文档介绍：材料力学实验指导书
(第一部分)
材料的力学
第一部分材料的力学性能测试
任何一种材料受力后都有变形产生,变形到一定程度材料就会降低或失去承载能力,即发生破坏,各种材料的受力——变形——破坏是有一定规律的。材料的力学性能(也称机械性能),是指材料在外力作用下表现出的变形和破坏等方面的性能,如强度、塑性、弹性和韧性等。为保证工程构件在各种负荷条件下正常工作,必须通过试验测定材料在不同负荷下的力学性能,并规定具体的力学性能指标,以便为构件的强度设计提供可靠的依据。材料的主要力学性能指标有屈服强度、抗拉强度、材料刚度、延伸率、截面收缩率、冲击韧性、疲劳极限、断裂韧性和裂纹扩展特性等。金属材料的力学性能取决于材料的化学成分、金相结构、表面和内部缺陷等,此外,测试的方法、环境温度、周围介质及试样形状、尺寸、加工精度等因素对测试结果也有一定的影响。
材料的力学性能测试必修实验为5学时,包括:轴向拉伸实验、轴向压缩实验、低碳钢拉伸弹性模量E的测定、扭转实验、低碳钢剪切弹性模量G的测定。
§1-1 轴向拉伸实验
一、实验目的
测定低碳钢的屈服强度()、抗拉强度()、(10)和断面收缩率Z()。
测定铸铁的抗拉强度()。
比较低碳钢(塑性材料)和铸铁(脆性材料)在拉伸时的力学性能和断口特征。
注:括号内为GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》发布前的旧标准引用符号。
二、设备及试样
电液伺服万能试验机(自行改造)。
。
低碳钢圆形横截面比例长试样一根。把原始标距段L0十等分,并刻画出圆周等分线。
铸铁圆形横截面非比例试样一根。
注:GB/T228-2002规定,拉伸试样分比例试样和非比例试样两种。比例试样的原始标距与原始横截面积的关系满足。,,。非比例试样与无关。
三、实验原理及方法
%以下的碳素钢。这类钢材在工程中使用较广,在拉伸时表现出的力学性能也最为典型。
低碳钢拉伸图(F—ΔL曲线)
以轴向力F为纵坐标,标距段伸长量ΔL为横坐标,所绘出的试验曲线图称为拉伸图,即F—ΔL曲线。低碳钢的拉伸图如上图所示,FeL为下屈服强度对应的轴向力,FeH为上屈服强度对应的轴向力,Fm为最大轴向力。
F—ΔL曲线与试样的尺寸有关。为了消除试样尺寸的影响,把轴向力F除以试样横截面的原始面积S0就得到了名义应力,也叫工程应力,用σ表示。同样,试样在标距段的伸长ΔL除以试样的原始标距LO得到名义应变,也叫工程应变,用ε表示。σ—ε曲线与F—ΔL曲线形状相似,但消除了儿何尺寸的影响,因此代表了材料本质属性,即材料的本构关系。
低碳钢应力—应变图(σ—ε曲线)
典型低碳钢的拉伸σ—ε曲线,如上图所示,可明显分为四个阶段:
(1)弹性阶段oa ’:在此阶段试样的变形是弹性的,如果在这一阶段终止拉伸并卸载,试样仍恢复到原先的尺寸,试验曲线将沿着拉伸曲线回到初始点,表明试样没有任何残余变形。习惯上认为材料在弹性范围内服从虎克定律,其应力、应变为正比关系,即
式中比例系数E代表直线的斜率,称为材料的弹性模量,其常用单位为GPa。它是代表材料发生弹性变形的主要性能参数。E的大小反映材料抵抗弹性变形的一种能力,代表了材料的刚度。此外,材料在发生杆的轴向伸长的同时还发生横向收缩。反映横向变形的横向应变ε'与ε之比的绝对值μ称为材料的泊松比。它是代表材料弹性变形的另一个性能参数。
(2)屈服阶段ab:在超过弹性阶段后出现明显的屈服过程,即曲线沿一水平段上下波动,即应力增加很少,变形快速增加。这表明材料在此载荷作用下,宏观上表现为暂时丧失抵抗继续变形的能力,微观上表现为材料内部结构发生急剧变化。从微观结构解释这一现象,是由于构成金属晶体材料结构晶格间的位错,在外力作用下发生有规律的移动造成的。如果试样表面足够光滑、材料杂质含量少,可以清楚地看出试样表面有450方向的滑移线。
根据GB/T228-2002标准规定,试样发生屈服而力首次下降前的最大应力称为上屈服强度,记为“ReH”;在屈服期间,不计初始瞬时效应时的最低应力称为下屈服强度,记为“ReL”,若试样发生屈服而力首次下降的最小应力是屈服期间的最小应力时,该最小应力称为初始瞬时效应,不作为下屈服强度。
通常把试验测定的下屈服强度ReL作为材料的屈服极限σS,σS是材料开始进入塑性的标志。不同的塑性材料其屈服阶段的曲线类型有所不同,其屈服强度按GB/T228-2002规定确定。结构、零件的外加载荷一旦超过这个应力,就可以认为这一结构或零件会因为过量变形而失效。因此,强度设计中常以屈服极限σS作为确定许可应力的