。

⾦属材料拉伸实验是指在室温条件下，将缓慢施加的单向拉伸载荷作⽤于表⾯光滑的拉伸试件上，来测定材料⼒学拉伸性能的⽅法。最常⽤拉伸试件的形状和尺⼨如图1-1所⽰。(a)

(b)

图1-1(a) 圆形试样(b) 矩形试样

若采⽤光滑圆柱试件，试件的标矩长度L0⽐直径d

要⼤的多;通常L>5d

,以使试件横

截⾯上的应⼒均匀地分布,实现轴向均匀加载.试件做成圆柱形是便于测量径向应变,试件的加⼯也⽐较简单。当测量板材拉伸性能和带材的拉伸性能时,也可以采⽤板状试件，如图1-1(b)所⽰。但试件的标矩长度L

0应满⾜下列关系：L

=5.65A

或11.3 A

；其中A

为试件

的初始横截⾯积。

上式中的规定对应于圆柱试件中的L0=5d

，L=10 d。拉伸试件的⼏何形状，尺⼨及允

许的加⼯误差，在国家标准GB228—2002中作了相应的规定。⾦属材料拉伸实验是材料的⼒学性能实验中最基本最重要的实验,是⼯程上⼴泛使⽤的测定⼒学性能的⽅法之⼀。

⼀、实验⽬的1．测定低碳钢试件的抗拉屈服极限R s；

2．测定低碳钢试件的抗拉强度极限R b；

3．测定低碳钢试件的延伸率A；

4．测定低碳钢试件的截⾯收缩率Z；

5．测定铸铁试件的抗拉强度极限R b；

6．观察和⽐较塑性材料和脆性材料的破坏过程和破坏特征、⼒学现象；

7．熟悉电⼦万能材料试验机的操作和游标卡尺的使⽤；

8．了解电⼦万能材料试验机的结构及⼯作原理,熟悉操作规程及正确使⽤⽅法；9．⽐较低碳钢和铸铁的机械性能特点并分析断⼝形状；

⼆、实验设备1．电⼦万能材料试验机；

图1-2 电⼦万能试验机系统2．游标卡尺；

3．拉伸试样, L

0=10 d

,将L

⼗等分,⽤划线机刻划圆轴等分线,或⽤打点机打上等分点；4．打印机；

三、拉伸试样的制备

⾦属材料的机械性质的屈服应⼒R s、强度应⼒R b、延伸率A和截⾯收缩率Z是由拉伸实验来决定的。为此应⾸先⽤被测试的⾦属材料来制备试件。实验表明，试件的尺⼨和形状对实验结果具有⼀定的影响。为了避免这种影响和便于各种材料机械性质的数值能互相⽐较，所以对试样的尺⼨和形状，国家有统⼀的规定。制定了国标。因此，应统⼀规定制备试样。拉伸试样应按国际标准GB/228-2002(⾦属拉伸试验试样)进⾏加⼯。拉伸试样的形状随⾦属产品的品种、规格及试验⽬的的不同⽽分为圆形、矩形及异形截⾯。最常⽤的是圆型和矩形试样。如图1-1所⽰。

圆形和矩形截⾯试件均由夹持段、过渡段和平⾏段三部分组成。试样多采⽤哑铃状，夹持部分稍粗，过渡部分以圆⾓与平⾏部分光滑连接，是⽤来夹持试件、传递拉⼒⽤的。以保证试样破坏时断⼝在平⾏部分。其形状和尺⼨要与试验机的钳⼝夹块相匹配。⼀般对于直接⽤钳⼝夹紧的试样，其夹持部分长度应不⼩于钳⼝深度的3/4。夹持部分的形状和尺⼨依据试样⼤⼩、材料特性、试验⽬的以及试验机夹具的结构进⾏设计。可制成圆柱形、阶梯形或

螺纹形。平⾏部分⽤于测量拉伸变形，此段的长度L 0称为标矩。试件两头部之间的均匀段长度L 应⼤于标距L 0，均匀段长度称为平⾏长度，⽤符号L 表⽰。圆截⾯试样L ≥L 0+d 0,矩形截⾯试样L ≥L 0+b 0/2，圆弧过渡应有⾜够⼤的过渡圆弧半径和台阶。脆性材料的圆⾓半径要⽐塑性材料的圆⾓半径⼤⼀些，以减⼩应⼒集中，确保试样不会在该处断裂。

拉⼒试件分为⽐例试件和⾮⽐例试件两种。⽐例试件是指标距长度与横截⾯⾯积间具有下列关系的试件L 0=KA 0。式中系数K 通常为5.65和11.3，前者称为短试件，后者称为长试件。因此，对直径为d 0的圆截⾯

短试样： 005L d ==；

长试样：0010L d ==；

长圆试件的标矩长度分别等于10d 0；

⾮⽐例试件的标矩与其横截⾯间⽆上述⼀定关系，⽽是根据制品（薄板、薄带、细管、细丝、型材等）的尺⼨和材料的性质给以规定的平⾏长度L 和标矩长度L 0。

原始标矩与标称标矩的偏差应⼩于±5%。处理数据时可忽略偏差⽽直接⽤标称标矩计算。

标称标矩为：

对试样形状、尺⼨和加⼯技术要求在国家标准GB/228-2002中均有明确的规定。 试样表⾯的粗糙度同样应符合国际标准。

四、实验原理及⽅法

通常将整个实验过程中载荷与变形之间的关系，⽤⼀条以绝对伸长ΔL 为横坐标，以拉⼒F 为纵坐标的载荷—变形曲线来表⽰，这种曲线⼀般就叫做拉伸曲线。拉伸曲线是截⾯均匀的试样在连续增长的轴向拉伸载荷作⽤下所测出的实验曲线。实验的结果可以全部在这根曲线上观察到。如果把ΔL 除以标矩长度L 0、F 除以原始截⾯⾯积A 0，就得到应⼒应变之间的关系曲线。以横坐标代表应变，以纵坐标代表应⼒，可以绘出应⼒应变曲线，这种曲线可以消除试样尺⼨的影响。

⾸先将机器、计算机打开，布置如图1-2所⽰。

将试样装卡在试验机夹头内，我们将要对计算机进⾏实验⽅式等的设置，之后将匀速缓慢加载（加载速度对⼒学性能是有影响的，速度越快，所测的强度值就越⾼），因此，我们在设置实验速度时不要设太⼤的速度，以免数据不准确。试样依次经过弹性、屈服、强化和局部变形四个阶段，其中前三个阶段是均匀变形的。在实验过程中，⼒传感器和电⼦引伸计分别将感受到的载荷和变形转换为电信号输⼊到计算机，计算机将显⽰出⼒和变形的曲线图、⼒和变形的⼤⼩，另外计算机还可以计算出我们所需要的应⼒、应变以及其它参数值。

⼀．低碳钢拉伸

如图1—3和图1—4分别表⽰低碳钢拉伸时的拉伸图和低碳钢拉伸图与试样的对应关系曲线。1-3 低碳钢拉伸曲线

图1-4 低碳钢拉伸图与试样的对应关系从图上来观察实验结果，可以发现塑性材料（这⾥以低碳钢为例）具有下列各种性质：1．弹性变形阶段

弹性变形阶段是指曲线的起始部分，是没有任何残余变形，符合虎克定律，载荷与变形并存，当载荷卸去后变形随即恢复。在弹性阶段，存在⼀个⽐例极限点，对应的应⼒为⽐例极限R p，这部分载荷与变形成⽐例，材料的弹性模量应在oa部分测出。使⽤引伸仪将变形测出，计算机将⾃动计算出弹性模量E。2．屈服阶段

⾦属材料的屈服是宏观塑性变形的开始，是位错增值和运动的结果。是由剪应⼒引起的。超出弹性变形范围之后，材料产⽣了明显的塑性流动，此时，应⼒只有微⼩的增加，或者不增加，或者在⼀个⼩范围内上下波动，于是应⼒应变曲线出现⽔平曲折或者锯齿形状。这种载荷在⼀定范围内波动⽽试样还继续变形伸长的现象称为屈服现象。屈服阶段中⼀个重要的⼒学性质就是屈服点，有些⾦属材料受⼒时具有明显的物理屈服现象，它们的F-Δl曲线有如图1-5所⽰的四种类型。

低碳钢材料存在上屈服点和下屈服点，不加说明⼀般都是指下屈服点。上屈服点对应拉伸图中的B 点，记为F su ，即试样发⽣屈服⽽⼒⾸次下降前的最⼤⼒值，它受变形速度和试样形状的影响，⼀般不作为强度指标。同样，载荷⾸次下降的最低点（初始瞬时效应）也不作为强度指标。⼀般将初始瞬时效应以后的最低载荷F SL 试样的初始横截⾯积S 0作为屈服极限R e 。下屈服点对应拉伸图中的A 点，记为F SL ，是指不记初始瞬时效应的屈服阶段中的最低⼒值，注意这⾥的初始瞬时效应对于液压式万能试验机由于摆的回摆惯性尤其明显，⽽对于电⼦万能试验机则不明显，只有在图上看到。

⼀般通过指针法和图⽰法来确定屈服点，综合起来具体读法为：当屈服出现⼀对峰⾕时，则对应于⾕低点的位置就是屈服点；当屈服阶段出现多个波动峰⾕时，则除去第⼀个⾕值后所余最⼩⾕值点就是屈服点。图1-5给出了⼏种常见屈服现象和上、下屈服点的确定⽅法。⽤上述⽅法确定屈服载荷，⽤（1-1）、（1-2）、（1-3）计算屈服点、上屈服点、下屈服点。0/e b R F S = (1-1)

0/eH SL R F S = (1-2) 0/eL SU R F S = (1-3)

3．强化阶段

强化标志着材料抵抗继续变形的能⼒在不断地增强，同样也表明材料要继续变形，这就要不断增加载荷，材料⼜恢复了抵抗变形的能⼒，材料在这⼀阶段均匀变形，变形量增加。在强化阶段如果要卸载，弹性变形会随之消失，塑性变形将会永久保留下来。强化阶段的卸载路径与弹性曲线平⾏。卸载后重新加载时，加载曲线仍与弹性曲线平⾏。重新加载后材料的⽐例极限明显提⾼。⽽塑性性能明显下降。这种现象称之为形变硬化或冷作硬化。冷作硬化是⾦属材料的宝贵性质之⼀。⼯程中利⽤冷作硬化⼯艺的例⼦很多，如挤压、冷拔、喷丸等。D 点是拉伸曲线的最⾼点，载荷为F m ，对应的应⼒是材料的强度载荷或抗拉强度极限，记为0/m m R F S =

4.颈缩阶段

对应于拉伸图的CD 段，从试样承受最⼤应⼒点开始直到断裂点为⽌。在这个过程中，试样的某个区域呈现颈缩现象，变形在局部进⾏，由于局部的真应⼒急剧上升，载荷达到最⼤值后，塑性变形开始在局部进⾏，这是因为在最⼤载荷D 点以后，形变强化跟不上变形的发展，由于材料本⾝缺陷的存在，于是均匀变形转化为集中变形，导致形成颈缩。颈缩阶段，承载⾯积急剧减⼩，试样承受的载荷也不断下降，直⾄断裂。断裂后，试样的弹性变形消失，塑性变性则永久保留在断裂的试样上，材料的塑性性能通常⽤试样断裂后残留的变形来衡量。轴向拉伸的塑性性能通常⽤断后延伸率A 和断后收缩率Z 来表⽰， 塑性性能指标计算公式为：1-5 屈服点、上屈服点、下屈服点的定义

断后伸长率是试样拉断后标矩的伸长（L u ）与原始标矩（L o ）之⽐的百分率，即100u L L A L -=

断⾯收缩率是试样断裂后试样横截⾯积的最⼤收缩量（S o -S u ）原始横截⾯积（S o ）之⽐的百分率。100u S S Z S -=

塑性材料试样的塑性变形（颈缩部分）集中在颈缩处并向两边逐渐减⼩，颈缩部分的变形在总变形中占很⼤的⽐例，研究表明，低碳钢试样颈缩部分的变形占塑性变形的80%左右，见图1-6。

测定断后伸长率时，颈缩部分及其影响区的塑性变形都包含在L u 之内，这就要求断⼝位置到最临近的标矩线⼤于03

L ，此时可直接测量试样标矩两端的距离得到断后伸长L u ，否

则就要⽤移位法，就是假想使断⼝居于标矩的中央附近。若断⼝落在标矩之外则试验⽆效。因此断⼝位置不同，标矩部分的塑性伸长L u 也不同。断⼝在试样中部，发⽣严重塑性变形的颈缩段全部在塑性长度L u 内，塑性长度L u 就有较⼤的塑性伸长量，若断⼝距标矩L u 端较近，则发⽣严重塑性变形的颈缩端只有⼀部分在标矩长度内，另⼀部分在标矩长度外，因此，标矩长度的塑性伸长量就⼩。这种情况可以⽤断⼝移位法解决，这说明断⼝位置对测得的伸长率有影响。为避免这种影响，国际标准对L u 的测定作了规定，记忆上原则上只有断裂处与最接近的标矩标记的距离不⼩于原始标矩的三分之⼀情况⽅为有效，但断后伸长率⼤于或等于规定值，不管断裂位置处于何处测量均为有效。低碳钢试样的颈缩部分及其影响区的塑性变形在伸长率中占很⼤⽐例。显然同种材料的伸长率不仅取决于材质，⽽且还取决于