材料力学性能实验报告

大连理工大学实验报告

学院（系）：材料科学与工程学院 专业：材料成型及控制工程 班级：材0701 姓 名： 学号： 组： ___

指导教师签字： 成绩：

实验一 金属拉伸实验

Metal Tensile Test

一、

实验目的 Experiment Objective

1、掌握金属拉伸性能指标屈服点ζS，抗拉强度ζb，延伸率δ和断面收缩率φ的测定方法。 2、掌握金属材料屈服强度ζ

0.2的测定方法。

3、了解碳钢拉伸曲线的含碳量与其强度、塑性间的关系。 4、简单了解万能实验拉伸机的构造及使用方法。

二、

实验概述 Experiment Summary

金属拉伸实验是检验金属材料力学性能普遍采用的极为重要的方法之一，是用来检测金属材料的强度和塑性指标的。此种方法就是将具有一定尺寸和形状的金属光滑试样夹持在拉力实验机上，温度、应力状态和加载速率确定的条件下，对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。通过拉伸实验可以解释金属材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即过量弹性变形，塑性变形和断裂。在实验过程中，试样发生屈服和条件屈服时，以及试样所能承受的最大载荷除以试样的原始横截面积，求的该材料的屈服点ζS，屈服强度ζ

0.2和强度极限ζb。用

试样断后的标距增长量及断处横截面积的缩减量，分别除以试样的原始标距长度，及试样的原始横截面积，求得该材料的延伸率δ和断面收缩率φ。

三、

实验用设备The Equipment of Experiment

拉力实验的主要设备为拉力实验机和测量试样尺寸用的游标卡尺，拉力

实验机主要有机械式和液压式两种，该实验所用设备原东德WPM—30T液压式万能材料实验机。液压式万能实验机是最常用的一种实验机。它不仅能作拉伸试验，而且可进行压缩、剪切及弯曲实验。

（一） 加载部分 The Part of Applied load

这是对试样施加载荷的机构，它利用一定的动力和传动装置迫使试样产生变形，使试样受到力或能量的作用。其加载方式是液压式的。在机座上装有两根立柱，其上端有大横梁和工作油缸。油缸中的工作活塞支持着小横梁。小横梁和拉杆、工作台组成工作框架，随工作活塞生降。工作台上方装有承压板和弯曲支架，其下方为钳口座，内装夹持拉伸试样用的上夹头。下夹头安装在下钳口座中，下钳口座固定在升降丝杆上。

当电动机带动油泵工作时，通过送油阀手轮打开送油阀，油液便从油箱经油管和进入工作油缸，从而推动活塞连同工作框架一起上升。于是在工作台与大横梁之间就可进行压缩、弯曲等实验，在工作台与下夹头之间就进行拉伸实验。实验完毕后，关闭送油阀、旋转手轮打开回油阀，则工作油缸中的油液便经油管泄回油箱，工作台下降到原始位置。

（二） 测力部分 The Part of Measuring Force

加载时，油缸中的油液推动工作活塞的力与试样所承受的力随时处于平衡状态。如果用油管和将工作油缸和测力油缸连同，此油压便推动测力活塞，通过连杆框架使摆锤绕支点转动而抬起。同时，摆锤上方的推板便推动水平齿杆，使齿轮带动指针旋转。指针旋转的角度与油压亦即与试样所承受的载荷成正比，因此在测力度盘上便可读出试样受力的量值。 四、

试样 Sample

拉伸试样，通常加工成圆型或矩形截面试样，其平行长度L0等于5d或10d（前者为长试样，后者为短试样），本实验用短试样，即L0=5d。本实验所用的试样形状尺寸如图1—1所示。

图1－1圆柱形拉伸试样及尺寸

五 拉伸性能指标测定方法 The Measuement Method of Tensile Performance Index 1、屈服点ζS的测定 The Measuement of Yield Point ζS

试样在拉伸过程中，载荷不增加或开始降低而试样仍能继续伸长时的恒定最大或最小载荷所对应的应力，分别为屈服点ζS，上屈服点ζ

SU，下屈服点ζSL。

屈服点可借助于试验机测力度盘的指针或拉伸曲线来确定。

（1）指针法：当测力度盘的指针停止转动的恒定载荷或第一次回转的最小载荷即为所求的屈服载荷PS。

（2） 图示法：在拉伸曲线上找出屈服平台的恒定负荷或第一次下降的最小载荷，为所求的屈服点载荷PS。求出Ps后，按下式可算出屈服点ζS。ζS=Ps／Fo （MN／m2或Mpa）

F B’ A B C D F E Fb Fb Fs Fs O a 低碳钢拉伸图 Δl O b 铸铁拉伸图 Δl 图1—2 屈服点负载确定

2、屈服强度ζ0.2的测定

The Measuement of Yield Strength ζ

0.2

对于拉伸曲线无明显屈服现象的材料，则必须测其屈服强度。屈服强度为试样在拉伸过程中，规定塑性变形为0.2%时的应力作为条件屈服点，称屈服强度。 （1）图解法：Diagram Method

在拉伸曲线上，自弹性直线段与横坐标轴的交点0齐截取一等于残余相对伸长为0.002mm的距离OA，再从A点作平行与弹性直线段的AB线交于拉伸曲线于B点。B点载荷即为所求的屈服强度载荷P0.2，其伸长坐标轴放大倍数应不小于50倍（1—4）。

P B 伸长

O

A

0.2% n Le

Le：引伸计标距 n：伸长方法倍数

图1—3 屈服强度负载的确定

（2）卸力法（引伸计法） The method Unload

对试样施加约相当于预期规定残余伸长应力10%的力Px后，装上引申计，继续施力至2P。保持5—10秒，再卸直Po，记下引申计读数作为条件零点。从Po起第一次施力至试样在引申计标距内产生的总伸长为n×Le×εr+（1~2）分格。（Le为规定残余伸长，即引申计标距与规定残余伸长应为ζ0.2%的积。εr为弹性伸长）。

0.2所要求的伸长

ζ

0.2=P0.2／Fo

3、抗拉强度ζb的测定 The Measuement of Tensile Strength ζb

实验拉至断裂，从拉伸曲线上确定实验过程的最大力，或从测力度盘上读取最大力。

试样拉伸达到“最大载荷Pb”以前，伸长在标距范围内均匀分布。从“最大载荷”开始，试样上产生局部伸长或颈缩现象。细颈出现后，截面迅速减小。继续拉伸所需的载荷也变小，直至断裂。最初对试样加载时，测力指针（主针）即随栽荷的增加而增加。当载荷达到最大值时，测力指针减少，减少到某一值时，试样断裂，按下式计算。

ζb=Pb／Fo

4、伸长率δ的测定 The Measuement of Elongation Rate δ

伸长率δ为试样拉断后标距长度的增量与原标距长度的百分比 δ=（Lk—Lo/Lo）×100%

长、短试样的断后伸长率分别为δ5，δ10表示。

试样在拉伸前先将标距部分划分10等份，划上标距，测量断后伸长时，分两种情况。

（1）如断口到邻近标距断点的距离大于（1/3）Lo，可直接测量断后两点的距离为Lk；

（2）如断口到邻近标距端点小于或等于（1/3）Lo，要用位移法换算。如图1—5所示。先在长段上从断口处O截取一段OC，其长度等于1/2或稍大于（不大于一格）1/2标距的总格数；再由C向断口方向截取一段CD，令CD的格数等于C到邻近标距端点A的格数CA；断后BC+CD的长度便是LK。这样，就相当于把CD移到试样标距的另一端，接到B处，变为断口在中间。

5、断面收缩率φ的测定 The Measuement of Contraction of cross Sectional Areaδ

断面收缩率φ为试样拉断后颈缩处横截面积的最大缩减量与原横截面积的百分比，即

??F0?FK?100% F0拉断后颈缩处截面积FK的测定，原形试样在颈缩最小处两个互相垂直方向上测其直径，用两者的算术平均值计算。

六 实验步骤 Experiment Procedure

1、用游标卡尺测量原始直径dO（在试样上、中、下段互相垂直的两个方向分别测量）取其最小值。

2、在试样上用划线仪，画出原始标距100mm（中间以10mm为间隔画点，以备用位移法计算δ）

3、根据材料估计本实验的载荷使用量程，选好读数盘。

4、将试样安装在上夹头内，再移动下夹头使之达到适当位置，将试样下端加紧，要求试样夹正，并对准中心，以保证试样轴向受力。

5、打开送油阀，缓慢加载，当测力指针不动或第一次往回转时的最小载荷，就是屈服载荷PS。过屈服阶段后，可稍快一些加栽，直至试样断裂，记录下指针指示的断裂前的最大栽荷Pb。关闭油门停机，取下试样。

6、断裂试样的测量。将两段试样尽量对紧在一起，用游标卡尺直接测量或用

位移法换算后测量的标距长度LK，并用游标卡尺在断口最小截面处测量断口直径。

七 实验数据记录与计算 The experimental results 1、实验结果

加载数据：PS=32.5 KN Pb=50.5 KN 试样长度尺寸 原始标距长断后标距长原始直径 度Lo（mm） 度Lk（mm） do（mm） 50.0 63.60 10.02 试样断面尺寸 颈缩处最小原始横截面颈缩处横截直dk（mm） Fo（mm2） 面Fk（mm2） 7.12 78.81 39.80 其中：原始直径L0为三次测量结果10.02mm、10.12mm、10.20mm的最小值 2、实验数据处理

（1） 根据的d0、dk求F0、FK：

F0??(d0/2)2?3.14?(10.02/2)2?78.81mm2

FK??(d1/2)2?3.14?(7.12/2)2?39.80mm2

（2）强度指标：

Ps32.5?103 屈服极限：?s???412.15MPa

F078.81Pb50.5?103强度极限：?b???640.42MPa

F078.81（3）塑性指标： 断面延伸率： ??(Lk?L0)63.60?50?100%??100%?27.20% L050断面收缩率： ??(F0?FK)78.81?39.80?100%??100%?49.51% F078.81塑性指标 延伸率 断面收缩率 δ φ 27.20% 49.51% 故实验计算结果如下表 强度指标 屈服点MPa 强度极限MPa （N／mm2） （N／mm2） 412.15 640.42 八 思考题 Questions

1、退火的低碳钢，中碳钢和高碳钢的屈服现象，在拉伸图上的区别？为什么？

答：低碳钢的拉伸图上分为四个阶段：弹性变形阶段、不均匀塑性变形（即屈服现象）、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形（即颈缩）；而中、高碳钢的拉伸图上无明显屈服现象，即由弹性变形阶段、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形（即颈缩）。原因可能是屈服现象是位错运动和增殖的结果，由于中、高碳钢中第二相的影响较大，阻碍或约束位错的运动，从而使中、高碳钢中屈服现象不明显。

2、碳钢、含碳量与其强度、塑性的关系。

答：碳钢中，在含碳量小于共析成分0.77%时，随含碳量的升高、其强度和硬度增加，塑性下降；而在高于0.77%后，其硬度继续增高，但强度下降，塑性也降低。

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实验二 缺口拉伸实验

The indentation pulls to stretch the experiment

一 实验目的 Experiment the purpose

1、了解材料在硬性应力状态和应力集中下的脆化倾向。

2、掌握测定材料缺口抗拉强度ζbN，缺口延伸率δbN和缺口断面收缩率φ

bN的测定方法。

二 实验概述 Experiments say all

机件由于本身结构和加工制造的特点，总是存在有截面突变的台阶和缺口，如键槽、螺纹、油孔和退刀槽等。这些部位改变了受力条件，使之趋于甚至处于脆性状态；同时还在缺口根部引起应力集中，促进裂纹的生成和扩展，产生脆性断裂。因此，一般认为缺口是造成硬性应力状态和应力集中，降低材料韧性的一个脆化因素。金属材料因存在缺口，造成的应力集中，增加变脆的倾向，称为缺口敏感性。为评价不同材料的缺口敏感性，常用的力学性能试验有：缺口拉伸，缺口偏斜拉伸，缺口静弯曲等。

三 缺口处应力分布的特点

Indentations should the characteristics that dint distribute

为了认识缺口对材料机械性能的影响规律，需要了解缺口处应力分布的情况，分析它们对变形和断裂过程的影响。

实验证明，在单向拉伸下，由于缺口的存在，使缺口截面上的应力变为三向（或两向）拉应力状态，而且是不均匀分布的应力。带缺口的杆件在受拉力时，远离缺口处的截面FN上力线的分布是均匀的，只有轴向应力SL；在缺口截面

FN上，由于截面突然缩小，力线密度增加，越靠近缺口根部力线越密，产生应力集中；在缺口上下附近因力线不能通过而出现了无应力区拉伸时它将阻止FN截面的横向自由收缩，因而就出现了切向应力（St）和径向应力（Sr）就构成了三向应力状态。

四 缺口试样 Indentations try the kind

本实验是采用45#钢加工成带有缺口的拉伸试样，如图2－4所示。在拉伸条件下，试样所能承受的最大载荷，除以原始缺口横截面积，求出该试样的缺口强度极限ζbN。以及缺口断面收缩率φbN，缺口伸长率δbN。工程上常用缺口强度极限ζbN与截面尺寸光滑试样的抗拉强度ζb的比值作为材料的缺口敏感性指标。

qe=ζb/ζbN

当qe＞1时，表明缺口处发身了塑性变形的扩展，说明敏感性小。 当qe＜1时，表明缺口处还未明显发生塑性变形扩展就早期脆断。 ζbN的测试方法与求法与ζb相似，不再赘述。

图 2－1 缺口拉力试样形状及尺寸

五 实验数据记录与整理 The experimental results 1、 实验数据处理

（1）根据的d0、dk求F0、Fk：

F0??(d/2)2?3.14?(8.00/2)2?50.24mm2

FK??(d1/2)2?3.14?(6.40/2)2?32.15mm2

（2）强度指标：

屈服极限： ?sN强度极限： ?bN（3）塑性指标：

PsN24.5?103???487.4MPa F050.24PbN33.23?103???661.09MPa F050.24延伸率： ?N?(Lk?L0)46.04?40?100%??100%?15.1% L040(F0?FK)50.24?32.15?100%??100%?36% F050.24断面收缩率： ?N? (4) 缺口敏感系数qe 缺口敏感系数 qe?将实验数据填入下表内：

缺口试样长度尺寸 原始标距长度断后标距长度?bN686.7??1.298?b528.4

缺口试样断面尺寸 原始直径 颈缩处最小直径dK(㎜) 6.40 强度指标 原始横截面积颈缩处横截面积L0(㎜) 40.00 载荷 屈服载荷 LK(㎜) 46.04 d0(㎜) 8.00 F0(mm2) 50.24 FK(mm2) 32.15 塑性指标 断面收缩率 延伸率?N% 最大载荷 屈服点Mpa 强度极限Mpa PS(KN) 24.5 Pb(KN) 33.23 ?Nmm2? ?Nmm2? ?N% 36% 487.40 661.09 15.1

六 思考题 Think the subject of examination

1. 45#钢缺口试样与光滑试样拉伸结果比较后讨论为什么缺口强度极限大于光滑试样的强度极限σbN＞σb？

答：首先由于缺口根部最先满足屈服条件而发生塑性变形，当根部产生屈服，就会产生应力松弛，并且随着塑性变形自表面向心部扩展，使得最大应力不在缺口根部，而在其内侧一定距离处，该处应力最大。越过交界处，弹性区内的应力分布是连续下降的。显然，随着塑性变形逐步向内部转移，各应力峰值越来越大，

值，如下表： 温度（℃） 计算数据 aK 通过计算分析，我们可以发现，温度降低，材料韧性降低，脆性增加。通过学习材料力学性能，知道了随温度降低，材料由韧性断裂转变为脆性断裂的现象称为低温脆性，发生脆性转变的温度Tk称为韧脆转变温度。

9262 1162 863 15 -30 -197 六 思考题 Think the subject of examination

1、为什么同钟材料，不同类型，不同尺寸的试样，冲击韧性值不能互换和比较。

答：主要是因为材料的冲击韧性值不仅与材料的内部因素如晶体结构、第二相质点、化学成分及显微组织有关，而且与试样的外部因素如加载速率、温度和试样尺寸及形状有关。其中试样尺寸及形状影响如下：若不改变试样缺口的尺寸而增加宽度或厚度，使TK升高；当各部分按比例增加时，TK明显升高，主要原因可能是尺寸使应力状态变硬，从而使韧脆转变温度TK上升。

2、 冲击试验方法再反应材料力学性能方面有哪些不足之处？为什么又能得到广泛的应用？

答：冲击试验方法所得到的冲击吸收功AK并不能真实反映材料的韧脆程度，原因是缺口吸收功不仅仅用于变形和断裂，还用于各种摩擦及其它损耗等；同时当摆锤轴线与缺口中心线不一致时，其损耗将比较大，不可将其忽略。

但是由于AK值对材料内部组织变化极为敏感，而且冲击试验方法简便可行，因此，仍被广泛使用。

实验体会

Experience

通过本学期的力学性能实验课的学习，我了解到了材料力学性能的基本检测方法和一些实验设备的应用以及其操作。单向静拉伸实验、缺口试样静拉伸实验以及系列温度冲击实验都是材料科学中的基础实验，是进一步学习材料学的基础。本学期我们学习了力学性能这门课，做力学性能实验帮助我们巩固了力学性能的知识，并且进一步的拓展知识。力学性能实验中测量的材料性能指标在社会生产中有很重要的工程意义，知道了这些知识后，可以为我们以后的学习生活积累很多的经验。

力学性能实验由于受到设备数量的限制，只能许多人一起做实验，并且不能让我们亲自去操作实验设备，这是美中不足的一部分。希望以后有机会，我能够亲自操作设备来进行实验。

除了报告中写到的三个实验外，我们还参观了热分析仪及磁分析设备，我想现在对这些设备有一个感性的认识后，以后科研工作时，真正遇到需要这些设备来分析时，会对我们有很大的帮助。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/v2d3.html