實驗一低碳鋼和鑄鐵的拉伸實驗
一、實驗目的
（1）掌握測定低碳鋼的彈性模量e、上屈服強度reh、下屈服強度rel、抗拉強度rm、斷後伸長率a和斷面收縮率z等力學效能指標的試驗方法。
（2）掌握測定鑄鐵的抗拉強度rm的試驗方法。
（3）觀察並比較塑性材料與脆性材料在拉伸過程中所表現出來的不同物理現象。
（4）熟悉材料試驗機和其他有關儀器的使用。
二、實驗裝置
（1）instron電子拉伸機。
（2）游標卡尺。
三、試件介紹
為便於比較不同材料的試驗結果，對試樣的形狀、加工精度、載入速度、試驗環境等，國家標準（gb228-2002）都有統一規定。根據規定，拉伸試件可分為比例試件和非比例試件兩種，它們的區別在於原始標距的選取。在試件中部，用來測量試件斷後延伸率的起始長度，稱為原始標距（簡稱標距）。
對於非圓形橫截面比例試件，標距l0與原始橫截面面積s0的關係規定為
（1.1）
式中係數k的取值是：短試件時為5.65，長試件時為11.
3。對於直徑為d0的圓形橫截面試件，短試件和長試件的標距l0分別為5d0和10d0。非比例試件的l0和s0不受上述關係限制。
本實驗採用圓形橫截面的短試件，即l0 =5d0。
四、實驗原理及方法
低碳鋼是指含碳量在0.3%以下的碳素鋼，這類鋼材在工程中使用較廣，在拉伸試驗中表現出的力學效能也最為典型。本次試驗主要測定它的彈性模量、上屈服強度reh、下屈服強度rel、抗拉強度、伸長率a和斷面收縮率z等力學效能指標
（1）彈性模量e的測定
由材料力學知識可知，材料在屈服前力與變形是成線性關係的，其拉伸圖基本為一條直線，如圖1所示。彈性模量是材料在彈性變形範圍內應力與應變的比值，即：
1.2)
因為， ，所以彈性模量e又可表示為：
(1.3)
式中：e—材料的彈性模量，r—應力，—應變，f—載荷，s0—試樣橫截面面積（取三處中最小一處的平均直徑計算），le—引伸儀標距，δl—試件在載荷f作用下，標距l0段內試件的變形，δf—載荷的增量、—變形增量的平均值。
圖1 低碳鋼拉伸曲線圖
可見，在材料線彈性範圍內，對應著每乙個拉力f，試樣標距l0有乙個伸長量δl，利用公式（1.3）即可求得彈性模量e。實際計算時，由於試驗儀器的精度、夾具的間隙等問題，絕對載荷與絕對變形無法同步獲取，所以一般採取增量法來得到彈性模量e。
即取乙個載荷初始點f0，在此基礎上按相等增量（本實驗取=1kn）的間隔，讀取5-6組相應變形增量資料，計算出變形增量。由於彈性模量是在材料線彈性範圍內測定，所以在理論上如果每級載荷增量相等，那麼各級變形增量也應相等，因此可取平均值來計算彈性模量e。
（2）上屈服強度reh、下屈服強度rel、抗拉強度rm的測定
材料過了線彈性階段後，繼續載入將進入屈服階段，在拉伸曲線上出現上下波動的波浪線，力值增加緩慢甚至下降，但變形繼續增加，根據屈服點的讀取不同，可分為上屈服強度和下屈服強度。上屈服強度reh是試樣發生屈服時力首次下降前的最高應力，下屈服強度rel是在屈服期間，不計初始瞬時效應的最低應力，具體見圖2。????? 屈服階段過後，材料進入強化階段，試件的承載能力繼續增加。
載荷達到最大值fm時，試件某一區域性的截面明顯縮小，出現「頸縮」現象。這時載荷迅速下降，試件隨即被拉斷。最大力fm所對應的應力叫抗拉強度rm。
圖2 屈服強度的確定
（3）斷後伸長率a及斷面收縮率z的測定
為了測定斷後伸長率，應將試樣斷裂的部分仔細地對接在一起使其軸線處於同一直線上，並盡可能保證斷裂部分接觸。採用精度為0.02mm的游標卡尺量取斷後標距lu。斷後伸長率a的計算公式為
1.5)
式中 l0——試件原始標距；lu——試件斷後標距。
對於塑性材料，斷裂變形集中在斷口處，該處變形最大，距離斷口位置越遠，變形越小，如果試驗前將原始標距細分為n等份，則可見各等份內的伸長量基本沿斷口位置左右對稱。一般來說，斷口位置基本位於試樣標距中間，但由於試樣加工誤差、材料區域性缺陷等等造成斷口位置偏向原始標距某一邊。按照國家標準，原則上只有斷口位置與最接近的標距標記的距離不小於原始標距的三分之一情況方為有效。
否則可根據左右對稱性，利用斷口移位方法測量斷後伸長率（參見圖3）。具體做法如下：
1. 首先以短邊的原始標距標記為起點，使斷口位置位於l1的中間， l1長度範圍內的小格數為nl1；
2. 如果n- nl1為偶數（n為原始標距內的小格數），那麼再量取l2，使nl1+2*nl2=n，這樣lu=l1+2*l2；
3. 如果n- nl1為奇數，那麼再量取l2和l3，使nl1+nl2+ nl3=n，這樣lu=l1+l2+l3；
圖3 斷後標距的量取（斷口移位法）
為了測定低碳鋼的斷面收縮率，試件拉斷後，將試樣斷裂部分仔細地對接在一起，使其軸線處於同一直線上。在縮頸最小處相互垂直方向各測量一次直徑，取其算術平均值計算最小橫截面面積su。再按下式計算斷面收縮率
1.6)
式中s0——試件原始橫截面面積。
su——試件拉斷後斷口處最小橫截面面積。
五、實驗步驟
1. 試樣準備
1. 選取表面無明顯缺陷、劃痕的試樣。用小刻刀按等刻度（一般取5mm）在試樣工作長度區間輕輕劃上標距標記線。
2. 在標距兩端及中間三個位置上，沿相互垂直的方向分別測量試件直徑，並記錄。
2. 試驗機準備
1. 開啟試驗機電源，開啟電腦電源，執行軟體程式，進入到試驗就緒狀態。instron試驗機的具體操作請閱讀附錄《instron試驗機基本使用說明書》。
2. 根據試樣大小，選擇合適的夾頭；根據試樣長度，調整試驗機橫樑的高度。
3. 試驗機載荷調零。安裝試樣並夾緊。
4. 進行預拉（只用於低碳鋼拉伸實驗）。為檢查機器和儀表是否處於正常狀態，先把載荷預加到略小於fn（測定彈模e時的最大載荷），然後解除安裝到0~f0之間。
5. 安裝引伸儀（只用於低碳鋼拉伸實驗）。並將變形或位移調零。
6. 載入。在彈性直線段載入時應保持勻速、緩慢（速率為0.
5mm/min，試驗前老師已設定）。觀察曲線的變化情況，當曲線進入材料強化階段後，電腦會彈出「取下引伸儀」的警告視窗，按「確定」後立即取下引伸儀。然後稍增加載入速率（速率為2mm/min，試驗前老師已設定），直到試件被拉斷。
對鑄鐵試件，應緩慢勻速載入（速率為0.5mm/min，試驗前老師已設定）。
7. 試驗結束，注意儲存資料檔案。記錄屈服力、最大力、彈性模量（作為計算彈性模量的參考值）。對鑄鐵試驗，只記錄最大力。
8. 「重播」試驗，從試驗圖形曲線上讀取所需資料。也可以從insron軟體「實用程式」模組進入，檢視原始資料並按增量法重新計算彈性模量，或重新讀取所需資料。
9. 結束試驗。退出程式，取下試件。
10. 量取並記錄斷後標距和斷口直徑。
11. 試驗完畢，關閉試驗機、電腦。清理現場，工具復位。
六、實驗結果的處理
（1）計算上屈服強度reh、下屈服強度rel和抗拉強度rm。
， 其中，，d0為取三處中最小一處的平均直徑。
（2）計算低碳鋼的彈性模量e。
其中為載荷增量，為變形增量的平均值。
（3）計算伸長率a和斷面收縮率z。
（，du為斷口最小處直徑。）
七、實驗記錄參考**
1、低碳鋼
表1-1 試件原始尺寸記錄表
表1-2彈性模量原始資料記錄表
表1-3 實驗後結果資料記錄表
2、鑄鐵
表1-4 試件原始尺寸記錄表
表1-5 實驗後結果資料記錄表
實驗二低碳鋼和鑄鐵的壓縮實驗
一、實驗目的
（1）比較低碳鋼和鑄鐵壓縮時的變形和破壞現象。
（2）測定低碳鋼的屈服極限σs和鑄鐵的強度極限σb。
（3）比較鑄鐵在拉伸和壓縮兩種受力形式下的機械效能、分析其破壞原因。
（4）熟悉壓力試驗機的使用方法。
二、實驗儀器和裝置
（1）2000kn液壓式壓力試驗機或we-30型萬能材料試驗機或waw-500c電液伺服試驗機。
（2）游標卡尺。
三、試件介紹
根據國家有關標準，低碳鋼和鑄鐵等金屬材料的壓縮試件一般製成圓柱形試件。低碳鋼壓縮試件的高度和直徑的比例為3:2，鑄鐵壓縮試件的高度和直徑的比例為2:1。試件均為圓柱體。
四、實驗原理及方法
壓縮實驗是研究材料機械效能常用的實驗方法。對鑄鐵、鑄造合金、建築材料等脆性材料尤為合適。通過壓縮實驗觀察材料的變形過程、破壞形式，並與拉伸實驗進行比較，可以分析不同應力狀態對材料強度、塑性的影響，從而對材料的機械效能有較全面的認識。
壓縮試驗在壓力試驗機上進行。當試件受壓時，其上下兩端面與試驗機支撐墊之間產生很大的摩擦力，使試件兩端的橫向變形受到阻礙，故壓縮後試件呈鼓形。摩擦力的存在會影響試件的抗壓能力甚至破壞形式。
為了儘量減少摩擦力的影響，實驗時試件兩端必須保證平行，並與軸線垂直，使試件受軸向壓力。另外，端麵加工應有較高的光潔度。
低碳鋼壓縮時也發生屈服，但並不象拉伸那樣有明顯的屈服階段。因此，在測定fs時要特別注意觀察。在緩慢均勻載入，力值勻速增加，當材料發生屈服時，力值增加的速度減慢，甚至下降。
這時對應的載荷即屈服載荷fs。屈服之後載入到試件產生明顯變形即停止載入。這是因為低碳鋼受壓時變形較大而不破裂，因此愈壓愈扁。
橫截面增大時，其實際應力不隨外載荷增加而增加，故不可能得到最大載荷fb，因而也得不到強度極限，所以在實驗中是以變形來控制載入的。
鑄鐵試件壓縮時，在達到最大載荷fb前出現較明顯的變形然後破裂，此時力值迅速下降，讀取最大的載荷fb值，鑄鐵試件最後略呈鼓形，斷裂面與試件軸線大約呈45o～55o，破壞主要是由剪應力引起的。
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