工程材料及热加工精品课程

设为首页  |  加入收藏

 
实验实训
 实训条件 
 实训教案 
 实训录像 
 实训照片 
 实验指导 
 
实验指导
您的位置: 首页>>实验实训>>实验指导>>正文
实验一 拉伸实验
2018-06-22 17:26  

                    实验一  拉伸实验

一.万能材料试验机介绍

材料试验的目的,是模仿工程实际中的零件、构件的真实情况,在实验室研究他们的性能。因此,需要将各种零件、构件以及不同的工作情况,在实验室作出再现。作为被测试对象的零件、构件称为试件,应按相似原理制成模型或试样,并模仿其具体工作条件,作出模拟实验,从而测量试件的承载能力和变形等参数。提供模拟试验、给出稳定参数的设备,称为试验机。

试验机品种繁多。如果按照所模拟的工作环境来分,有高温、常温、低温、腐蚀等;如果按照所模拟的载荷情况来分,有静载、动载、冲击、交变等;也可以按照试验机的功能来分,有拉伸、压缩、弯曲、硬度等。在常温、静载拉力试验机上,增设一些附具扩展功能,还能进行压缩、剪切、弯曲等试验。这种多功能的试验机称为万能材料试验机。图11所示的是材料力学中通常使用的试验机。

1-1

万能材料试验机是由机架、加载系统、测力示值系统、载荷位移记录系统以及夹具、附具等五个基本部分所组成。其中以加载系统、测力示值系统和载荷位移记录系统反映了试验机的主要性能。以下分别阐述这些系统的工作原理和结构。

(一)加载系统

加载系统的功能是,提供适合于静载荷的力源。这力源必须是稳定的、可控的,而且重合于轴线的轴向力。实现这种力源的机构,一般的液压式和机械式两种。

1.2所示是液压式的加载机构。当高压油泵向油缸送油时,逐渐顶起油缸中的活塞,联同传力架将工作台升起。如果试件装入下层空间的夹头中,就向其施加了拉力;若放入上层空间的垫块上,就向试件施加压力。

机械式的加载机构,也是使工作台移动,强迫试件伸长或压缩而施加拉力或压力。所

1-2                         1-3

在不同的,只是工作台由螺杆、螺母筒和蜗轮蜗杆等腰三角形机构所传动。

(二)测力、示值系统

测力、示值系统的功能,是要随时反映出作用于试件上载荷的数值。它是试验机的心脏部门。机械式和液压式材料试验机,一般都采用如图13所示的摆锤式测力、示值系统。二者的区别,仅在于传递拉力Ps的机构不同。机械式试验机,是由测力杠杆传递Ps力;而液压式的,是由测力油缸的活塞传递Ps力。因此,它们的测力、示值原理相同。

1.摆锤式测力、示值系统的工作原理。如图13所示,试验机作用于试件上的载荷,就是作用在工作油缸上的压力Pw。由于工作油缸与测力油缸相连通,它们的油压强度相等,于是测力油缸的活塞对连杆作用的拉力PsPw成线性关系,又Ps使摆杆联同法码扬起α摆角的同时,拨杆推动齿杆位移x,从而带动齿动使指针转动。因此,指针转动的角度φ与试验机的作用力Pw也成线性关系。它们的关系式:

P= ·Ψ11

式中,QldhSwSs以及预置角α都是常量。由(1.1)式可得结论:

(1)试验机的载荷Pw与指针的转角ψ成线性关系,因此,测力度盘可以以圆等分刻度。

(2)当ψ视为常量(指针指在同一角度时),而Q视为变量,则PwQ成正比关系,因此,更换砝码重量Q可以得到不同的测力范围。

国产试验机,一般具有三档不同范围的测力度盘,相应地配有三个不同重量的砝码。实验时需要正确选择、配合使用。

(3)当ψ视为常量,而L视为变量时,则PwL成正比关系。因此,更换摆杆L也可以得到不同的测力范围。

2 摆锤式测力、示值系统的线性范围。

式(1.1)中的载荷Pw与指针转角ψ成线性关系,是在理想状态下成立的,式中没有考虑到摩擦力;支承、夹具、机架受力后的变形;加工装配中几何尺寸的偏差,以及各零件之间的间隙等因素的影响,这些都会使Pw与ψ之间产生非线性偏差。当摆杆扬起α角较大(相应指针的转角ψ也大)时,由于摩擦力引起的非线性误差显著增加,指针临近度盘的满度区域,示值的精度较差。又根据国家对试验机示值精度的规定:以每级测量范围10%开始,但不小于该机最大载荷的4%,误差应在±1%以内。可见指针在度盘开始的区域内,精度也较差。实验时,应正确选择度盘的测力范围,一般使需要测量的载荷,最好全落在度盘的10%80%范围内。

摩擦力对试验机进程(加载)、回程(卸载)都有影响,而在进回程中引起的是双倍误差。所以,试验机加载时,必须平稳增加,不应忽减。

3指针度盘式的示值机构

普通材料试验机均为指针度盘式的示值方式。它具有二根示值指针:一根是主动针,另一根是从动针。如果1.1中所示。当试验加载时,主动针带着从动针随载荷增加而沿刻度值增大方向旋转。当试验终了卸载时,主动针自动回至零位,而从动针停示在终止的力值上,以供充裕时间准确读值。从动针的位置,可由手动调节。

4游铊自动平衡式测力、示值系统

1-4

国产WJ10型万能试验机和NJ型扭转试验机,都采用游铊自动平衡式的测力机构。这种机构的精度、灵敏度都比摆锤式测力、示值机构的高,如图1.4所示,为该机构的工作原理图。水平杠杆1,支承于O点,由测力杠杆传递的力Ps作用于A点,当试验机空载,即Ps=0时,游铊2位于M位置,使杠杆及其悬挂物处于水平平衡状态。当试验机承载,即Ps0时,杠杆失去平衡,B点的位移使传感器4输出电压,通过放大器使伺服电机3转动,拖动游铊移到一个新的位置N,使杠杆重新恢复水平平衡。根据先后两次平衡重要条件,可得Psx的线性关系为:

=··Φ1.2

式中Qrd都是常量。即得指针的转动角度Ps与ψ成线性关系。

(三)载荷位移记录系统

万能材料试验机的载荷位移记录系统,它的一般机构如图1.5所示。

力值的记录:在测力系统的齿杆上装有笔架,记录笔随齿杆的移动而在记录筒上描绘。如使指针转动一圈,记录笔所绘直线的长度,代表该度盘的满度力值。可作为力值的坐标。

位移的记录:试验机上、下夹头之间有相对位移时,绳线通过绳轮带动记录筒转动。记录笔在筒纸上绘出了代表位移的线段。记录筒上的绳轮,一般具有23条不同直径的线槽,使描绘位移线段的长度,比真实位移放大124倍。可以选择使用。

1-5

力和位移同时记录:当夹头强迫试件伸长的同时,试样不断产生抗力,这时记录笔和记录筒一起动作,二者的合成运动,描绘了力和变形的曲线。

应该注意,这机构所记录的变形,并非试样标距内的真实变形,而是试验机上、下两夹头间的位移,其精度较差。如果需要大比例、高精度的P—△L曲线图,可应用现代的电子设备,在普通的试验机上,使用传感器直接测量试样的抗力和标距的变形转化为电讯号输出,经放大器接入xy函数记录仪,可得放大倍数为1000以上的精度图线。更先进的记录,是将传感器采集的讯息,经A|D转换输入电子计算机,通过计算机数据处理,打印出更精确的数据和曲线图。

了解试验机的主要功能,其目的是为了更好地掌握和使用试验机。实验测试的质量,除了试验机本身达到规定的精度外,更重要的是决定于实验者的操作技能。然而,正确、熟练的操作技能,也反映了实验者的水平和能力。各试验机的具体操作方法,在附录中已有详细叙述。对于在实验中将使用的试验机,希认真阅读和掌握。

二、拉伸试验中四个主要指标的测定

(一)拉伸试验图

一般材料试验机都具有载荷位移记录装置,可以装试样的抗力和变形的关系P—L曲线记录下来。

1-6

如图1.6所示,为低碳钢的P—L曲线图,以说明试样在拉伸全过程中,它抗力和变形的关系。其纵坐标表示载荷P,单位是公斤力(kgf),横坐标表示绝对伸长△L,单位是毫米(mm),整个变化过程,可分为四个阶段:

Oa——弹性阶段。其特征是载荷与伸长成线性关系,即材料服从虎克定律。

bd——屈服阶段。b为上屈服点,c为下屈服点。cd为屈服平台。

dB——强化阶段。沿试样长度产生均匀塑性变形,此时?,且有趋向于零的连续变化,表明试样的抗力其塑性变化为非线性增加。

BK——局部塑性变形阶段。在B点?,载荷达到最大值PB,以后转为?的变化,表示试样抗力下降而变形继续增加,出现颈缩。这时变形局限于颈缩附近,直到断裂。

本实验,需遵照国家标准,测定两个指标:屈服极限σs、强度极限σb和两个塑性指标:伸长率δ和面缩率ψ。

(二)屈服极限的测定

1.物理屈服极限σs

按国家标准规定,对于有明显屈服现象的材料,其屈服点可借助于试验机测力度盘的指针或拉伸曲线图来确定。

1)指针法:当测力度盘的指针停止转动时的恒定载荷,或第一次回转的最小载荷,即为所求屈服点的载荷Ps

2)图示法:在P—L曲线上找出屈服平台的恒定载荷,或第一次下降的最载荷,即为所求屈服点载荷Ps。如具的上、下屈服的拉伸图,应取下屈服点c点为屈服载荷Ps。因为下屈服点对试验条件的影响较小,其值较稳定。

3)屈服极限的计算

σs=      kgf/mm

式中A0为试样的原始面积

2.条件屈服极限

大部分金属材料都不存在明显的屈服现象,在拉伸图上由弹性到弹塑性的过渡是光滑连续的,如图1.7所示。根据国家标准规定:试样在拉伸过程中,标距部分的残余伸长达到原标距长度的0.2%时的应力为条件屈服极限σ0.2

1-7

1)图解法。如图1.7所示的P—L曲线,在其横坐标上,截取使OD=0.2%·l·n,从D点作弹性直线段的平行线,交曲线于B点,点B的纵坐标值,即所求的屈服载荷P0.2。式中L为上、下夹头间试件长度,n为夹头位移的放大倍数,应不小于50倍。

2)引伸计法。由引伸计法测出试样在残余变形为0.2%时所对应的载荷值为屈服载荷P0.2

条件屈服极限的计算式为

σ0.2= kgf/mm

3.试验条件

加载速度对屈服极限有影响,一般加载速度增高时,σs也增高。为了保证所测性能的准确性,一般规定拉伸速度为:

1)屈服前,应力增加的速度为1公斤力/毫米m㎡/秒。

2)屈服后,试验机活动夹头移动速度不大于0.5L/分。

(三)强度极限的测定

根据国家标准规定:向试样连续施加载荷直至拉断。由测力度盘或拉伸曲线上读出最大载荷值PMax。抗力强度的计算式为:

σb= kgf/mm15

(四)塑性指标的测定

塑性,是指断裂前材料发生塑性变形能力。塑性的量值,是以断裂后的塑性变形的大小来度量。拉伸时的塑性指标,通常以拉断时残余相对伸长δ表示,称为伸长率,以及断裂时截面相对收缩ψ表示,称为截面收缩率。

1.伸长率的测定

先用试样的标距长度L0内,用划线器刻划等间距的标点或圆周细线10格。每格间距:长试样为10;短试样为5㎜。为拉断后量测之用。

断后标距部分长度L1的量测:将试样拉断后的两段,在断口处紧密对齐,尽量使它们的轴线位于同一直线上,按下述方法量测L1

直线法:如断口到邻近的标距端点(或端线)的距离大于L03时,需移位换算,可直接量测两端点(线)间的距离L1

移位法:如断口到邻近的标距端点(线)的距离小于或等于L03时,需位移换算。移位换算方法如下:

在试样的长段上,如图1.8所示,从断口”O”处截面取基本等于短段的格数,得到B(即令OB=OA)。接着如图1.8a)所示,长段的其余格数为偶数时,则取其一半得C点,于是

                      L1=OA+OB+2BC                            1.6a

如图1.8所示,长段其余格数为奇数时,则分别取其减1加与加1的一半得CC1两点,于是

                        L1=AO+OB+BC+BC1                         (1.6b)

伸长率的计算式为:

δ= ×100%                             (1.7)

智、长比例试样的伸长率,分别以δ5δ10表示。

1-8

2.截面收缩率的测定

圆形试样拉断后,在颈缩最小处的两个互相垂直方向上量测其直径,以二者的算术平均值,计算颈缩处最小横截面积A1;板状试样的断口如图1.9所示,用颈缩处最大宽度b1乘以最小厚度a1算得断面截面积A1

截面收缩率的计算式:

ψ = ×100%

1-9

3.量测精度和结果处理

按技术标准规定,所量测的量具都应达到三位有效数字的精度,计算结果应以三位有效数字表达。

如不符合国家规定,断裂在标距端线上或标距端线外,或二个、二个以上的颈缩等情况,实验无效。

三、拉伸试样

拉伸试样的形状,通常有圆形试样和板状试样两种。在标准中曾规定的“标准圆形试样”尺寸为:d0=20,   L0=200L0=10 d0,称长试样

d0=20㎜,L0=200㎜, L0=5 d0,称短试样

L0=10 d0L0=5 d0A0=πd0 d04代入1.9)式,分别得

=κ                   (1.9

于是=11.310(长试样)1.10a

=5.655(短试样)1.10b

如果由于原材料或其它原因限制,不能采用标准试样时,只要试样尺寸满足(1.10)式的试样,都称为比例试样。GB22876中规定,对于钢试样一般采用d0=10长、短比例试样。对于板状长、短比例试样,也应满足1.10)。关于圆形试样,其各部分允许偏差及表面加工光洁度应符合图1.10的规定。

          图110

试样标距部分直径d0的允许偏差±0.2。试样标距长度内最大与最小直径的允许差值0.05

L=L0+100㎜,最小R=3㎜。

试样头部的形状及尺寸,可按材料和试验机的夹具等条件自行设计。

四、实验过程

测定低碳钢、铸铁的拉伸机械性能

 [实验目的]

练习材料在拉伸时机械性能的测试方法

[实验项目]

1.观察低碳钢、铸铁试样在拉伸全过程中的各种现象。

2.了解低碳钢、铸铁在拉伸全过程中,抗力和变形的相互关系,并绘制P—L拉伸曲线图。

3.测定低碳钢的几个主要拉伸机械性能的指标,屈服极限σs,强度极限σb,伸长率δ,和断面收缩率ψ,以及铸铁的抗拉强度极限σb

[实验要求]

1.测试方法:

遵守国家技术规定,测试拉伸性能指标的训练。

2.数据处理:

学习掌握测量中的有效数字及其运算。

3.操作技能:

继续练习万能试验机的操作方法。

[设备和试样]

1.材料试验机一台

2.游标尺、千分尺各一把。

3低碳钢、铸铁标准(或比例)试样各一根,

[内容与步骤]

1.量测试样直径。在试样标距长度的两端和中间三处用千分尺量测直径,为了消除截面椭圆度的误差,应在每处以相互垂直方向量测,取算术平均值。在强度计算时,考虑到试样从最薄弱处开始破坏,应取三处平均直径中的最小直径。测量精度至少达到0.02㎜。

2.试样划线。为了观察低碳钢试样拉断后的变形分布情况,在试样的标距长度内,用划线器等间距划10格。如长试样间距为10㎜;短试样则为5㎜。铸铁试样不必划线。

3.试验机的准备工作

选择测力度盘,配置相应的砝码,将试验机的测力指针调到零位。

安装试样

调整载荷位移记录机构

   4.检查和试车。在教师检查、允许下,以手动或缓慢加载试车,观察测力机构、绘图机构运行是否正常。然后卸载,使测力指针接近回零,将试验机处于待令工作状态。

   5.实验测试。加载人员集中精力,手动或慢速机动操作试验机,使试样受到均匀、缓慢的载荷而变形。

注意观察试样、观察测力指针和记录图在拉伸过程中的全部现象,尤其低碳钢试样在屈服时其表面的变化,测力指针的摆动和记录图的形状;记下指针停止转动时的恒定值,或第一次回转的最小值,为屈服载荷Ps,临近颈缩时试样表面的变化,颈缩现象,直到试样断裂,记录指针的最大载荷Pmax,取下试样,观察和分析试样断口,以及考察物理现象。

取下记录曲线图,实验完毕,将试验机各机构恢复原位。

   6.量测低碳钢断裂试样。

[注意事项]

   1.临开机前,必须仔细检查,排除遗漏和误失。在教师同意下才开动试验机。

   2.开始加载要缓慢,特别是油压试验机,防止油门开得过大,引起载荷冲击突加,容易造成事故。

   3.试样安装必须正确,防止偏斜和夹入过短。

   4.运行时,如发现异常(如声音、气味或机构失灵等),应立即停车,排除故障。

[预习和准备]

1.了解金属材料拉伸机械性能的意义和测试方法。

2.掌握量测试样的方法和规定,注意量具和有效数字的应用。实验前后要量测试样的哪些尺寸,事先画好数据记录表格。

3.拉伸过程中要观察哪些现象,注意几个变形阶段,如何记录应测的数据等,亦应画在数据记录的表格内。

4.如果低碳钢的强度极限σb=4000kgf/㎝2左右,预先合理选择测力度盘和配置砝码。

[实验报告]

拉伸试验实验报告(供参考)

日期:

实验名称:

实验设备:

实验目的

一)试样尺寸记录

截面

面积A0

L0(㎜)

d0(㎜)

面Ⅰ

面Ⅱ

面Ⅲ

1

2

平均

1

2

平均

1

2

平均

低碳钢

材料

断后尺寸

L1(㎜)

断裂处直径d1(㎜)

断裂处截面面积

低碳钢

1

2

平均

(二)实验记录

实验数据记录

材料

屈服载荷Ps(kgf)

最大载荷Pb(kgf)

低碳钢

铸铁

实验图象记录

图形

低碳钢

P—L

曲线

断口

形状

(三)计算结果

低碳钢:

屈服极限:σs==      kgf/mm=   MP

强度极限:σb=      kgf/mm=   MP

伸长率:δ=×100%=   %

面缩率:ψ =×100%=   %

铁:

强度极限:σb= =      kgf/mm=   MP

(四)实验结果讨论

比较低碳钢所代表的塑性材料和铸铁所代表的脆性材料,它们的拉伸时机械性能的共同点和不同点。

关闭窗口

Copyright ©2007 - 2018 安徽机电职业技术学院. All Rights Reserved

地址:安徽省芜湖市高教园区文津西路16号第4教学楼4207室 邮编:241002 电话:0553-5975090 E-Mail:nic@ahcme.edu.cn