实验一 低碳钢和铸铁的拉伸实验
⒈ 实验目的
①了解试验机的工作原理，并初步掌握试验机的操作规程。
② 测定低碳钢的两个强度指标：屈服极限
，强度极限
。两个塑性指标：延伸率
和断面收缩率
。
③ 测定铸铁的强度极限
。
④ 比较两种典型材料的机械性能和断口形式。
⒉ 实验设备及量具
WE—100微机控制电液伺服液压式万能试验机、标距打印机、游标卡尺。
⒊ 实验原理
利用试验机再现不同材料拉伸的力学性质，验证不同材料在拉伸过程中的变化理论。
（1）低碳钢拉伸实验
低碳钢是指含碳量在
以下的碳素钢，是典型的塑性材料。这类钢材在工程中使用较广，在拉伸中表现出的力学性能也最为典型，如下屈服点、抗拉强度、断后延伸率等一些力学性能参数均可在拉伸试验中求得。
试件在受到拉力作用下，对应每一个拉力F，试件标距L0便产生一个伸长量△L与之对应，这种关系称为拉伸图或F—△L曲线(图1)。
F—△L曲线与试件的截面尺寸及长度有关。为了消除试件尺寸的影响，把拉力F除以试件的原始横截面积A0，得出正应力
；把伸长量△L除以试件原始标距L0，得到应变
。从而建立应力
与应变
的关系图，
图1 拉力F~伸长量△L关系图 图2 应力
~应变关系图
或称为
曲线（图2）。整个拉伸变形分四个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。
① 弹性阶段
在拉伸的初始阶段，载荷与伸长量呈直线关系，表明在这一阶段内，应力
与应变
成正比，即：
。式中
是与材料有关的比例常数，称为弹性模量。此时若卸去外力，则试件变形消失，恢复原态。直线部分的最高点
所对应的应力
称为比例极限，只有应力低于比例极限时，材料才服从胡克定律，这时称材料是线弹性的。
超过比例极限后，从a点到b点，
与
之间的关系不再是直线，但卸除拉力后变形仍可完全消失，这种变形称为弹性变形。b点所对应的应力是卸载后材料不产生塑形变形的最大应力，用
表示，称为弹性极限。而a点与b点的确定须借助于高精度的电子引伸计，且操作很麻烦，尤其b点。在
关系图中，由于a、b两点非常接近，所以工程上对弹性极限和比例极限并不严格区分。
② 屈服阶段
当应力超过b点到某一数值时，应变有非常明显的增加，而应力先是下降，然后作小波动，在
曲线上出现接近水平的小锯齿形线段，这种现象称为屈服或流动。在屈服阶段内应力第一次下降的最低点是初始瞬时效应的结果，该值在屈服阶段可能是最低的应力，但不能取其为下屈服值。在屈服阶段内，除初始瞬时效应产生的值外，下屈服值应取波动中的最低值；而上屈服值为屈服阶段的最高值。由于上屈服值与试件形状、加载速度等因素有关，一般是不稳定的。下屈服极限则是比较稳定的数值，能够反映材料的力学性能。通常把下屈服值作为材料的屈服极限或屈服点，用
来表示。在屈服阶段，若卸除拉力则试件变形不能完全消失，材料将产生显著的塑形变形。
③强化阶段
过屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形必须增加拉力，这种现象称为材料的强化。这种强化直至达到
曲线上最高应力点e，该阶段称为强化阶段，最高点e的应力
是材料所能承受的最大应力，称为强度极限或抗拉强度。在强化阶段，应力与应变呈现出非线性的关系。
③ 部变形阶段
过e点，在试件的某一局部范围内横向尺寸突然急剧缩小，形成颈缩现象。由于在颈缩部位横截面积迅速减小，导致试件所能承受的拉力迅速降低。在
图中，应力
随之下降，一直降到f点时，试样被拉断。
（2）铸铁拉伸实验
铸铁拉伸时应力—应变关系是一段微弯曲线，没有明显的直线段（图3）。
图3 铸铁的应力~应变曲线图
它在较小的拉应力下就被断裂，没有屈服和颈缩，拉断前的应变很小，延伸率也很小，是典型的脆性材料。
由于铸铁的
曲线没有明显的直线部分，弹性模量E的数值随应力的大小而变。但在拉应力较小时，可近似认为材料服从胡克定律。通常在应力较小时，取
曲线的割线近似地表示铸铁拉伸时的曲线开始部分，并以割线的斜率近似地确定弹性模量E，称为割线弹性模量。铸铁拉断时的最大应力为强度极限，因为没有屈服现象，强度极限
是反映材料强度的唯一力学性能指标。
⒋ 实验步骤
（1）测标样直径
为了避免试件加工的锥度和椭圆度影响，选取3个卡点测量试件直径，3个卡点的位置分别选在标样中间和距平行长度两端的约a⁄2处（a＝Lc－L0，Lc为标样的平行长度，L0为标距的总长度）。对每个卡点，用游标卡尺在两个相互垂直方向上卡其直径（两个卡值，精度≤0.02mm），取其算术平均值（精度0.1mm，计算的修约口决见5.）。选择3个卡点中最小值的直径（d0）进行横截面积（A0）的计算（л＝3.1416，面积精度0.01mm2）。将各卡值及计算值填入实验报告的表中。
（2）打印试件标距（仅对低碳钢试件）
注意Lc与L0的关系，从平行长度某一端点的约a⁄2处开始打印。对ф10的低碳钢试件打印出8个1cm标距，即9个点，并涂黑色。再用游标卡尺测量9个点的总长度，即为总标距L0（精度0.1mm），将L0值填入实验报告的表中。
（3）设备操作
①打开电源，开启微机，双击桌面“微机自动测量控制系统”，进入微机操作系统。
②在“试验方法”中选金属室温拉伸试验（GB/T228—2002）。
③单击“新建试样”进入填单界面，根据界面内容填单。顺序为：在“试样形状”中选圆材；在直径d中填10（仅做ф10圆材试验）；在“试样编号”中填写编号，可备查找；在“钳口间距”中填25；其它内容可根据需要填写。填完后点击“计算面积”（指单“√”号），最后点击“开始试验”，使之又回到原始界面。
（4）低碳钢试件拉伸试验
①试验前，先将工作活塞上升、下降约50mm，活动2~3次。
②夹好试件（必须先夹上后夹下）
③选应力施加速度，对ф10试件一般选0.5KN/s，约6.4Mpa/s，但为了观察颈缩现象，取0.2 KN/s，取完后点击“负荷控制”键便被确认了。
④打开“急停”阀（在操作台上，顺时针扭转便自动打开），再打开油泵（在操作台上，按下绿钮即可）。
⑤在微机界面上，先点击“总清零”，再点击“加载”键，最后点“开始”键，便开始进行拉伸试验了。在拉伸试验过程中可以调节载荷速度。
⑥点右键出现任选的六种曲线，在这里我们选“力—位移”曲线。
⑦拉断试件后，点击“停止”键，出现“试验结果保存成功”，点击“确定”，又出现“组试验结束”，再点击“确定”。
⑧取下试件，点击“非试验状态”键，再点击“卸载”键。卸载后，关闭“油泵”，关闭“急停”键（按下即可）。
⑨在界面上读取下屈服荷载值与极限荷载值。
注意：ⅰ）观察试件在进入屈服过程 “力—位移”曲线的变化特点。ⅱ）进入颈缩阶段时观察试件的颈缩现象。ⅲ）若在“力—位移”曲线上读取下屈服值，则在抛弃第一次回摆值（初始瞬时效应）后，挑取剩余回摆幅度的最大值来作为屈服载荷值。
（5）低碳钢试件断后处理
①断口直径的求取
取下断裂后的试件，测断口直径d1：用游标卡尺在断口上的两个相互垂直方向上各卡一次直径（精度≤0.02mm），取其算术平均值 （精度0.1mm）作为断口直径，来计算断口面积A1（л＝3.1416，精度0.01mm2）
②断后标距的求取
将试件断裂后的两个半段合拢，对严、对齐、并使轴线在一条直线上，用游标卡尺量出断后的总标距长度L1（精度0.1mm）。其测量规则如下：
a．当断口与总标距的两个端点距离均＞L1/3时，则可直接用游标卡尺量出断后总标距的长度。
b．当断口与总标距某个端点距离＜L1/3时，则L1的长度确定的方法为：以断口O为起点，在长段上取基本等于短段的格数得B点（图4—a），若长段所余格数为偶数时，取长段所余格数的一半得出C点，则L1 =AB+2BC；若长段所余格数为奇数时（图4—b），可在长段上取所余格数减1之半的C点及取所余格数加1之半的C1点，则L1 =AB+BC+BC1。
（a） （b）
图4
c．当断口非常靠近试件两端，或断口与头部的距离≤直径d0的两倍时，实验结果无效，必须重作。
（6）铸铁试件拉伸试验
设备操作过程完全同于低碳钢试件的拉伸试验。因为属脆性材料，拉伸时无屈服和颈缩现象，也无需测断前和断后的标距长度。试件断裂后，只从界面上读取抗拉的极限载荷值Fb。
（7）结束操作
实验完成后，退出系统、关机，关闭电源，清扫杂物。
⒌ 计算结果要求
强度单位：Mpa。计算结果按0.5单位法则修约到十位数，即个位数只能为5或为0。其修约原则是：当尾数<2.5时，个位数为0；当2.5≤尾数< 7.5时，个位数为5；当尾数≥7.5时，个位数为0，但进1。
延伸率
和断面收缩率的计算结果按0.5单位法则修约到个位数，即一位小数只能为0.5或为0.0（低碳钢）。其修约原则是：当尾数< 0.25时，小数为0.0；当0.25≤尾数< 0.75时，小数为0.5；当尾数≥0.75时，小数为0，但往个位数上进1。
平均长度及面积计算的修约口决如下：
四舍六入五考虑，五后非零应进一，五后是零看前位，前为奇数应进一，前为偶数应舍去。
⒍ 试验数据记录
实 验 前 记 录
材 料 | 标距 L0 （mm） | 直径d0（mm） | 最小横截面积 A0 (mm2） | ||||||||
横截面Ⅰ | 横截面Ⅱ | 横截面Ⅲ | |||||||||
（1） | （2） | 平均 | （1） | （2） | 平均 | （1） | （2） | 平均 | |||
低碳钢 | |||||||||||
铸 铁 | —— | ||||||||||
实 验 记 录
材 料 | 屈 服 载 荷 FS（kN） | 最 大 载 荷 Fb（kN） |
低碳钢 | ||
铸 铁 | ———— |
试 件 断 后 记 录
材
料 | 断 裂 后 | ||||
标 距 L1 （mm） | 断口（颈缩）处直径d1（mm） | 断口处最小横 截 面 面 积 A1（mm2） | |||
（1） | （2） | 平均 | |||
低 碳 钢 | |||||
⒎ 实验结果
（1）低碳钢
屈服极限 
Mpa
强度极限 
Mpa
延伸率 
( L1–L0) ⁄ L0100%= %
断面收缩率 
( A0– A1 )⁄A0 100%= %
（2）铸铁
强度极限 
= Mpa
⒏ 讨论题
（1）试用米格纸绘制低碳钢的σ~ε拉伸曲线图。
（2）比较低碳钢和铸铁拉伸时的机械性能。
（3）
和
是不是试件在屈服和破坏时的真实应力，为什么？
（4）低碳钢试件的拉伸变形在加力至破坏的过程中分哪几个阶段？在各个阶段中你看到了哪些现象？
（5）在试验前，为什么要测三个横截面的直径？为什么每个横截面又要测两个相互垂直的直径？
实验二 铸铁的压缩实验
⒈ 实验目的
①测定压缩时铸铁的强度极限
。
②观察铸铁压缩时的变形和破坏现象。
⒉ 实验设备及量具
WE—300微机控制电液伺服液压式万能试验机、游标卡尺。
⒊ 实验原理
当施加适当的匀速压力时，试件的形态发生变化。由压力（F）~压缩量（△L）的关系图（图1）或应力（）~应变（）的关系图（图2）看到：初期压缩量增加小，但压缩载荷增加快，近似于直线，此时试件形态变化不明显；当累积到一定的载荷压力时，压缩量增加变快，呈曲线关系，试件变形明显，呈鼓状；当达到最大的抗压载荷时发生鼓形破裂（图3）。铸铁属脆性材料，在整个压缩变形过程中，没有屈服阶段，断面与轴线约成45°- 50°夹角，表明它的破坏主要是由最大剪应力所致。
图1 F～△L关系曲线图 图2 
关系曲线图 图3 发生破裂示意图
铸铁的
曲线始终是非线性的。铸铁的抗压强度极限比它的抗拉强度极限高4—5倍。
⒋ 实验步骤
（1）测标样直径
取试件中部一个卡点，在相互垂直两个方向上，用游标卡尺测量其直径 （两个卡值，精度≤0.02mm），再计算出平均直径d0（精度0.1mm）参加计算截面面积A0计算（精度0.01mm2， л＝3.1416）。再用游标卡尺测量试件的高度h0（精度0.1mm），使之满足
。
（2）涂抹机油
试验前将试件两端面涂上机油，以减小横向摩擦力的影响。
（3）设备操作
①打开电源，开启微机，双击桌面“微机自动测量控制系统”，进入微机操作系统。
②在“试验方法”中选金属室温压缩试验（GB/T228—2002）。
③单击“新建试样”进入填单界面，根据界面内容填单。顺序为：在“试样形状”中选圆材；在直径d中填15（仅做ф15圆材试验）；在“试样编号”中填写编号，可备查找；在“钳口间距”中填25；其它内容可根据需要填写。填完后点击“计算面积”（指单“√”号），最后点击“开始试验”，使之又回到原始界面。
（4）铸铁试件压缩试验
①试验前，先将工作活塞上升、下降约100mm，活动2~3次。
②根据实验的特点，选球面压座。将试件准确地放在球面压座的中心上。开启移动横梁升降电机，调整上压座到试件顶面将要接触的位置。
③选应力施加速度，对ф15试件一般选1.0KN/s，约6Mpa/s，取完后点击“负荷控制”键便被确认。
④打开“急停”阀（在操作台上，顺时针扭转自动打开），再打开油泵（在操作台上，按下绿钮即可）。
⑤在微机界面上，先点击“总清零”，再点击“加载”键，最后点“开始”键，便开始进行压缩试验了。在压缩试验过程中可以调节载荷速度。
⑥点右键出现任选的六种曲线，在这里我们选“力—位移”曲线。
⑦压断试件后，点击“停止”键，出现“试验结果保存成功”，点击“确定”，又出现“组试验结束”，再点击“确定”。
⑧点击“非试验状态”键，再点击“卸载”键。卸载后，取下试件，关闭“油泵”，关闭“急停”键（按下即可）。
⑨在界面上读取极限荷载值。
（5）结束操作
实验完成后，退出系统、关机，关闭电源，清扫杂物。
⒌ 计算结果要求
强度单位：Mpa。计算结果按0.5单位法则修约到十位数，即个位数只能为5或为0。其修约法则见实验一。
⒍ 试验数据记录
实 验 记 录
材 料 | 高度h（mm） | 直径d0（mm） | 横截面面积A0（mm2） | 最大载荷Fb (kN) | ||
铸 铁 | d1 | d2 | 平均 | |||
⒎ 实验结果
强度极限 
Mpa
⒏ 讨论题
（1）试用米格纸绘制铸铁的应力σ-应变ε压缩曲线图。
（2）在铸铁压缩实验中，从加载到破坏你看到那些现象。
（3）为什么铸铁试件在压缩时沿着与轴线大致成45°的斜截面破坏？
（4）铸铁的拉、压实验力学性能有何不同。
实验三 低碳钢和铸铁的扭转实验
⒈ 实验目的
①观察并比较低碳钢及铸铁材料扭转破坏现象及破坏形式。
②测定低碳钢的剪切屈服极限
和剪切强度极限
。
③测定铸铁的剪切强度极限
。
⒉ 实验设备及量具
JNSG—144型扭转试验机、游标卡尺。
⒊ 实验原理
圆轴承受扭转时，材料完全处于纯剪切应力状态。故常用扭转实验来研究不同材料在纯剪切作用下的力学性质。
图1为低碳钢试件的扭矩T和扭转角
的关系曲线。当扭矩T小于TP时，材料完全处于弹性状态，OA段为直线，它遵守胡克定律。
图1 低碳钢：扭矩T～扭角关系曲线图
扭矩超过TP后，试件横载面上的切应力分布不再是线性的。在试件外缘材料发生流动形成环形塑性区域，故TP是外缘切应力等于剪切比例极限时的扭矩。此后，随着扭矩T的增长，试件继续扭转变形，塑性区域不断向中心扩展，T～
曲线缓慢上升，直至B点趋于平坦，截面上各点材料完全达到屈服，这时的扭矩即为屈服扭矩Ts，剪切屈服极限Ts可按下列公式计算，
（1）
式中：
是实心试件的抗扭截面模量。
继续给试件加载，试件又继续变形，材料进一步强化，直至C点，试件被剪断，此时的扭矩为最大扭矩Tb，抗扭强度极限（或剪切强度极限）为，
（2）
铸铁试件从开始受扭直到破坏，T～曲线近似为一直线（图2），故近似地按弹性应力公式计算抗扭强度极限。破坏后记录最大扭矩Tb，则抗扭强度极限为：
（3）
图2 铸铁： T～的关系曲线 图3 试件受力分析图
试件受扭，材料处于纯剪切应力状态（图3）。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，
，
，
与轴线成45°角。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。由于低碳钢的抗拉能力大于抗剪能力，故沿横截面被剪断；而铸铁的抗拉能力较抗剪能力弱，故沿着与
方向成正交方向被拉断，即试件沿着于杆轴线成45°角的斜截面被拉断破坏。
⒋ 实验步骤
（1）测标样直径
为了避免试件加工的锥度和椭圆度影响，选取3个卡点，3个卡点的位置分别选在标样中间和近两端处。对每个卡点，用游标卡尺在两个相互垂直方向上卡其直径（两个卡值，精度≤0.02mm），取其算术平均值（精度0.1mm）。选择3个卡点中最小值的直径（d0）进行抗扭截面模量WP的计算（л＝3.1416，模量精度0.001mm3）。将各卡值及计算值填入实验报告表中。
（2）试验机调试
所用试验机为教学用扭转试验机，采用涡轮减速器手动加载，弹簧测距装置测扭距，自动绘图装置绘图，最大扭距为144N·m。
①力臂调整：a．将平衡锤旋到锤杆外端的适当位置，使力臂抬起，以消除力臂及相关件重量的影响，并将测距弹簧拉紧；b．调整弹簧吊环螺栓和活塞杆螺栓，使力臂轴线下倾到与水平位置大约成3°的夹角，此时带线杆的端头大约从水平位置下降30mm，而缓冲器的活塞底面要离液压缸底大约2～3 mm，可通过压和松的力臂感觉出来；c．座叉上销轴的轴线要与力臂的轴线垂直，以保证活塞升降灵活；d．调整夹线杆螺钉，使夹线杆上的竖线垂直。夹线杆一定要固定在带线杆的方槽内。
②线轮绕线：线轮绕线按设备使用说明要求进行。转角线轮取与直径为1：1的沟槽绕线。
③加油：a．涡轮箱内需加约20mm深的机油（只要使最下轮齿浸入油即可），以润滑轮齿；b．往缓冲器的液压缸里加机油，油面离缸口10mm左右为宜。
④调零：松开笔架螺钉，稍提线坠松线，拨动指针为零。
（3）安装绘图纸
抬起画线笔，将裁成大小合适的坐标纸卷放到绘图圆筒上，用胶水将卷口贴牢。注意：卷口要顺着画线的方向。推动笔架，放下画线笔，使笔尖对准坐标纸零位，拧紧笔架螺钉。
（4）安装试件
拧开固定夹头和转动夹头上的封板固定螺钉，打开这两个夹头封板。摇转涡杆，使夹头的方孔对齐，放进试件。关上夹头封板，拧紧封板固定螺钉。
（5）加载试验
按顺时针方向摇转涡杆即可加载。加载前，用黑色笔在试件上沿轴线作一标记线，以便观察试件的扭转变形情况。加载要缓慢，以方便观察实验现象为宜。
①低碳钢试件：a．屈服前加载时应均匀缓慢，速度控制在15o～30o/min；b．当进入屈服阶段时，指针前后摆动或停留不动，此时扭矩T～扭转角曲线出现平台，选取指针回摆最大值或指针的最低值来作为屈服扭矩值TS；c．过了屈服阶段后，改为较快速加载，速度在250o～360o/min之间，直到扭断为止；d．试件扭断后，读取被动针所指的最大扭矩值Tb，同时读取扭转角数值并记录；e．取下试件，观察断口特征。
②铸铁试件：采取慢匀速加载，速度应控制在10o～20o/min之间；试件断后，记录最大扭矩值Tb和扭转角；取下试件，观察断口特征。
（6）结束操作
实验完成后，清扫杂物。
⒌ 计算结果要求
（1）扭矩读取
指针读数精度为2N·m（1/2格）。强度单位为Mpa，计算结果按0.5单位法则修约到十位数，即个位数只能为5或为0。其修约法则见实验一。
（3）扭转角读取
纵坐标表示扭矩测值，比例为1：0.995（N·m/mm），可以不读。横坐标表示扭转角测值，比例为1：1，换算为1.31o/mm或0.02285弧度/mm，读数精度为1mm（注意：读数时，要剔除刚开始出现的滑动部分）。
⒍ 试验数据记录
实 验 前 记 录
材 料 | 直径d0（mm） | WP
| ||||||||
横截面Ⅰ | 横截面Ⅱ | 横截面Ⅲ | ||||||||
（1） | （2） | 平均 | （1） | （2） | 平均 | （1） | （2） | 平均 | ||
低碳钢 | ||||||||||
铸 铁 | ||||||||||
实 验 记 录
材 料 | 屈服扭矩TS（N·m） | 最大扭矩Tb（N·m） | 扭角 |
低碳钢 | |||
铸 铁 | —— |
⒎ 实验结果
（1）低碳钢
扭转屈服强度 
= Mpa
抗扭强度 
= Mpa
（2）铸铁
抗扭强度 
= Mpa
⒏ 讨论题
（1）铸铁试件扭转实验，从加载到破坏你看到哪些现象。
（2）为什么铸铁试件在扭转时沿着与轴线大致成45°的斜截面上破坏？
（3）低碳钢试件扭转实验，从加载到破坏你看到哪些现象。
（4）分析两种材料的断口形状及产生原理。
（5）铸铁在压缩和扭转破坏时，其断口方位均与轴线大致成45°角，其破坏原因是否相同？
