内蒙古科技大学：《工程力学》课程教学资源（实验指导）材料拉伸和压缩时力学性能测定实验

材料拉伸和压缩时力学性能测定实验承受轴向拉伸和压缩是工程构件最常见的受力方式之，材料在拉伸和压缩时的力学性能也是材料最重要的力学性能之一。常温、静载下金属材料的单向拉伸和压缩实验也是测定材料力学性能的最基本、应用最广泛、方法最成熟的试验方法。通过拉伸实验所测定的材料的弹性指标E、，强度指标6、ob，塑性指标3、，是工程中评价材质和进行强度、刚度计算的重要依据。下面以典型的塑性材料一低碳钢和典型的脆性材料一铸铁为例介绍实验的详细过程和数据处理方法。一、预习要求1、电子万能材料试验机在实验前需进行哪些调整？如何操作？2、简述测定低碳钢弹性模量E的方法和步骤。3、实验时如何观察低碳钢拉伸和压缩时的服极限？二、材料拉伸时的力学性能测定拉伸时的力学性能实验所用材料包括塑性材料低碳钢和脆性材料铸铁（一）实验目的1、在弹性范围内验证虎克定律，测定低碳钢的弹性模量E。2、测定低碳钢的届服极限6、强度极限o、延伸率3和断面收缩率：测定铸铁拉伸时的强度极限ob3、观察低碳钢和铸铁拉伸时的变形规律和破坏现象4、了解万能材料试验机的结构工作原理和操作。（二）设备及试样1、电子万能材料试验机2、杠杆式引伸仪或电子引伸仪3、游标卡尺。4、拉伸试样。GB6397—86规定，标准拉伸试样如图1所示。截面有圆形(图1a)和矩形（图1b）两种，标距lo与原始横截面积4o比值为11.3的试样称为长试样，标距lo与原始横截面积Ao比值为5.56 的试样称为短试样。对于直径为d 的长试样，b=10d；对于直径为do的短试样，b=5d。实验前要用划线机在试样上画出标距线。（三）低碳钢拉伸实验1、实验原理与方法0.81常温下的拉伸实验是测定材料力学性能的基本实验，可用以测定弹性模量E、屈服极限o、强度极限ob、延伸率和断面收缩率等力学性能指标。这些指标都是工程设计中常用的力学性能参数。现以液压式万能材a料试验机为例说明其测量原理和方(b)①弹性模量 E 的测定图 1 标准拉伸试样在比例极限范围内

材料拉伸和压缩时力学性能测定实验 承受轴向拉伸和压缩是工程构件最常见的受力方式之一，材料在拉伸和压缩时的力学 性能也是材料最重要的力学性能之一。常温、静载下金属材料的单向拉伸和压缩实验也是测 定材料力学性能的最基本、应用最广泛、方法最成熟的试验方法。通过拉伸实验所测定的材 料的弹性指标 E、μ，强度指标 σs、σb，塑性指标 δ、ψ，是工程中评价材质和进行强度、刚 度计算的重要依据。下面以典型的塑性材料——低碳钢和典型的脆性材料——铸铁为例介绍 实验的详细过程和数据处理方法。 一、预习要求 1、 电子万能材料试验机在实验前需进行哪些调整？如何操作？ 2、 简述测定低碳钢弹性模量 E 的方法和步骤。 3、 实验时如何观察低碳钢拉伸和压缩时的屈服极限？ 二、材料拉伸时的力学性能测定 拉伸时的力学性能实验所用材料包括塑性材料低碳钢和脆性材料铸铁。 （一） 实验目的 1、在弹性范围内验证虎克定律，测定低碳钢的弹性模量 E。 2、测定低碳钢的屈服极限 σs、强度极限 σb、延伸率 δ 和断面收缩率 ψ；测定铸铁拉伸 时的强度极限 σb。 3、观察低碳钢和铸铁拉伸时的变形规律和破坏现象。 4、了解万能材料试验机的结构工作原理和操作。 （二） 设备及试样 1、电子万能材料试验机。 2、杠杆式引伸仪或电子引伸仪。 3、游标卡尺。 4、拉伸试样。 GB6397—86 规定，标准拉伸试样如图 1 所示。截面有圆形(图 1a)和矩形（图 1b）两种， 标距 l0 与原始横截面积 A0 比值为 11.3 的试样称为长试样，标距 l0 与原始横截面积 A0 比值为 5.56 的试样称为短试样。对于直径为 d0 的长试样，l0=10d0；对于直径为 d0 的短试样，l0=5d0。 实验前要用划线机在试样上画出标距线。 （三） 低碳钢拉伸实验 1、实验原理与方法 常温下的拉伸实验是测定材料力 学性能的基本实验，可用以测定弹性 模量 E、屈服极限 σs、强度极限 σb、 延伸率 δ 和断面收缩率 ψ 等力学性能 指标。这些指标都是工程设计中常用 的力学性能参数。现以液压式万能材 料试验机为例说明其测量原理和方 法。 ①弹性模量 E 的测定 在比例极限范围内 图 1 标准拉伸试样

P.1(1)="A.N其中，lo=20mm，为引伸仪的标距；4o为试样横截面平均面积。可见，只要测出试样上作用的拉力P和标距内的伸长41，即可求出弹性模量E值。为了检验载荷与变形间关系是否符合虎克定律，并减少测量误差，试验时用增量法施加载荷。即把载荷分成若干相等的加载等级4P，每加载一级时由引伸仪读出对应的伸长，最后算出与4P对应的变形平均值（4I）（见图2)。将公式（1）改写为：AP-lo(2)E:A8(A)便可求出弹性模量。钢材的弹性模量大约200GPa注意最高载荷不能超过比例极限范围。测完E值后先停止加载卸下引伸仪，再进行其他试验测定。为了消除引伸仪和试验机机构的间隙以及Potad开始阶段引伸仪刀口在试样上的可能滑动，对试样应先施加一个初载荷Po。即在装好引伸仪后开动试验机给试样加一个初载荷，一般取2图 2 低碳钢弹性模量测定5KN。自初载荷起，逐渐加载，测量其伸长。②屈服极限c.和强度极限α的测定测量E值后继续加载，到达屈服极限时P一4I 曲线呈锯齿形（见图2)。一般首次载荷下降的最低点称为初始瞬时效应，不作为强度指标取值，把初始瞬时效应后的最低载荷PsL对应的应力作为屈服极限s。测量时注意示力指针的波动情况，捕捉指针所指的最小载荷PsL。得屈服极限PsLa.(MPa)(3)式中，A为试样横截面的最小面积屈服过程中注意观察试样上出现的沿45°方向的滑移线。屈服阶段过后，进入强化阶段（见图3），试样又恢复了承载能力。载荷到达最大值Pb时试样某一局部开始出现局部收缩的现象称为颈缩现象，载荷开始下降，直至拉断。拉断后由度盘上的被动指针读出Pb，得强度极限强化阶段P (MPa)(4)③延伸率和断面收缩率的测定试样的标距原长为1o，拉断试样后将两段试样紧密地对接在一起，量出拉断后的标距长为图3低碳钢强化阶段h，则延伸率为8 =l-lb ×100%(5)

A l P l E   = = 0 0   （1） 其中，l0=20mm，为引伸仪的标距；A0 为试样横截面平均面积。 可见，只要测出试样上作用的拉力 P 和标距内的伸长 Δl，即可求出弹性模量 E 值。 为了检验载荷与变形间关系是否符合虎克定律，并减少测量误差，试验时用增量法施加载荷。 即把载荷分成若干相等的加载等级 ΔP，每加载一级时由引伸仪读出对应的伸长，最后算出 与 ΔP 对应的变形平均值 δ（Δl）（见图 2）。将公式（1）改写为： ( ) 0 0 A l P l E     =  （2） 便 可 求出 弹 性模 量。 钢 材的 弹性 模 量大 约 200GPa。 注意最高载荷不能超过比例极限范围。测完 E 值后先停止加载卸下引伸仪，再进行其他试验 测定。为了消除引伸仪和试验机机构的间隙以及 开始阶段引伸仪刀口在试样上的可能滑动，对试 样应先施加一个初载荷 P0。即在装好引伸仪后， 开动试验机给试样加一个初载荷，一般取 2— 5KN。自初载荷起，逐渐加载，测量其伸长。 ②屈服极限 σs 和强度极限 σb 的测定 测量 E 值后继续加载，到达屈服极限时 P—Δl 曲线呈锯齿形（见图 2）。一般首次载荷 下降的最低点称为初始瞬时效应，不作为强度指标取值，把初始瞬时效应后的最低载荷 PsL 对应的应力作为屈服极限 σs。测量时注意示力指针的波动情况，捕捉指针所指的最小载荷 PsL。得屈服极限 A PsL  s = （MPa） （3） 式中，A 为试样横截面的最小面积。 屈服过程中注意观察试样上出现的沿 450 方向的滑移线。 屈服阶段过后，进入强化阶段（见图 3），试样又恢复了承载能力。载荷到达最大值 Pb 时试样某一局部开始出现局部收缩的现象称为 颈缩现象，载荷开始下降，直至拉断。拉断后由 度盘上的被动指针读出 Pb，得强度极限 A Pb  b = （MPa） （4） ③延伸率 δ 和断面收缩率 ψ 的测定 试样的标距原长为 l0，拉断试样后将两段试 样紧密地对接在一起，量出拉断后的标距长为 l1，则延伸率为 100% 0 1 0  − = l l l  （5） 图 2 低碳钢弹性模量测定 图 3 低碳钢强化阶段

断口附近塑性变形最大，所以1的量取与断口的位置有关。如果断口发生于1o的两端处或在1o之外，则实验无效，应重做。若断口距10一端距离小于等于1o/3，则需进行修正。修正方法在后面讨论。试样拉断后，设颈缩部位的最小横截面积为A1，按下式计算断面收缩率Ag-4×100%(6)Ao由于断口不是规则的圆形，应在两个互相垂直的方向量取最小截面的直径，以其平均值计算A1。2、实验步骤①测量试样尺寸在标距内上、中、下三个部位互相垂直的两个方向上测量直径并算出每处的平均值，三三个平均值的平均值4o用于E、的计算，最小平均值A用于应力。的计算。将有关数据填入表1内。表1拉伸实验原始数据表实验前试样尺实验后试样尺寸屈服破坏材料直径d（mm载荷载益三距断口处直径名称面积Pst位置一位置位置mmdi(mm)KN)(KN)低碳A211铸铁2②调整试验机按照操作规程调整好试验机③安装试样及引伸仪安装试样和引伸仪并调零④加载测定E值时，分六级加载，分别记录各级载荷时引伸仪读数到表2中。加载应注意均匀缓慢。各测试人员应密切配合，做到读数准确及时，并随时检查是否符合虎克定律；测完E值后先取下引伸仪，然后再继续加载观察屈服极限力PsL和屈服现象；过了届服阶段后可加快加载速度直到拉断，注意观察颈缩现象，由度盘被动指针读出强度极限力Pb表2测量弹性模量E数据记录表第三级第四级第五级第级第六纟载荷（KN）引伸仪读数读数增量③卸下试样，测量几何尺寸测量标距长度和颈缩处的最小直径。③结束检查数据，经指导教师签字认可后，结束实验。（四）铸铁拉伸实验由于铸铁属脆性材料，在没有明显屈服的情况下就会断裂，因此只测其拉伸时的强度极限。类似于低碳钢拉伸实验，测量试样直径后，将试样安装到试验机上，均匀缓慢加载直

断口附近塑性变形最大，所以 l1 的量取与断口的位置有关。如果断口发生于 l0 的两端处或 在 l0 之外，则实验无效，应重做。若断口距 l0 一端距离小于等于 l0/3，则需进行修正。修正 方法在后面讨论。 试样拉断后，设颈缩部位的最小横截面积为 A1，按下式计算断面收缩率 100% 0 0 1  − = A A A  （6） 由于断口不是规则的圆形，应在两个互相垂直的方向量取最小截面的直径，以其平均 值计算 A1。 2、实验步骤 ①测量试样尺寸 在标距内上、中、下三个部位互相垂直的两个方向上测量直径并算出 每处的平均值，三个平均值的平均值 A0 用于 E、ψ 的计算，最小平均值 A 用于应力 σ 的计 算。将有关数据填入表 1 内。 表 1 拉伸实验原始数据表 材料 名称 实验前试样尺寸 实验后试样尺寸 屈服 载荷 PSL (KN) 破坏 载荷 Pb (KN) 直径 d0（mm） 最小 面积 A （mm2） 平均面 积 A0 （mm2） 标距 l1 （mm） 断口处直径 位置一 位置二 位置三 d1（mm） 低碳 钢 1 1 1 1 2 2 2 2 均 均 均 均 铸铁 1 1 1 2 2 2 — — — 均 均 均 ②调整试验机 按照操作规程调整好试验机。 ③安装试样及引伸仪 安装试样和引伸仪并调零。 ④加载 测定 E 值时，分六级加载，分别记录各级载荷时引伸仪读数到表 2 中。加载 应注意均匀缓慢。各测试人员应密切配合，做到读数准确及时，并随时检查是否符合虎克定 律；测完 E 值后先取下引伸仪，然后再继续加载观察屈服极限力 PsL 和屈服现象；过了屈服 阶段后可加快加载速度直到拉断，注意观察颈缩现象，由度盘被动指针读 出强度极限力 Pb。 表 2 测量弹性模量 E 数据记录表 第一级 第二级 第三级 第四级 第五级 第六级 载荷（KN） 引伸仪读数 读数增量 ⑤卸下试样，测量几何尺寸 测量标距长度和颈缩处的最小直径。 ⑥结束 检查数据，经指导教师签字认可后，结束实验。 （四）铸铁拉伸实验 由于铸铁属脆性材料，在没有明显屈服的情况下就会断裂，因此只测其拉伸时的强度 极限。类似于低碳钢拉伸实验，测量试样直径后，将试样安装到试验机上，均匀缓慢加载直

到拉断。记录下最大载荷Pb，则铸铁拉伸时的强度极限为(MPa)0.=三、材料压缩时的力学性能测定（一）实验目的1、测定低碳钢压缩时的屈服极限c.和铸铁压缩时的强度极限ob。2、观察比较两种材料压缩破坏现象。（二）实验仪器及试样1、万能材料试验机。2、游标卡尺。3、压缩试样。压缩试样通常为圆柱形，也分短、T长两种（图4a和b)。短试样用于测定材料抗压强度通常规定1<≤3：长试样多用于测定钢、铜等材料的弹性常数 E、μ等。（三）实验步骤及数据处理1、测量试样尺寸测定试样的初始高度和直径，图4压缩试样并记录到表3中。测定直径时，需在试样中部量取互相垂直的两个方向的数据取平均值2、调整试验机选择合适的摆锤和示力度盘，自动绘图装置上安装好纸和笔，开动油泵电机。3、低碳钢压缩实验安放试样到万能材料试验机活动平台上，注意应放在正中央。开动试验机送油阀，先使活动平台快速提升，当试样与上承压板将要接触时，应减少供油量放缓提升速度以免压缩过程过快使测试失败。当外载荷加上后观察示力指针，当示力指针停顿并有回摆时说明进入屈服阶段，记录下指针回摆的最低点读数，此值即为对应于屈服极限的载荷值Ps。当示力指针继续上升时，此时进入强化阶段，试样出现明显的变形。变形至一定程度后关闭送油阀打开回油阀卸去载荷，观察试样变形情况。准备工作与低碳钢压缩相同。安装好试样后打开送油阀对试样进4、铸铁的压缩实验行压缩直到压断后卸去载荷，通过示力盘上从动指针位置读出最大载荷，此值即为对应于强度极限的载荷值Pb。5、数据处理根据测定的试样尺寸计算出试样的横截面积，得：P低碳钢的屈服极限,=A0.=4铸铁的强度极限表3 压缩实验原始数据记录表材料名称试样高度直径d (mm)横截面积属服载荷最大载荷

到拉断。记录下最大载荷 Pb，则铸铁拉伸时的强度极限为 A Pb  b = （MPa） 三、材料压缩时的力学性能测定 （一）实验目的 1、测定低碳钢压缩时的屈服极限 σs 和铸铁压缩时的强度极限 σb。 2、观察比较两种材料压缩破坏现象。 （二）实验仪器及试样 1、万能材料试验机。 2、游标卡尺。 3、压缩试样。压缩试样通常为圆柱形，也分短、 长两种（图 4a 和 b）。短试样用于测定材料抗压强度， 通常规定 1 3 0 0   d h ；长试样多用于测定钢、铜等材 料的弹性常数 E、μ 等。 （三）实验步骤及数据处理 1、测量试样尺寸 测定试样的初始高度和直径， 并记录到表 3 中。测定直径时，需在试样中部量取 互相垂直的两个方向的数据取平均值。 2、调整试验机 选择合适的摆锤和示力度盘，自动绘图装置上安装好纸和笔，开动油 泵电机。 3、低碳钢压缩实验 安放试样到万能材料试验机活动平台上，注意应放在正中央。开 动试验机送油阀，先使活动平台快速提升，当试样与上承压板将要接触时，应减少供油量， 放缓提升速度以免压缩过程过快使测试失败。当外载荷加上后观察示力指针，当示力指针停 顿并有回摆时说明进入屈服阶段，记录下指针回摆的最低点读数，此值即为对应于屈服极限 的载荷值 Ps。当示力指针继续上升时，此时进入强化阶段，试样出现明显的变形。变形到 一定程度后关闭送油阀打开回油阀卸去载荷，观察试样变形情况。 4、铸铁的压缩实验 准备工作与低碳钢压缩相同。安装好试样后打开送油阀对试样进 行压缩直到压断后卸去载荷，通过示力盘上从动指针位置读出最大载荷，此值即为对应于强 度极限的载荷值 Pb。 5、数据处理 根据测定的试样尺寸计算出试样的横截面积，得： 低碳钢的屈服极限 A Ps  s = 铸铁的强度极限 A Pb  b = 表 3 压缩实验原始数据记录表 材料名称 试样高度 h 直径 d0（mm） 横截面积 A 屈服载荷 最大载荷 图 4 压缩试样

低碳钢铸铁四、实验报告1、按表1、2和3形式记录、处理实验数据。2、实验结果计算应列出公式，写出步骤。3、回答下列问题（写明题号，不必抄题）：（1）试简述低碳钢和铸铁拉压时力学性能的异同。（2）测定弹性模量E时为何要加初载荷并限制最高载荷？使用分级加载的目的是什么？

（mm） 1 2 均 （mm2） PS（KN） Pb（KN） 低碳钢 —— 铸铁 —— 四、实验报告 1、按表 1、2 和 3 形式记录、处理实验数据。 2、实验结果计算应列出公式，写出步骤。 3、回答下列问题（写明题号，不必抄题）： （1）试简述低碳钢和铸铁拉压时力学性能的异同。 （2）测定弹性模量 E 时为何要加初载荷并限制最高载荷？使用分级加载的目的是什 么？