实验一 低碳钢和铸铁的拉伸实验
一、实验目的要求
１．测定低碳钢的流动极限S σ、强度极限b σ、延伸率δ、截面收缩率ψ和铸铁的强度极
限b σ。
２．低碳钢和铸铁在拉伸过程中表现的现象，绘出外力和变形间的关系曲线（L F ∆-曲
线）。
３．比较低碳钢和铸铁两种材料的拉伸性能和断口情况。
二、实验设备和仪器
CMT5504/5105电子万能试验机、游标卡尺等
图1-1 CMT5504/5105电子万能试验机
三、拉伸试件
金属材料拉伸实验常用的试件形状如图所示。
图中工作段长度l 称为标距，试件的拉伸变形量一般由这一段的变形来测定，两端较粗部分是为了便于装入试验机的夹头内。
为了使实验测得的结果可以互相比较，试件必须按国家标准做成标准试件，即d l 5=或d l 10=。
对于一般板的材料拉伸实验，也应按国家标准做成矩形截面试件。
其截面面积和试件标距关系为A l 3.11=或A l 65.5=，A 为标距段内的截面积。
低碳钢拉伸
铸铁拉伸
图1-2 拉伸试件
四、实验原理和方法
1．低碳钢拉伸实验
低碳钢试件在静拉伸试验中，通常可直接得到拉伸曲线，如图1—3所示。
用准确的拉
σ-曲线。
首先将试件安装于试验机的夹头内，之后匀速缓伸曲线可直接换算出应力应变ε
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)，试样依次经过弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段，其中前三个阶段是均匀变形的。
图1-3 低碳钢拉伸曲线
OA段，没有任何残留变形。
在弹性阶段，载荷与变形
(1) 弹性阶段是指拉伸图上的'
是同时存在的，当载荷卸去后变形也就恢复。
在弹性阶段，存在一比例极限点A，对应的应σ，此部分载荷与变形是成比例的。
力为比例极限
p
(2) 屈服阶段对应拉伸图上的BC段。
金属材料的屈服是宏观塑性变形开始的一种标志，是由切应力引起的。
在低碳钢的拉伸曲线上，当载荷增加到一定数值时出现了锯齿现象。
这种载荷在一定范围内波动而试件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能就是屈服点。
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
F，即试件发生屈服而力首次下降前的最屈服点。
上屈服点对应拉伸图中的B点，记为
SU
F，是指不计初始瞬时效应的屈服阶段中的最小力值，注意这里的大力值。
下屈服点记为
SL
初始瞬时效应对于液压摆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或液压伺服试验机不明显。
图 1-4 常见屈服曲线
一般通过指针法或图示法来确定屈服点，综合起来具体做法可概括为：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1-4给出了几种常见屈服现象和SL F 、SU F 的确定方法。
用上述方法测得屈服载荷，分别用式(1-1)、式(1-2)、式(1—3)计算出屈服点、下屈服点和上屈服点。
S σ=0/A F (1-1) SL σ=0/A F SL (1-2) SU σ=0/A F SU (1-3)
(3) 强化阶段 对应于拉伸图中的CD 段。
变形强化标志着材料抵抗继续变形的能力在增强。
这也表明材料要继续变形，就要不断增加载荷。
在强化阶段如果卸载，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阶段平行。
卸载后重新加载时，加载线仍与弹性阶段平行。
重新加载后，材料的比例极限明显提高，而塑性性能会相应下降。
这种现象称之为冷作硬化。
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、冷拔等。
D 点是拉伸曲线的最高点，载荷为b F ，对应的应力是材料的强度极限或抗拉极限，记为b σ，用式（1-4）计算
b σ=0/A F b (1-4) (4) 颈缩阶段 对应于拉伸图的DE 段。
载荷达到最大值后，塑性变形开始局部进行。
这是因为在最大载荷点以后，冷作硬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，试件承受的载荷也不断下降，直至断裂。
断裂后，试件的弹性变形消失，塑性变形则永久保留在破断的试件上。
材料的塑性性能通常用试件断后残留的变形来衡量。
轴向拉伸的塑性性能通常用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示，计算公式为
%100/)(001⨯-=l l l δ (1-5) %100/)(010⨯-=A A A ψ (1-6) 式中，0l 、0A 分别表示试件的原始标距和原始面积；1l 、1A 分别表示试件标距的断后长度和断口面积。
塑性材料颈缩部分的变形在总变形中占很大比例，研究表明，低碳钢试件颈缩部分的变形占塑性变形的80％左右，见图1-5。
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1l 之内，这就要求断口位置到最邻近的标距线大于3/0l ，此时可直接测量试件标距两端的距离得到1l 。
否则就要用移位法使断口居于标距的中央附近。
若断口落在标距之外则试验无效。
2．铸铁拉伸实验
铸铁是典型的脆性材料，拉伸曲线如图1-7所示，可以近似认为经弹性阶段直接断裂。
断裂面平齐且为闪光的结晶状组织，说明是由拉应力引起的。
其强度指标也只有抗拉强度b σ，用实验测得的最大力值b F ，除以试件的原始面积0A ，就得到铸铁的抗拉强度b σ，即
b σ=b F / 0A (1-7)
图1-7 铸铁拉伸曲线图
五、实验方法与步骤
（一）、拉伸实验：
１、低碳钢的试件的准备：在试件中段取标距5
l d既50mm在标距两端用脚标规打上冲眼作为标志，用游标卡尺在试件标距范围内测量中间和两端三处直径d（在每处的两个互相垂直的方向各测一次取其平均值）取最小值作为计算试件横截面面积用。
铸铁拉伸试件的准备用游标卡尺在试件标距范围内测量中间和两端三处直径d取最小值作为计算试件横截面面积用。
２、操作步骤：
1）、开电脑显示器电源，开控制器电源，开主机电源；
2）、鼠标点击CMT5504/5105电子万能试验机SANS图标，进入联机参数界面，进入控制操作界面；
3）、点击右侧上下按键使横梁上下移动至和适位置；
4）、根据试样形式装上相应夹头；
5）、设定试验方案和试验参数；
6）、传感器初值置零；
7）、点击(运行)按钮，开始试验，试验结束自动停止，点击生成试验报告；
8）、安装下一根试样，重复步骤8），直到所有试样全部试验结束；
9）、打印试验报告；
10）、关主机，关电脑显示器电源，关控制器电源，取下拉断的试件，将断裂的试件紧
对到一起，用游标卡尺测量出断裂后试件标距间的长度
1
l，按下式可计算出低碳钢的延伸率
10
0100%
l l
δ
l
将断裂的试件的断口紧对在一起，用游标卡尺量出断口（细颈）处的直径
1
d，计算出
面积
1
A；按下式可计算出低碳钢的截面收缩率 ，
01
0100%
A A
ψ
A
11）、清理试验现场。
二）、注意事项：
1、更换试样夹持装置时，注意装置重心，防止装置倾倒砸伤人员或砸坏试验机；
2、安装试样时注意尽可能对中；
3、试验时在试样周围设置护栏，以防试样断裂瞬间飞出伤人；
4、试验过程中发现意外情况，立即按下试验机机座上的红色急停按钮，请试验机管理人员检查。
5、试验完毕清理并恢复试验现场，请试验机管理人员检查试验机状况，做好试验记录。
六、实验结果处理
以表格的形式处理实验结果。
根据记录的原始数据，计算出低碳钢的S σ、
b σ、δ和ψ，铸铁的抗拉强度b σ和抗压强度b
c σ。
将计算结果填入实验报告表。
七、思考题
（1） 由实验现象和结果比较低碳钢和铸铁的机械性能有何不同？
（2） 实验时如何观察低碳钢的屈服极限？
（3） 材料相同而标距分别为5d 和10d 的两种试件，其b s σσψδ、、、是否相同？为什
么？
八、实验报告格式(仅供参考)
实验名称： 班级： 实验日期：
报告人： 同组者：
（1）实验目的：
（2）实验设备和工具：
试验机名称： 型号： 读数精度：
量具名称： 型号： 规格精度
（3）实验原理方法简述：
（4）实验步骤简述：
（5）实验数据和结果处理(见表1-1拉伸试件尺寸表和表1-2实验数据和处理结果。
）
（6）根据实验结果绘制应力一应变曲线，以及试样断口草图。
（7）分析讨论和回答思考题。
实验二低碳钢和铸铁的压缩实验
一、实验目的
（1）比较低碳钢和铸铁压缩变形和破坏现象。
（2）测定低碳钢的屈服极限σs和铸铁的强度极限σb。
（3）比较铸铁在拉伸和压缩两种受力形式下的机械性能、分析其破坏原因。
（4）熟悉压力试验机和万能试验机的使用方法。
一、实验仪器和设备
（1）CMT5504/5105电子万能试验机。
（2）游标卡尺。
三、试件介绍
根据国家有关标准，低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试件一般制成圆柱形试件。
低碳钢压缩试件的高度和直径的比例为3：2，铸铁压缩试件的高度和直径的比例为2：1。
试件均为圆柱体。
四、实验原理及方法
压缩实验是研究材料性能常用的实验方法。
对铸铁、铸造合金、建筑材料等脆性材料尤为合适。
通过压缩实验观察材料的变形过程、破坏形式，并与拉伸实验进行比较，可以分析不同应力状态对材料强度、塑性的影响，从而对材料的机械性能有比较全面的认识。
低碳钢压缩时也会发生屈服，但并不象拉伸那样有明显的屈服阶段。
因此，在测定Ps 时要特别注意观察。
在缓慢均匀加载下，当材料发生屈服时，读数增加缓慢甚至减小，这时对应的载荷即为屈服载荷Ps。
屈服之后加载到试件产生明显变形即停止加载。
这是因为低碳钢受压时变形较大而不破裂，因此愈压愈扁。
横截面增大时，其实际应力不随外载荷增加
，所以在实验中是以变形来控而增加，故不可能得到最大载荷P b,因此也得不到强度极限
b
制加载的。
铸铁试件压缩时，在达到最大载荷P b前出现较明显的变形然后破裂，此时试验机读数迅速减小，读取最大载荷P b值，铸铁试件最后略呈变形，断裂面与试件轴线大约呈450。
五、实验步骤
1）测量试件的直径和高度。
测量试件两端及中部三处的截面直径，取三处中最小一处的平均直径计算横截面面积。
2）将试件放在试验机活动台球形支撑板中心处。
3）、设定试验方案和试验参数；对于低碳钢，要及时记录其屈服载荷，超过屈服载荷后，继
续加载，将试件压成鼓形即可停止加载。
铸铁试件加压至试件破坏为止。
4）、初值置零；
5）、点击开始试验按钮，开始试验，试验结束自动停止，生成试验报告； 6）、安装下一根试样，重复步骤8），直到所有试样全部试验结束； 7）、打印试验报告；
六、实验结果
（1）读取记录低碳钢的屈服极限s σ
A P s
s =
σ （2-1） （2）读取记录铸铁的强度极限b σ
A P b
b =
σ （2-2） 其中2004
1
d A π=
，0d 为试件实验前最小直径。
七、思考题
（1）为何低碳钢压缩测不出破坏载荷，而铸铁压缩测不出屈服载荷？ （2）根据铸铁试件的压缩破坏形式分析其破坏原因，并与拉伸作比较？ （3）通过拉伸与压缩实验，比较低碳钢的屈服极限在拉伸和压缩时的差别？ （4）通过拉伸与压缩实验，比较铸铁的强度极限在拉伸和压缩时的差别？
实验三 低碳钢和铸铁的扭转实验
一、实验目的
1．观察低碳钢的扭转破坏现象，并测定其剪切屈服极限τs 和剪切强度极限τb ； 2．观察铸铁的扭转破坏现象，并测定其剪切强度极限τb 。
二、实验设备
1．CTT1000/最大扭矩 500Nm 微机控制扭转试验机。
2．游标卡尺。
图3-1 CTT1000/最大扭矩 500Nm 微机控制扭转试验机
三、实验试样
按照国家标准GB10128—88《金属室温扭转试验方法》，金属扭转试样的形状随着产品的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试样和管形截面试样两种。
其中最常用的是圆形截面试样，如图2-1所示。
通常，圆形截面试样的直径mm 10=d ，标距d l 5=或
d l 10=，平行部分的长度为mm 20+l 。
若采用其它直径的试样，其平行部分的长度应为标
距加上两倍直径。
试样头部的形状和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹持。
由于扭转试验时，试样表面的切应力最大，试样表面的缺陷将敏感地影响试验结果，所以，对扭转试样的表面粗糙度的要求要比拉伸试样的高。
对扭转试样的加工技术要求参见国家标准GB10128—88。
图2-1 扭转试样
四、实验原理与方法
从理论知道，圆柱形试件在扭转时，横截面边缘上任一点处于纯剪切应力状态（图2-2）。
由于纯剪切应力状态是属于二向应力状态，两个主应力的绝对值相等，大小等于横截面上该点处的剪应力τ，即
τσσ==31，其方向为与圆杆轴线成±45角的螺旋面上。
圆杆扭
转时横截面上有最大剪应力，而45°斜截面上有最大拉应力，由于各种材料抵抗剪切和拉伸的能力不同，故不同材料有各种不同的破坏形式。
由此可以分析低碳钢和铸铁扭转时的破坏原因。
由于低碳钢的抗剪强度低于抗拉强度，试件横截面上的最大剪应力引起沿横截面剪断破坏；而铸铁抗拉强度低于抗剪强度，试件由与杆轴线成45°的斜截面上的1σ引起拉断破坏。
图2-2 园轴扭转时的应力 1、 低碳钢试样的扭转
低碳钢是塑性材料，其扭转曲线（图2-3）与拉伸类似，随扭矩T 的增加，材料经过弹性变形（O-A 段）、塑性变形（A-B 段）、强化（B-C 段）和断裂四个阶段而被破坏，断口是很齐的横断面，这是因为剪应力超过了材料的剪切强度极限所致。
对于低碳钢材料M-φ曲线有两种类型，如图2-4所示。
图2-4 低碳钢T
φ曲线
b T T
s
T b
T
T
s
T
图2-3 低碳钢扭转曲线
(a) (b) (c)
图2-5 低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图
低碳钢试件在受扭的最初阶段，扭矩M 与扭转角φ成正比关系，横截面上剪应力沿半径线性分布如图2-5a 所示。
随着扭矩Mn 的增大，横截面边缘处的剪应力首先达到剪切屈服极限s τ，且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区见图2-5b 。
但中心部分仍是弹性的。
试件继续变形，屈服从试件表层向心部扩展直到整个截面几乎都是塑性区如图2-5c 所示。
在T
φ曲线上出现屈服平台见图2-4。
试验机指针基本不动此时对应的扭矩即为屈服扭矩
s T 。
随后，材料进入强化阶段，变形增加，扭矩随之增加，直到试件破坏为止。
因扭转无
颈缩现象。
所以，扭转曲线一直上升而无下降情况，试件破坏时的扭矩即为最大扭矩b T 。
现在推导扭转屈服极限s τ及b τ的计算公式。
扭矩超过比例极限后，截面上的剪应力分布发生变化，如图2-5b 。
在截面上出现了一个环状塑性区，并随着T 的增长，塑性区逐步向中心扩展，T
φ曲线稍微上升，直到B 点
趋于平坦，截面上各材料完全达到屈服，扭矩度盘上的指针几乎不动或摆动，此时测力度盘上指示出的扭矩或指针摆动的最小值即为屈服扭矩s T 。
如图2-5b ，根据静力平衡条件，可以求得s τ与s T 的关系为：
s
s A
T ρτdA （2-1）
将式中dA 用环状面积元素ρπρd 2表示，则有
/22p 4
23
d s
s
s o
T πτρd ρ
τW （2-2） 故剪切屈服极限为：
34S
s
p
T τW （2-3） 类似可求得
34b
b p
T W τ=
（2-4） 式中p W 为圆轴的抗扭截面模量，其值由下式计算
2、 铸铁试样的扭转
铸铁属脆性材料，其扭转曲线如图2-4所示，扭转时变形很小就突然断裂，有爆裂声，断裂面粗糙，是与轴线约成45度角的螺旋面，这是由于最大拉应力超过了材料的强度极限而破坏的。
一般按式（2-4）计算铸铁的抗扭强度。
图2-4 铸铁扭转曲线
由于低碳钢材料在纯剪切应力状态下，其抗正断能力高于抗剪断能力，故低碳钢试件将沿最大剪应力所在的横截面 剪断，断口平齐。
呈现了切断的特征。
而铸铁材料在纯剪切应力状态下，其抗正断能力低于抗剪断能力，所以，铸铁试件将从其表面某一最弱处，沿与轴线呈的
45螺旋状曲面被拉断，呈现正断断口的特征。
3、破坏分析
根据试件扭转破坏断口形式如图2-5所示。
低碳钢圆形试件的破坏断面与曲线垂直 见图2-5a ，显然是沿最大剪应力的作用面发生断裂，为剪应力作用而剪断。
故低碳钢材料的抗剪能力低于抗拉（压）能力；铸铁圆形试件破坏断面与轴线成45°螺旋面 见图2-5b ，破坏断口垂直于最大拉应1σ方向，断面呈晶粒状，这是正应力作用下形成脆性断口，故铸铁材料是当最大拉应力首先达到其抗拉强度极限时，在该截面发生拉断破坏。
3
016
p
πd W
( a )低碳钢：剪断( b )铸铁：拉断
图2-5 扭转断口示意图
五、实验方法与步骤
１、试件的准备：用游标卡尺在试件标距范围内测量中间和两端三处直径d（在每处的两个互相垂直的方向各测一次取其平均值）取最小值作为计算试件横截面面积用。
２、操作步骤：
1）、开电脑显示器电源，开控制器电源，开主机电源；
2）、鼠标点击电子扭转实验机图标，进入参数界面，单击主屏单菜通讯项点击联机按钮，进入控制操作界面；系统显示窗口显示PC字样。
3）、根据试样形式，点击转动按键至使夹头转至和适位置；安装试样拧紧内螺栓；
4）、设定试验方案和试验参数；
5）、各数据初值置零；
6）、点击开始试验按钮，开始试验，试验结束自动停止，保存试验结果；
7）、提取试验结果，结果显示，读取各参数并记录；
8）、安装下一根试样，重复步骤8），直到所有试样全部试验结束；
9）、打印试验报告；
10）、关主机，关电脑显示器电源，关控制器电源，取下扭断的试件。
六、实验注意事项
1、安装试件时一定要牢固，防止松动打滑。
2、试件扭转时严禁用手触摸试件，并防止衣物等被机器缠绕。
3、注意不要接触现场电源线，以防止触电。
七、实验报告要求：参考下表并回答思考题
八、思考题
1、比较低碳钢与灰铸铁试样的扭转破坏断口，并分析它们的破坏原因。
45螺旋面。
2、铸铁扭转破坏的断裂面为何是
3、低碳钢拉伸和扭转的断裂方式是否一样？其破坏原因是否相同？
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