第一章材料的力學效能試驗
材料的力學效能試驗是工程中廣泛應用的一種試驗，它為機械製造、土木工程、冶金及其它各種工業部門提供可靠的材料的力學效能引數，便於合理地使用材料，保證機器（結構）及其零件（構件）的安全工作。
材料的力學效能試驗必須按照國家標準進行。
第一節拉伸試驗
一、實驗目的
1.驗證胡克定律，測定低碳鋼的彈性常數：彈性模量。
2.測定低碳鋼拉伸時的強度效能指標：屈服應力和抗拉強度。
3.測定低碳鋼拉伸時的塑性效能指標：伸長率和斷面收縮率。
4.測定灰鑄鐵拉伸時的強度效能指標：抗拉強度。
5.繪製低碳鋼和灰鑄鐵的拉伸圖，比較低碳鋼與灰鑄鐵在拉伸時的力學效能和破壞形式。
二、實驗裝置和儀器
1.萬能試驗機。
2.引伸儀。
3.游標卡尺。
三、實驗試樣
按照國家標準gb6397—86《金屬拉伸試驗試樣》，金屬拉伸試樣的形狀隨著產品的品種、規格以及試驗目的的不同而分為圓形截面試樣、矩形截面試樣、異形截面試樣和不經機加工的全截面形狀試樣四種。其中最常用的是圓形截面試樣和矩形截面試樣。
如圖1-1所示，圓形截面試樣和矩形截面試樣均由平行、過渡和夾持三部分組成。平行部分的試驗段長度稱為試樣的標距，按試樣的標距與橫截面面積之間的關係，分為比例試樣和定標距試樣。圓形截面比例試樣通常取或，矩形截面比例試樣通常取或，其中，前者稱為長比例試樣（簡稱長試樣），後者稱為短比例試樣（簡稱短試樣）。
定標距試樣的與之間無上述比例關係。過渡部分以圓弧與平行部分光滑地連線，以保證試樣斷裂時的斷口在平行部分。夾持部分稍大，其形狀和尺寸根據試樣大小、材料特性、試驗目的以及萬能試驗機的夾具結構進行設計。
對試樣的形狀、尺寸和加工的技術要求參見國家標準gb6397—86。
（a）（b）
圖1-1 拉伸試樣
（a）圓形截面試樣；（b）矩形截面試樣
四、實驗原理與方法
1.測定低碳鋼的彈性常數
實驗時，先把試樣安裝在萬能試驗機上，再在試樣的中部裝上引伸儀，並將指標調整到0，用於測量試樣中部長度（引伸儀兩刀刃間的距離）內的微小變形。開動萬能試驗機，預加一定的初載荷（可取），同時讀取引伸儀的初讀數。
為了驗證載荷與變形之間成正比的關係，在彈性範圍內（根據求出的最大彈性載荷不超過）採用等量逐級載入方法，每次遞加同樣大小的載荷增量（可選），在引伸儀上讀取相應的變形量。若每次的變形增量大致相等，則說明載荷與變形成正比關係，即驗證了胡克定律。彈性模量可按下式算出
式中：為載荷增量；為試樣的橫截面面積；為引伸儀的標距（即引伸儀兩刀刃間的距離）；為在載荷壇量下由引伸儀測出的試樣變形增量平均值。
2.測定低碳鋼拉伸時的強度和塑性效能指標
彈性模量測定完後，將載荷卸去，取下引伸儀，調整好萬能試驗機的自動繪圖裝置，再次緩慢載入直至試樣拉斷，以測出低碳鋼在拉伸時的力學效能。
（1）強度效能指標
屈服應力（屈服點）——試樣在拉伸過程中載荷不增加而試樣仍能繼續產生變形時的載荷（即屈服載荷）除以原始橫截面面積所得的應力值，即
抗拉強度——試樣在拉斷前所承受的最大載荷除以原始橫截面面積所得的應力值，即
低碳鋼是具有明顯屈服現象的塑性材料，在均勻緩慢的載入過程中，當萬能試驗機測力盤上的主動指標發生迴轉時所指示的最小載荷（下屈服載荷）即為屈服載荷。
試樣超過屈服載荷後，再繼續緩慢載入直至試樣被拉斷，萬能試驗機的從動指標所指示的最大載荷即為極限載荷。
當載荷達到最大載荷後，主動指標將緩慢退回，此時可以看到，在試樣的某一部位區域性變形加快，出現頸縮現象，隨後試樣很快被拉斷。
（2）塑性效能指標
伸長率——拉斷後的試樣標距部分所增加的長度與原始標距長度的百分比，即
式中：為試樣的原始標距；為將拉斷的試樣對接起來後兩標點之間的距離。
試樣的塑性變形集中產生在頸縮處，並向兩邊逐漸減小。因此，斷口的位置不同，標距部分的塑性伸長也不同。若斷口在試樣的中部，發生嚴重塑性變形的頸縮段全部在標距長度內，標距長度就有較大的塑性伸長量；若斷口距標距端很近，則發生嚴重塑性變形的頸縮段只有一部分在標距長度內，另一部分在標距長度外，在這種情況下，標距長度的塑性伸長量就小。
因此，斷口的位置對所測得的伸長率有影響。為了避免這種影響，國家標準gb228—87對的測定作了如下規定。
試驗前，將試樣的標距分成十等分。若斷口到鄰近標距端的距離大於，則可直接測量標距兩端點之間的距離作為。若斷口到鄰近標距端的距離小於或等於，則應採用移位法（亦稱為補償法或斷口移中法）測定：
在長段上從斷口點起，取長度基本上等於短段格數的一段，得到點，再由點起，取等於長段剩餘格數（偶數）的一半得到點（見圖1-2（a））；或取剩餘格數（奇數）減1與加1的一半分別得到點與點（見圖1-2（b））。移位後的分別為：或。
測量時，兩段在斷口處應緊密對接，盡量使兩段的軸線在一條直線上。若在斷口處形成縫隙，則此縫隙應計入內。
如果斷口在標距以外，或者雖在標距之內，但距標距端點的距離小於，則試驗無效。
（a）（b）
圖1-2 測的移位法
斷面收縮率——拉斷後的試樣在斷裂處的最小橫截面面積的縮減量與原始橫截面面積的百分比，即
式中：為試樣的原始橫截面面積；為拉斷後的試樣在斷口處的最小橫截面面積。
3.測定灰鑄鐵拉伸時強度效能指標
灰鑄鐵在拉伸過程中，當變形很小時就會斷裂，萬能試驗機的指標所指示的最大載荷除以原始橫截面面積所得的應力值即為抗拉強度，即
五、實驗步驟
1.測定低碳鋼的彈性常數
（1）測量試樣的尺寸。
（2）先將低碳鋼的拉伸試樣安裝在萬能試驗機上，再把引伸儀安裝在試樣的中部，並將指標調零。
（3）按等量逐級載入法均勻緩慢載入，讀取引伸儀的讀數。
2.測定低碳鋼拉伸時的強度和塑性效能指標
（1）將試樣打上標距點，並刻畫上間隔為或的分格線。
（2）在試樣標距範圍內的中間以及兩標距點的內側附近，分別用游標卡尺在相互垂直方向上測取試樣直徑的平均值為試樣在該處的直徑，取三者中的最小值作為計算直徑。
（3）把試樣安裝在萬能試驗機的上、下夾頭之間，估算試樣的最大載荷，選擇相應的測力盤，配置好相應的擺錘，調整測力指標，使之對準「0」點，將從動指標與之靠攏，同時調整好自動繪圖裝置。
（4）開動萬能試驗機，勻速緩慢載入，觀察試樣的屈服現象和頸縮現象，直至試樣被拉斷為止，並分別記錄下主動指標迴轉時的最小載荷和從動指標所停留位置的最大載荷。
（5）取下拉斷後的試樣，將斷口吻合壓緊，用游標卡尺量取斷口處的最小直徑和兩標點之間的距離。
3.測定灰鑄鐵拉伸時的強度效能指標
（1）測量試樣的尺寸。
（2）把試樣安裝在萬能試驗機的上、下夾頭之間，估算試樣的最大載荷，選擇相應的測力盤，配置好相應的擺錘。調整測力指標，使之對準「0」點，將從動指標與之靠攏，同時調整好自動繪圖裝置。
（3）開動萬能試驗機，勻速緩慢載入直至試樣被拉斷為止，記錄下從動指標所停留位置的最大載荷。
六、實驗資料的記錄與計算
1.測定低碳鋼的彈性常數
表1-1 測定低碳鋼的彈性模量試驗的資料記錄與計算
2.測定低碳鋼拉伸時的強度和塑性效能指標
表1-2 測定低碳鋼拉伸時的強度和塑性效能指標試驗的資料記錄與計算
3.測定灰鑄鐵拉伸時的強度效能指標
表1-3 測定灰鑄鐵拉伸時的強度效能指標試驗的資料記錄與計算
4.拉伸試驗結果的計算精確度
（1）強度效能指標（屈服應力和抗拉強度）的計算精度要求為，即：凡＜的數值捨去，≥而＜的數值化為，≥的數值者則進為。
（2）塑性效能指標（伸長率和斷面收縮率）的計算精度要求為，即：凡＜的數值捨去，≥而＜的數值化為，≥的數值則進為。
七、注意事項
1.實驗時必須嚴格遵守實驗裝置和儀器的各項操作規程，嚴禁開「快速」檔載入。開動萬能試驗機後，操作者不得離開工作崗位，實驗中如發生故障應立即停機。
2.引伸儀系精密儀器，使用時須謹慎小心，不要用手觸動指標和槓桿。安裝時不能卡得太鬆，以防實驗中脫落摔壞；也不能卡得太緊，以防刀刃損傷造成測量誤差。
3.載入時速度要均勻緩慢，防止衝擊。
八、思考題
1.低碳鋼和灰鑄鐵在常溫靜載拉伸時的力學效能和破壞形式有何異同？
2.測定材料的力學效能有何實用價值？
3.你認為產生試驗結果誤差的因素有哪些？應如何避免或減小其影響？
第二節壓縮試驗
一、實驗目的
1.測定低碳鋼壓縮時的強度效能指標：屈服應力。
2.測定灰鑄鐵壓縮時的強度效能指標：抗壓強度。
3.繪製低碳鋼和灰鑄鐵的壓縮略圖，比較低碳鋼與灰鑄鐵在壓縮時的變形特點和破壞形式。
二、實驗裝置和儀器
1.萬能試驗機。
2.游標卡尺。
三、實驗試樣
按照國家標準gb7314—87《金屬壓縮試驗方法》，金屬壓縮試樣的形狀隨著產品的品種、規格以及試驗目的的不同而分為圓柱體試樣、正方形柱體試樣和板狀試樣三種。其中最常用的是圓柱體試樣和正方形柱體試樣，如圖1-3所示。根據試驗的目的，對試樣的標距作如下規定：
的試樣僅適用於測定；
（或）的試樣適用於測定、和；
（或）的試樣適用於測定和。
其中（或）。
ab）圖1-3 壓縮試樣
（a）圓柱體試樣；（b）正方形柱體試樣
對試樣的形狀、尺寸和加工的技術要求參見國家標準gb6397—86。
實驗教學總結
三 精心準備好每一堂課，提高教育教學水平。以認真負責的態度，強烈的責任心 使命感和敬業精神，精心準備好每一堂課，在課前認真鑽研教材和教法，根據本校學生的實際情況，精心選題，上課時注意突出重點 突破難點，使知識條理化 系統化 網路化，使學生能通過化學課的學習，不僅能系統全面地掌握知識點，更能運用知識解...
實驗教學總結
物理實驗室是學生學習和進行物理實驗的主要場所，是物理 學習的主要資源。學校領導和教育主管部門一貫高度重視物理實驗室建設，今年又新添了儀器和裝置，為每個學生能進行實驗 活動創造了良好的條件中學物理實驗教學的目的與任務即是，通過實驗，使學生最有效地掌握進一步學習現代科學技術所必需的基礎物理知識，培養初步...
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