低碳钢和灰口铸铁的拉伸、压缩实验

1 实验目的

⑴．观察低碳钢在拉伸时的各种现象,并测定低碳钢在拉伸时的屈服极限,强度极限,延伸率和断面收缩率。

⑵.观察铸铁在轴向拉伸时的各种现象。

⑶.观察低碳钢和铸铁在轴向压缩过程中的各种现象。

⑷.观察试样受力和变形两者间的相互关系,并注意观察材料的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象。测定该试样所代表材料的F_S、F_b和等值。

⑸.对典型的塑性材料和脆性材料进行受力变形现象比较，对其强度指标和塑性指标进行比较。

⑹.学习、掌握电子试验机的使用方法及其工作原理。

2 仪器设备和量具

UH5504-50KN电子试验机，单向引伸计，钢板尺，游标卡尺。

3 试件

   实验证明，试件尺寸和形状对实验结果有影响。为了便于比较各种材料的机械性能，国家标准中对试件的尺寸和形状有统一规定。根据国家标准，（GB6397-86），将金属拉伸比例试件的尺寸列表如下：

本实验的拉伸试件采用国家标准中规定的长比例试件(图2－1),实验段直径,标距。本实验的压缩试件采用国家标准（GB7314-87）中规定的圆柱形试件，（图2－2）。

4 实验原理和方法

（一）低碳钢的拉伸实验

在拉伸实验前，测定低碳钢试件的直径和标距。实验时，首先将试件安装在实验机的上、下夹头内，并在实验段的标记处安装引伸仪，以测量实验段的变形。然后开动实验机，缓慢加载，与实验机相联的微机会自动绘制出载荷-变形曲线（曲线，见图2－3）或应力-应变曲线（曲线，见图2－4），随着载荷的逐渐增大，材料呈现出不同的力学性能：

（1）弹性阶段（Ob段）

在拉伸的初始阶段，曲线（Oa段）为一直线，说明应力与应变成正比，即满足胡克定理，此阶段称为线形阶段。线性段的zui高点称为材料的比例极限（），线性段的直线斜率即为材料的弹性摸量E。

线性阶段后，曲线不为直线（ab段），应力应变不再成正比，但若在整个弹性阶段卸载，应力应变曲线会沿原曲线返回，载荷卸到零时，变形也*消失。卸载后变形能*消失的应力zui大点称为材料的弹性极限（），一般对于钢等许多材料，其弹性极限与比例极限非常接近。

（2）屈服阶段（bc段）

超过弹性阶段后，应力几乎不变，只是在某一微小范围内上下波动，而应变却急剧增长，这种现象成为屈服。使材料发生屈服的应力称为屈服应力或屈服极限（）。

当材料屈服时，如果用砂纸将试件表面打磨，会发现试件表面呈现出与轴线成斜纹。这是由于试件的斜截面上作用有zui大切应力，这些斜纹是由于材料沿zui大切应力作用面产生滑移所造成的，故称为滑移线。

（3）硬化阶段（ce段）

经过屈服阶段后，应力应变曲线呈现曲线上升趋势，这说明材料的抗变形能力又增强了，这种现象称为应变硬化。

若在此阶段卸载，则卸载过程的应力应变曲线为一条斜线（如斜线），其斜率与比例阶段的直线段斜率大致相等。当载荷卸载到零时，变形并未*消失，应力减小至零时残留的应变称为塑性应变或残余应变，相应地应力减小至零时消失的应变称为弹性应变。卸载完之后，立即再加载，则加载时的应力应变关系基本上沿卸载时的直线变化。因此，如果将卸载后已有塑性变形的试样重新进行拉伸实验，其比例极限或弹性极限将得到提高，这一现象称为冷作硬化。

在硬化阶段应力应变曲线存在一zui高点，该zui高点对应的应力称为材料的强度极限（），强度极限所对应的载荷为试件所能承受的zui大载荷。

（4）颈缩阶段（ef段）

试样拉伸达到强度极限之前，在标距范围内的变形是均匀的。当应力增大至强度极限之后，试样出现局部显著收缩，这一现象称为颈缩。颈缩出现后，使试件继续变形所需载荷减小，故应力应变曲线呈现下降趋势，直至zui后在f点断裂。试样的断裂位置处于颈缩处，断口形状呈杯状，这说明引起试样破坏的原因不仅有拉应力还有切应力。

（二）铸铁的拉伸实验

铸铁的拉伸实验方法与低碳钢的拉伸实验相同，但是铸铁在拉伸时的力学性能明显不同于低碳钢，其应力应变曲线如图2－5所示。铸铁从开始受力直至断裂，变形始终很小，既不存在屈服阶段，也无颈缩现象。断口垂直于试样轴线，这说明引起试样破坏的原因是zui大拉应力。

（三）低碳钢和铸铁的压缩实验

低碳钢试件在压缩过程中，在加载开始段，从应力应变曲线图2－6可以看出，应力与应变成正比，即满足胡克定理。当载荷达到一定程度时，低碳钢试件发生明显的屈服现象。过了屈服阶段后，试件越压越扁，zui终被压成腰鼓形，而不会发生断裂破坏。

铸铁试件在压缩过程中，没有明显的线性阶段，也没有明显的屈服阶段（如图七所示）。铸铁的压缩强度极限约为拉伸强度极限的3-4倍。铸铁试件断裂时，断口方向与试件轴线约成55⁰。一般认为是切应力和摩擦力共同作用的结果。

5 实验步骤

（一）低碳钢的拉伸实验

1、依次打开计算机、变压器，并按下主机外罩上的“复位”按钮启动试验机。

2、双击桌面上的图标WinWdw-PCI ，进入软件操作系统。

3、点击“试验操作”，打开实验操作界面，做拉伸试验时，在软件操作系统的“控制面板”上选取“拉向”。

4、用游标卡尺测量试样的直径和标距，并记录。

在试件的标距范围内测量试件三个横截面处的截面直径，在每个截面上分别取两个相互垂直的方向各测量一次直径。取六次测量的平均值做为原始直径，并据此计算试件的横截面面积。测量标距时，要用游标卡尺测量三次，并取三次测量结果的平均值作为试件的原始长度。

5、做实验

⑴ 装夹拉伸试样。通过试验机的“上升”、“下降”按钮把横梁调整到方便装试件的位置，再把上钳口松开，夹紧试样的上端；

⑵ 使横梁下降，当试样能够夹在下钳口时，停止；

⑶ 在实验操作界面上把负荷、峰值、变形、位移、时间清零，夹紧下钳口；

⑷ 在“控制面板”上选择“位移控制”，采用0.2mm/min的速度使横梁下降，消除预紧力，使负荷变为零；

⑸ 装夹引伸计，并检查引伸计是否已正确连接到计算机主机的端口上；加载速度选0.5mm/min；

⑹ 单击“新建试样”按钮，输入试件的有关信息，包括直径（或长、宽）、标距，然后点击“新建试样” 按钮，再点击“确认”。

⑺ 再次把负荷、峰值、变形、位移、时间等各项分别清零。

⑻ 单击“位移方式”，切换为“取引伸计”模式。在取引伸计模式下，点击“开始”按钮，开始实验。当试件即将进入屈服阶段时，屏幕会弹出对话框提示取下引伸计，此时要迅速取下引伸计。因为此后试件将进入屈服阶段，在载荷—变形图上将看到一个很长的波泿形曲线（表明试件处于流塑阶段），应力变化不大，但应变大大增加。如果不取下引伸计，引伸计将被拉坏。接着材料进入强化阶段，可将加载速度调至5mm/min，继续实验直至试样拉断。

在实验过程中，注意观察屈服（流动）、强化，卸载规律、颈缩、断裂等现象。

⑼ 试样拉断后，立即按“停止”按钮。然后点取“保存数据” 按钮，保存试验数据。取下试样，先将两段试件沿断口整齐地对拢，量取并记录拉断后两标距点之间的长度，及断口处zui小的直径，并计算断后面积。

⑽ 数据处理。单击菜单栏中的“试验分析”，并在相应的对话中选择需要计算的项目。然后单击“自动计算”。需要打印时单击“试验报告”按钮，把需要输出的选项移到右侧的空白框内，在曲线类型栏中选择应力---应变曲线，单击“确定”铵钮后打印试验报告。

（二）铸铁的拉伸实验

操作步骤与低碳钢试验基本相同，不同之处有：

（1）无须装夹引伸计。

（2）速度选择置于2mm/min直至断裂。

（3）在实验中注意读取荷载极限值。

（三）低碳钢压缩实验

其操作步骤与拉伸时基本相同，不同之处有：

（1）试件放于下压头的中心处，移动横梁使上压头逐渐接近试样。但不能接触试样。

（2）用速度2mm/min加压，使上压头接触试样（荷载单元可显2～3kN的预压力）。

（3）试验速度在屈服前用2mm/min，屈服后用5mm/min。

（4）试样不会断裂，曲线画到一定程度即可结束试验；在实验中注意读取屈服时的荷载值。

（四）铸铁压缩实验

操作步骤与低碳钢压缩相同，不同的是试件破断后停机。

全部实验完毕后，关闭软件和试验机，并检查机器和仪器的各开关按键是否置于原始位置，然后关掉电源。

6 试验结果处理

（一）低碳钢的拉伸实验

记录试件的屈服抗力F_s和zui大抗力F_b。试件断裂后，测量断口处的zui小直径和标距间的距离。依据测得的实验数据，计算低碳钢材料的强度指标和塑性指标。

强度指标：

        屈服极限         

        强度极限         

    塑性指标：

        延伸率           

        断面收缩率       

（二）低碳钢的压缩实验

实验前，测量试件的直径和高度。实验时，观察低碳钢试件压缩过程中的现象，测定试件屈服时的抗力F_s，从而计算出低碳钢的屈服极限：

（三）灰口铸铁的拉伸实验

实验前测定试件的直径，试件在拉伸过程中注意观察与低碳钢拉伸试验中不同的现象（如变形小、无屈服、无颈缩、断口平齐等）；记录断裂时的zui大抗力F_b，从而计算出灰口铸铁的拉伸强度极限：。

（四）灰口铸铁的压缩实验

实验前测定试件的直径和高度。实验时观察灰口铸铁试件在压缩过程中的现象，尤其是断口形状；记录压缩破坏时的zui大抗力F_b，计算灰口铸铁压缩强度极限。即

7 预习思考题

1．试比较低碳钢和铸铁在拉伸时的力学性能。

2．压缩时为什么必须将试件对准试验机压头的中心位置，如没有对中会产生什么影响？

3．说明铸铁和低碳钢断口的特点。

4．低碳钢和铸铁在拉伸、压缩中，各要测得哪些数据？观察哪些现象？