材料的力学性能测定
实验一 液压式万能材料试验机的操作实验
一、实验目的
1、熟悉液压式万能材料试验机的拉伸、压缩是试验的具体操作方法；
2、了解液压式万能材料试验机的基本结构和原理。
二、仪器设备
1、液压式万能材料试验机；
2、拉伸、压缩、弯曲、剪切等试样。
三、试验机的操作
⑴液压式万能材料试验机的操作
1、拉伸实验的操作
a.检查各按钮、阀门是否处于关闭状态，启动“电源”；
b.根据试样材料和直径估算最大载荷，选择测量范围，在摆杆上挂上或取下摆锤；并将缓冲阀的转换手柄置于与所选度盘量程相适应的位置上；
c.根据试件的形状和尺寸选配好相应的钳口；
d.装好绘图器的传动装置以及绘图笔和记录纸；
e.启动油泵，打开送油阀使活动平台上升10mm左右，然后关闭送油阀（如果活动平台已在升起位置，则不必先启动油泵送油）；
f.将试样的一端夹于上夹头的钳口中；
g.启动油泵，转动齿杆调整测力指针对准度盘零点；
h.开动下夹头电机，将下夹头升到合适的位置，把试件的另一端夹入下夹头钳口中；
i.调整绘图器的绘图笔使之进入描绘准备状态；
j.缓慢拧开送油阀送油，根据实验加载方案进行加载、卸载；
k.加载完毕，关闭送油阀，停止油泵工作；
l.抬起绘图器的绘图笔；
m.拧开回油阀回油，将从动指针拨回零点；
n,取下试件，机器复原，结束试验工作。
2、压缩实验的操作
a.检查各按钮、阀门是否处于关闭状态，启动“电源”；
b.根据试件材料和直径估算最大载荷，选择测量范围，在摆杆上挂上或取下摆锤；并将缓冲阀的转换手柄置于与所选度盘相适应的位置上；
c,装好绘图器的传动装置以及绘图笔和记录纸；
d,将压缩式样置于下压板中心位置；
e,启动油泵，转动齿杆调整测力指针对准度盘零点；
f,调整绘图器的绘图笔使之进入描绘准备状态；
g.若试验机的上压板距离试件的上端面较远，可以迅速打开送油阀送油，让活动平台快速升高，当试件接近上压板时，迅速关小送油阀，减慢平台上升速度，使试验机的上压板与试件上端缓慢平稳接触，逐渐施加载荷至试件破坏；
h,试件断裂后，关闭送油阀，停止油泵工作；
i,抬起绘图器的绘图笔；
j．拧开回油阀卸载，将从动指针拨回零点；
k,取下试件，机器复原，结束实验工作。
四、注意事项
1、一定要注意根据试件尺寸和材料种类估算最大载荷，选择好的量程必须与悬挂摆锤对应；需自动绘图时，事先应将滚筒上的纸和绘图笔安装妥当；
2、开启油泵之前，必须检查送油阀和回油阀是否处于关闭状态；待油泵工作正常后，开启送油阀将活动平台升高约10mm，以消除其自重，然后关闭送油阀；
3、安装拉伸试件时，可开动下夹头升降机以调整下夹头位置，但不能用下夹头升降机给试件加载；
4、缓慢开启送油阀，给试件平稳加载，应避免油阀开启过大进油太快。实验进行中，注意不要触动摆杆或摆锤；
5、实验完毕，关闭送油阀，停止油泵工作。破坏性实验先取出试件，再缓慢打开回油阀将油液放回油箱；非破坏性实验，自然应先开回油阀卸载，才能取下试样。
实验二 金属材料的拉伸实验（一）
一、实验目的
1,测定低碳钢材料在常温、静载条件下拉伸时的屈服极限σs，强度极限σb，延伸率δ和断面收缩率ψ；
2,测定铸铁材料在常温、静载条件下拉伸时的强度极限σb；
3,观察低碳钢、铸铁材料在拉伸过程中出现的各种现象，分析P-△L图的特征；
4、比较低碳钢与铸铁力学性能的特点和试样断口情况，分析其破坏原因；
5、了解液压式万能材料试验机的构造原理，熟悉其操作方法。
二、仪器设备
1、液压式万能材料试验机；
2、游标卡尺。
三、试件制备为了避免试件的尺寸与形状对实验结果的影响和各种材料的力学性能测试结果的相互比较，国家标准对试件的尺寸和形状都作了统一的规定：拉伸试件分为比例和非比例两种。比例试件的尺寸应符合如下关系：
(1)
式中 ——试件的原始标距，即计算变形的有效长度。长度值由试件此段上的两标距点确定（见图3-2-1）；
——试件标距段的原始截面面积；
——常数，其值可取5.65或11.3，与此对应，试件分别称为长比例试件或短比例试件。
在特殊的情况下（例如成品型材、板材、管材、线材等），试件的原始标距与原始横截面面积也可按产品标准或双方协议执行，这类试件称为非比例试件（或定标距试件）。
通常实验所用试件为圆截面试件，因此，上式（1）可改写为
（2）
式中为试件的原始直径，系数k对应为5或10。本次实验采用圆截面长比例试件，即取k=10。试件形状如图3-2-1所示。试件两端较粗部分为装入试验机夹头中的夹持部分，起传递拉力的作用，其尺寸和形状应根据试验机的夹头形式而定，一般要求其长度不小于夹块长度的三分之二。
图3-2-1
四、实验原理金属材料拉伸时的力学性能指标，是由拉伸实验来确定的。为此，本实验选择低碳钢和铸铁分别作为塑性材料和脆性材料的代表，按照国家标准，利用液压式万能材料试验机上进行拉伸实验来测试和比较两类材料拉伸时的各项力学性能指标。
1、低碳钢的拉伸由于在试件变形之前，机器的零部件之间和试件与夹具之间有一定的间隙，试验机自动绘图器绘出的拉伸变形△L不仅包括试件的伸长，还包括机器有关部分的间隙和弹性变形以及试件在夹头内的滑动等。所以，实验一开始，试验机自动绘图器就开始绘出曲线。
图3-2-2
施加稍许载荷后，这些间隙将会渐渐消除。试验机自动绘图器绘出一段直线，表明载荷与变形之间满足正比例关系，此阶段为线弹性阶段。为了修正因间隙等而导致的拉伸图最初的一小段曲线的影响，必须将上述直线段延长至横坐标轴，所得交点即为拉伸图的坐标原点O。过线弹性阶段0A后，整个弹性阶段并未结束，接下来的AB段是一非线弹性过程，此时，虽然载荷与变形不再成正比例关系，但是载荷卸除后，变形可完全恢复，仍属于弹性阶段。
随着载荷的进一步增加，图形沿OAB上升，过B点后，进入屈服阶段（呈锯齿状的BC段）。此时，材料丧失了抵抗变形的能力，从图形可看出此阶段载荷虽没明显的增加，但变形继续增加。在此阶段我们能看到一个很明显的实验现象：试验机读数盘中的主、从动两根指针开始分开，从动指针停滞不前，而主动指针开始倒退，并在从动指针附近来回多次摆动，这就是所谓的屈服现象。在此过程中，我们需要读取屈服载荷Ps的大小。如果试件足够光亮，我们还能在试件上看到与轴线成45o的细微滑移线（它是由于剪切的作用，致使材料的内部晶体产生滑移的结果）。
材料经过屈服后，主、从动指针又开始继续同时往前走动，屈服阶段结束，这时，要使试件继续变形，必须继续增加拉力。这是因为晶体滑移后增加了抗剪能力，同时散乱的晶粒开始变得细长，并绕长轴向试件纵向转动，趋于纤维状而呈现方向性，从而增加了材料抵抗变形的能力，使材料处于强化状态。我们称此阶段为材料的强化阶段（即曲线的CD部分）。若在此阶段中停止加载并逐步卸载，可以发现一种现象——卸载规律：在此阶段的某一点M卸载时，载荷和变形之间仍遵守直线关系。如果卸载后再立即加载，则载荷与变形之间基本上仍遵循卸载时的直线规律沿卸载直线上升至开始卸载时的M点。我们称此现象为冷作硬化现象。由图3-2-2可知：QM∥OA。卸载时，试件的变形不能完全恢复，还残留了OQ一段塑性变形。
D点为拉伸图的最高点，此时载荷达到最大值，即强度极限载荷Pb，主动指针再一次离开从动指针，开始往回倒退，进入颈缩阶段。此时，试件的变形沿长度方向不再是均匀的了。在试件的最薄弱处，其直径将明显缩小，变形也随之进一步增大，试件出现颈缩现象。随着试件截面面积的急剧缩小，拉力也随之下降，试验机的自动绘图器绘出一段下降的曲线，最后在颈缩处断裂，整个拉伸实验过程结束。
试件破坏断口呈复杂的倒杯锥型，其破坏机理也较复杂，其中，断口往外凸出的45o剪切唇边可认为是剪应力作用所致，而中间凹入部分则是三向拉应力作用的结果。
2、铸铁的拉伸铸铁在拉伸时没有屈服阶段，也没有明显的直线部分。在工程计算中，通常取割线来近似代替开始曲线部分，而认为材料近似服从胡克定律。
图3-2-3
另外，铸铁试件变形也不明显，在变形极小时，就达到最大载荷Pb而沿横截面突然发生破坏，实验过程中也无颈缩现象出现。断口近似为一个规则的平面，主要为垂直横截面的正应力所致。
五、实验步骤
（1）低碳钢的拉伸
1,试件准备；
2、尺寸测量
a.用游标卡尺测量试件标距部分的原始直径d0。在试件标距范围内，取中间和两端处三个截面作为测试试件直径的位置，每个截面在两个相互垂直的方向上各测量一次，取两次测量结果的平均值作为该截面的平均直径，然后取三个平均值中的最小值作为d0的大小来计算试件的原始横截面面积A0；
b.测量试件的原始标距L0。用游标卡尺测量试件标距部分两标距点之间的距离一次，以此作为原始标距L0的大小。
3、试验机的准备
a.按Pmax=σb?A0估算试件的最大载荷值，据此选择合适的测试量程（使Pmax在所选量程的40%~85%内为宜），通过位于试验机操作台后面的摆杆上取下或挂上所选量程对应编号的摆锤，实现量程选择，然后将试验机操作台左侧中部的缓冲阀置于对应量程的位置；
b.检查试验机的控制开关是否都处于初始位置，确认无误后，启动电源和油泵的按钮开关，打开送油阀送油，使活动平台上升10～20mm后，关闭送油阀；
c.摆锤对中，使摆杆垂直；
d.装夹试件。先将试件的一端夹入试验机上夹头的钳口内；通过旋转自动绘图器上的推杆调整主动指针对零，并将从动指针拨到零位置；随后利用上下运动控制按钮开关调整下夹头的高度到适当位置，使之夹牢试件的另一端；
e.准备好绘图器，使绘图笔与记录纸刚好接触；
4、进行实验
a.缓慢打开送油阀送油，给试件缓慢、均匀地施加拉力作用；
b.观察屈服现象，跟踪读取屈服载荷Ps大小（为了避免试验机初始瞬时效应影响，应除去主动指针第一次回摆示值后，取以后主动指针多次回摆中所指示的最小值作为Ps的大小。必要时参考拉伸图将有助于确定屈服载荷的值）；
c.在强化阶段中的一点（例如M点，参考图3-2-2）处卸载至零，并立即从零开始加载，观察卸载规律；
d.观察颈缩现象：当主、从动指针分开时，观察试件的颈缩现象，随着主动指针的迅速倒退，试件很快断裂；
e.记录最大载荷Pb的值；
f.测量拉断后试件的标距L1和最小截面直径d1。
【标距L1的测量】将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线，拉断以后试件的标距L1大小的测量采用下述方法之一来测定。
首先在实验前用刻线机在试件标距范围内内的表面上刻出十格等分线。
直测法：若断口到最近的标距点的距离大于，则以直接测得的两标距点间的距离为
L1；
移位法：若断口到最近的标距点的距离小于，则可按下法确定L1：在长段上从拉断处O取基本等于短段格数得到B点，当较长段所余格数为偶数时（如图3-2-4（a）所示）取长段所余格数的一半得出C点，相当于将BC段长度移到试件的左端，则移位后的L1为
L1=
当较长段所余格数为奇数时（如图3-2-4（b）所示）取长段所余格数减1的一半得出C点，再取长段所余格数加1的一半得出C1点，则移位后的L1为
L1=
(a)
(b)
图3-2-4
【截面直径d1的测量】将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线，在试件颈缩处选择一最小截面，在此截面的两个互相垂直的方向各测量一次直径，取其平均值作为拉断以后截面直径d1的值；
5、结束实验工作。整理所记录的实验数据；描绘断口草图；定性绘制拉伸曲线图；将试验机复原；清理实验现场；将实验数据交指导老师签字经同意后离开实验室。
（2）铸铁的拉伸铸铁的拉伸实验可参照低碳钢拉伸实验进行。铸铁的尺寸测量还可进一步简化，只需测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直径d0的值；铸铁无需测量标距L0、L1和拉断后的直径d1。
六、实验注意事项
1,调整主动指针指零前，若活动平台并未升起一定高度，则一定要开机送油，使之上升10-20mm。
2,试件夹持必须正确，不得偏斜，夹入部分不能过少；
3、下夹头上下运动过程中不能受约束，夹紧试件后不得用其加载；
4,加载要缓慢、均匀；
5,在读取屈服载荷Ps过程中，必须注意整个屈服过程的数据读取。
七、实验数据处理与分析
1、强度指标的计算：
屈服极限 σs= （3）
强度极限 σb= （4）
2、塑性指标：
延伸率 δ= （5）
断面收缩率 ψ= （6）
八、实验报告
1、提交实验报告（具体要求参考实验报告册）；
2、讨论下列问题
① 拉伸实验中为什么要采用比例试件?
② σs和σb是试件屈服和破坏时的真实应力吗?为什么?
③ 调整主动指针对零前为什么要求活动平台必须已升高稍许?
④ 分析低碳钢和铸铁两种材料的断口特征，并加以比较。
实验数据表格
实验三 金属材料的压缩实验（一）
一、实验目的
1、测定铸铁材料在常温、静载条件下压缩时的强度极限σb；
2、观察铸铁材料在压缩时的变形和试件断口情况，并分析其破坏原因；
二、仪器设备
1、液压式万能材料试验机；
2、游标卡尺。
三、试件制备金属材料的压缩试件一般制成如图3-3-1 所示的圆柱试件不宜过长（过长容易被压弯），也不宜过于粗短（过于粗短则试件两端面受摩擦力影响的范围过大）。所以，国家标准一般规定
h0=（1~2）d0 （1）
式中 h0——压缩试件的高度
d0——压缩试件的原始横截面直径
图3-3-1
四、实验原理试验机的下压板是个球面承垫，当试件两端稍有不平时，球面承垫可以转动而调节压力作用线，使之能通过试件轴线，实现试件的轴向受压。
铸铁在压缩过程中，试验机的自动绘图器将描绘出一条与其拉伸时相似的P-△L压缩曲线（如图3-3-2），所不同的是铸铁压缩到强度极限载荷Pb之前要产生较大的变形。试件由圆柱形被压缩成微鼓形直至破裂。此时试验机主动指针迅速倒退，而从动指针记录了最大载荷Pb。铸铁破坏时，由于剪应力的作用，破坏面出现在与试件轴线约成45o-50o的斜面上。
图3-3-2
五、实验步骤
1、试件准备；
2、尺寸测量
a.用游标卡尺测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直径d0的值；
b.测量试件原始高度h0的值一次；
3、试验机的准备按Pmax=σb?A0估算试件的最大载荷值，依此选择合适的测试量程，通过位于试验机操作台背面的摆杆上取下或挂上所选量程对应编号的摆锤，实现量程选择，然后将试验机操作台左侧中部的缓冲阀置于对应量程的位置；
b.检查试验机的控制开关是否都处于初始位置，确认无误后，启动电源和油泵的按钮开关，打开送油阀送油，使活动平台（也称为工作平台）上升10-20mm后，关闭送油阀；
c.摆锤对中，使摆杆垂直；
d.安装试件。将试件准确地放在下压板的中心处；通过反复旋转自动绘图器上的推杆调整主动指针对零，并将从动指针拨到零位置；
e.准备好绘图器，使绘图笔与记录纸刚好接触；
4、进行实验
a.若试验机的上压板距离试件的上端面较远，可以迅速打开送油阀送油，让活动平台快速升高，当试件接近上压板时，关小送油阀，减慢平台上升速度，使试验机的上压板与试件上端缓慢平稳接触，逐渐加载至试件破坏；
b,记录极限载荷Pb的值;
c,结束实验工作。整理所记录的实验数据；描绘断口草图；定性绘制压缩曲线图；将试验机复原；清理实验现场；将实验数据交指导老师签字经同意后离开实验室。
六、实验注意事项
1、为了保证试件的轴向受压，应尽量把试件放在上下压板的中心位置上；
2、加载一定要缓慢，特别要注意让试件与上压板缓慢、平稳地接触；
3、铸铁试件压缩破坏后应立即关闭送油阀，并打开回油阀放油卸载；
4、观察铸铁压缩实验现象时，应注意安全，不要太靠近试验机的加载部分。
七、实验数据处理与分析强度极限 σb= (2)
八、实验报告
1、提交实验报告（具体要求参考实验报告册）；
2、讨论下列问题
a.铸铁压缩试件的制备有什么要求为什么?
b.描述铸铁压缩破坏断口形状，分析其破坏原因。
实验数据记录表
实验四 金属材料的拉伸实验（二）
一．实验目的
1．测定低碳钢材料在常温、静载条件下的屈服极限σs，强度极限σb，延伸率δ和断面收缩率ψ。
2．测定铸铁材料在常温静载下的强度极限σb。
3．观察低碳钢﹑铸铁在拉伸过程中出现的各种现象，分析P-△L图的特征。
4．比较低碳钢与铸铁力学性能的特点和试件断口情况分析其破坏原因。
5．了解微机控制电子万能材料试验机的构造原理，学习其使用方法。
二．仪器设备
1．微机控制电子万能材料试验机
2．数显游标卡尺三．试件
在测试某一力学性能参数时，为了避免试件的尺寸和形状对实验结果的影响，便于各种材料力学性能的测试结果的互相比较，采用国家标准规定的比例试件。国家标准规定比例试件应符合以下关系：L0=K。对于圆形截面试件，K值通常取5.65或11.3。即直径为d0的圆形截面试件标距长度分别为5d0和10d0。本试验采用L0=10d0的比例试件。
图3-4-1
四．测试原理实验时，实验软件能够实时的绘出实验时力与变形的关系曲线，如图3-4-2所示。
图3-4-2
1．低碳钢拉伸
⑴．弹性阶段弹性阶段为拉伸曲线中的OB段。在此阶段，试件上的变形为弹性变形。OA段直线为线弹性阶段，表明载荷与变形之间满足正比例关系。接下来的AB段是一非线弹性阶段，但仍满足弹性变形的性质。
⑵．屈服阶段
过弹性阶段后，试件进入屈服阶段，其力与曲线为锯齿状曲线BC段。此时，材料丧失了抵抗变形的能力。从图形可看出此阶段载荷虽没明显的增加，但变形继续增加；如果试件足够光亮，在试件表面可看到与试件轴线成45°方向的条纹，即滑移线。在此阶段试件上的最小载荷即为屈服载荷Ps.
⑶．强化阶段材料经过屈服后，要使试件继续变形，必须增加拉力，这是因为晶体滑移后增加了抗剪能力，同时散乱的晶体开始变得细长，并以长轴向试件纵向转动，趋于纤维状呈现方向性，从而增加了变形的抵抗力，使材料处于强化状态，我们称此阶段为材料的强化阶段（曲线CD部分）。强化阶段在拉伸图上为一缓慢上升的曲线，若在强化阶段中停止加载并逐步卸载，可以发现一种现象——卸载规律，卸载时载荷与伸长量之间仍遵循直线关系，如果卸载后立即加载，则载荷与变形之间基本上还是遵循卸载时的直线规律沿卸载直线上升至开始卸载时的M点。我们称此现象为冷作硬化现象。从图可知，卸载时试件的伸长不能完全恢复，还残留了OQ一段塑性伸长。
⑷．颈缩阶段当试件上的载荷达到最大值后，试件的变形沿长度方向不再是均匀的了，在试件某一薄弱处的直径将显著的缩小，试件出现颈缩现象，由于试件截面积急剧减小，试件所能承受的载荷也随之下降，最后，试件在颈缩处断裂。试件上的最大载荷即为强度极限载荷。
2．铸铁拉伸铸铁在拉伸时没有屈服阶段，拉伸图为一接近直线的曲线，在变形极小时就达到最大载荷而突然发生破坏，因此，只测最大载荷Pb并计算σb=Pb/A0.
图3-4-3
五、实验步骤
（1）低碳钢的拉伸
1,试件准备；
2、尺寸测量
a.用游标卡尺测量试件标距部分的原始直径d0。在试件标距范围内，取中间和两端处三个截面作为测试试件直径的位置，每个截面在两个相互垂直的方向上各测量一次，取其平均值作为该截面的平均直径，然后取三个平均值中的最小值作为d0的大小来计算试件的原始横截面面积A0；
b.测量试件的原始标距L0。用游标卡尺测量试件标距部分两标距点之间的距离一次，以此作为原始标距L0的大小。
3、试验准备
a.依次打开试验机主机，计算机，打印机；
b.设置限位保护。将限位杆上的挡圈调整到合适位置。
c,打开计算机内试验软件，进入试验软件主窗口界面；
d.装夹试件。先将试件的一端夹入试验机下夹具的钳口内；然后在试验软件中将力传感器清零，利用手动控制盒调整移动横梁到合适位置，使上钳口夹牢试件的另一端；
e.点击试验软件主窗口界面上方工具栏内的“实验方案”按扭，设置好实验方案和实验参数。
4、进行实验
a.点击试验软件主界面上方工具栏内的“试验”按钮，在弹出的对话框内选择正确的试验方案名，按“确认”键进入试验操作界面。
b,在弹出的实验操作界面上，点击“运行”键，开始实验。
c,试件破坏后，关闭试验窗口，进行数据处理，编写打印实验报告。
d,结束实验，退出试验软件，依次关闭打印机、计算机、试验机。清理实验现场。
e,测量拉断后试件的标距L1和最小截面直径d1。
【标距L1的测量】将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线，拉断以后试件的标距L1大小的测量采用下述方法之一来测定。
首先在实验前用刻线机在试件标距范围内内的表面上刻出十格等分线。
直测法：若断口到最近的标距点的距离大于，则以直接测得的两标距点间的距离为
L1；
移位法：若断口到最近的标距点的距离小于，则可按下法确定L1：在长段上从拉断处O取基本等于短段格数得到B点，当较长段所余格数为偶数时（如图3-4-4（a）所示）取长段所余格数的一半得出C点，相当于将BC段长度移到试件的左端，则移位后的L1为
L1=
当较长段所余格数为奇数时（如图3-4-4（b）所示）取长段所余格数减1的一半得出C点，再取长段所余格数加1的一半得出C1点，则移位后的L1为
L1=
(a)
(b)
图3-4-4
【截面直径d1的测量】将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线，在试件颈缩处选择一最小截面，在此截面的两个互相垂直的方向各测量一次直径，取其平均值作为拉断以后截面直径d1的值；
（2）铸铁的拉伸铸铁的拉伸实验可参照低碳钢拉伸实验进行。铸铁的尺寸测量还可进一步简化，只需测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直径d0的值；铸铁无需测量标距L0、L1和拉断后的直径d1。
六、实验注意事项
1、任何时候都不能带电插拔电源线和信号线；
2、试验开始前，一定要调整好限位挡圈；
3、试验过程中，不能远离试验机；
4、试验过程中，除停止键和急停开关外，不要按控制盒上的其他按键；
5、试验结束后，一定要关闭所有电源；
6、计算及要严格按照系统要求一步一步退出，正常关机。
7、不要使用来历不明或与本机无关的存储介质在试验机控制用计算机上写盘或读盘。
实验五 金属材料的压缩实验(二)
一、实验目的
1、测定铸铁材料在常温、静载条件下压缩时的强度极限σb；
2、观察铸铁材料在压缩时的变形和试件断口情况，并分析其破坏原因；
二、仪器设备
1、微机控制电子万能材料试验机；
2、数显游标卡尺。
三、试件制备金属材料的压缩试件一般制成如图3-5-1 所示的圆柱形。且试件不宜过长（过长容易被压弯），也不宜过于粗短（过于粗短则试件两端面受摩擦力影响的范围过大）。所以，国家标准一般规定
h0=（1~2）d0 （1）
式中 h0——压缩试件的高度
d0——压缩试件的原始横截面直径
图3-5-1
四、实验原理铸铁在压缩过程中，试验机的自动绘图器将描绘出一条与其拉伸时相似的P-△L压缩曲线（如图3-5-2），所不同的是铸铁压缩到强度极限载荷Pb之前要产生较大的变形。试件由圆柱形被压缩成微鼓形直至破裂。此时试验机主动指针迅速倒退，而从动指针记录了最大载荷Pb。铸铁破坏时，由于剪应力的作用，破坏面出现在与试件轴线约成45o-50o的斜面上。
图3-5-2
五、实验步骤
1,试件准备：准备工作由实验室老师事先完成；
2、尺寸测量用数显游标卡尺测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直径d0的值；
b.测量试件原始高度h0的值一次；
3、试验准备
a.依次打开试验机主机，计算机，打印机；
b.设置限位保护。将限位杆上的挡圈调整到合适位置。
c,打开计算机内试验软件，进入试验软件主窗口界面；
d,安装试件。将试件尽量准确地放在下压板的中心处，调整上压板至接近试件上截面位置。
e.点击试验软件主窗口界面上方工具栏内的“实验方案”按扭，设置好实验方案和实验参数。
4、进行实验
a.点击试验软件主界面上方工具栏内的“试验”按钮，在弹出的对话框内选择正确的试验方案名，按“确认”键进入试验操作界面。
b.试件破坏后，关闭试验窗口，进行数据处理，编写打印实验报告。
c.结束实验，退出试验软件，依次关闭打印机、计算机、试验机。清理实验现场。
六、实验注意事项
1、任何时候都不能带电插拔电源线和信号线；
2、试验开始前，一定要调整好限位挡圈；
3、试验过程中，不能远离试验机；
4、试验过程中，除停止键和急停开关外，不要按控制盒上的其他按键；
5、试验结束后，一定要关闭所有电源；
6、计算及要严格按照系统要求一步一步退出，正常关机。
7、不要使用来历不明或与本机无关的存储介质在试验机控制用计算机上写盘或读盘。1,
七、实验数据处理与分析强度极限 σb=
八、实验报告
1、写出正规的实验报告（具体要求参考实验报告册）；
2、讨论下列问题
a.铸铁压缩试件的制备有什么要求为什么?
b.描述铸铁压缩破坏断口形状，分析其破坏原因。
实验数据记录表
实验六 金属材料的扭转实验
一、实验目的测定低碳钢材料在常温、静载条件下的剪切屈服极限，剪切强度极限；
测定铸铁材料的剪切强度极限；
3、比较低碳钢、铸铁在受扭时的变形规律及其破坏特征。
二、仪器设备及试件
1、NJ-100B型扭转试验机
2、游标卡尺
3、试件：按国家标准规定，金属扭转试件为圆形截面，标距部分直径，
平行长度分别为或，标距长。试件夹持部分的形状视扭转机夹头形式而定。图3-6-1 为本实验室准备的扭转试件。
图3-6-1 扭转试件三、实验原理圆轴纯扭转变形时，材料处于纯剪应力状态。材料的扭转过程可用曲线来描述。
1、低碳钢扭转从试验机自动绘制的低碳钢曲线（图3-6-2）可以知道，实验开始时扭转曲线呈直线上升，扭矩与扭转角成正比关系，横截面上剪应力沿半径线性分布，当扭矩达到一定数值时，试件横截面边缘处的剪应力达到剪切屈服极限，这时的扭矩即。继续加载，横截面上的剪应力不再呈线性分布，首先是试件横截面边缘处达到屈服极限，进入屈服状态。随着扭矩的增加，试件横截面上的塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区，扭矩与扭转角的关系不再呈直线。继续扭转变形，塑性区不断向圆心扩展，直到塑性区占据全部截面，
图3-6-2 扭矩图这一阶段—曲线由开始稍微上升，到读数盘上的指针将出现几乎不动或来回摆动或停滞不前（图3-6-2），此时主动指针指示的最小值即为屈服时所对应的扭矩，根据平衡关系有：
图3-6-3 不同扭矩时横截面上的剪应力分布图其中：表示试件横截面上一微面积离圆心的距离，。故等于
式中是试件的抗扭截面模量。
试件继续受扭，材料进入强化阶段，扭矩图继续缓慢上升，直到扭矩达到，试件发生断裂。这一阶段试件变形非常显著，剪切强度极限为：
2、铸铁扭转铸铁试件受扭时，从开始到破坏，其变形都很小。图3-6-2可以看出，图形呈近似直线的曲线。如将它视作直线，可按线弹性公式计算：
四、实验步骤
1、测量试件的几何尺寸（具体要求同金属材料的拉伸实验）。
2、试验机准备：确定量程、指针调零等。
安装试件，先将试件的一端插入从动夹头，然后调整主动夹头，让试件顺利插入主动夹头，旋紧夹头两边夹紧螺钉（为便于观察试件的变形情况，请在试件安装好后沿着上表面轴线方向用粉笔画一直线作标记）。
4、安装绘图纸、笔，打开绘图器电源开关。
5、选择低速挡，点击电机正（或反）转开关，调整电位器到适当位置，缓慢加载，观察曲线，记录值；待屈服阶段完成后，停机换高速挡，调节电位器，增大电机转速，直至试件破坏，记录值。
6、试件破坏后取出并重复以上过程进行铸铁试件的测试。
7、整理实验现场。
五、注意事项
1、试件安装时，应先装入测力夹头，然后再调整加载夹头。
2、试件受扭后，禁止转动量程手轮。
六、实验报告
1、简述实验目的、实验设备、实验原理，绘制扭矩图等。
2、填写实验报告单。
3、讨论下列问题：
比较低碳钢和铸铁扭转破坏时有什么不同现象？试分析其原因。
4、记录、计算表格 表3-6-1
材 料
直 径
抗扭截面模量
屈服时的扭 矩
剪切屈服极 限
最 大扭 矩
剪切强度极 限
低碳钢
铸 铁
材 料内 容
低 碳 钢
铸 铁
力与变形关系曲线
拉 伸
压 缩
扭 转
强度指标
拉伸（MPa）
压缩（MPa）
扭转（MPa）
破坏原因
拉 伸
压 缩
扭 转
断口形状描述
拉 伸
压 缩
扭 转
实验一 液压式万能材料试验机的操作实验
一、实验目的
1、熟悉液压式万能材料试验机的拉伸、压缩是试验的具体操作方法；
2、了解液压式万能材料试验机的基本结构和原理。
二、仪器设备
1、液压式万能材料试验机；
2、拉伸、压缩、弯曲、剪切等试样。
三、试验机的操作
⑴液压式万能材料试验机的操作
1、拉伸实验的操作
a.检查各按钮、阀门是否处于关闭状态，启动“电源”；
b.根据试样材料和直径估算最大载荷，选择测量范围，在摆杆上挂上或取下摆锤；并将缓冲阀的转换手柄置于与所选度盘量程相适应的位置上；
c.根据试件的形状和尺寸选配好相应的钳口；
d.装好绘图器的传动装置以及绘图笔和记录纸；
e.启动油泵，打开送油阀使活动平台上升10mm左右，然后关闭送油阀（如果活动平台已在升起位置，则不必先启动油泵送油）；
f.将试样的一端夹于上夹头的钳口中；
g.启动油泵，转动齿杆调整测力指针对准度盘零点；
h.开动下夹头电机，将下夹头升到合适的位置，把试件的另一端夹入下夹头钳口中；
i.调整绘图器的绘图笔使之进入描绘准备状态；
j.缓慢拧开送油阀送油，根据实验加载方案进行加载、卸载；
k.加载完毕，关闭送油阀，停止油泵工作；
l.抬起绘图器的绘图笔；
m.拧开回油阀回油，将从动指针拨回零点；
n,取下试件，机器复原，结束试验工作。
2、压缩实验的操作
a.检查各按钮、阀门是否处于关闭状态，启动“电源”；
b.根据试件材料和直径估算最大载荷，选择测量范围，在摆杆上挂上或取下摆锤；并将缓冲阀的转换手柄置于与所选度盘相适应的位置上；
c,装好绘图器的传动装置以及绘图笔和记录纸；
d,将压缩式样置于下压板中心位置；
e,启动油泵，转动齿杆调整测力指针对准度盘零点；
f,调整绘图器的绘图笔使之进入描绘准备状态；
g.若试验机的上压板距离试件的上端面较远，可以迅速打开送油阀送油，让活动平台快速升高，当试件接近上压板时，迅速关小送油阀，减慢平台上升速度，使试验机的上压板与试件上端缓慢平稳接触，逐渐施加载荷至试件破坏；
h,试件断裂后，关闭送油阀，停止油泵工作；
i,抬起绘图器的绘图笔；
j．拧开回油阀卸载，将从动指针拨回零点；
k,取下试件，机器复原，结束实验工作。
四、注意事项
1、一定要注意根据试件尺寸和材料种类估算最大载荷，选择好的量程必须与悬挂摆锤对应；需自动绘图时，事先应将滚筒上的纸和绘图笔安装妥当；
2、开启油泵之前，必须检查送油阀和回油阀是否处于关闭状态；待油泵工作正常后，开启送油阀将活动平台升高约10mm，以消除其自重，然后关闭送油阀；
3、安装拉伸试件时，可开动下夹头升降机以调整下夹头位置，但不能用下夹头升降机给试件加载；
4、缓慢开启送油阀，给试件平稳加载，应避免油阀开启过大进油太快。实验进行中，注意不要触动摆杆或摆锤；
5、实验完毕，关闭送油阀，停止油泵工作。破坏性实验先取出试件，再缓慢打开回油阀将油液放回油箱；非破坏性实验，自然应先开回油阀卸载，才能取下试样。
实验二 金属材料的拉伸实验（一）
一、实验目的
1,测定低碳钢材料在常温、静载条件下拉伸时的屈服极限σs，强度极限σb，延伸率δ和断面收缩率ψ；
2,测定铸铁材料在常温、静载条件下拉伸时的强度极限σb；
3,观察低碳钢、铸铁材料在拉伸过程中出现的各种现象，分析P-△L图的特征；
4、比较低碳钢与铸铁力学性能的特点和试样断口情况，分析其破坏原因；
5、了解液压式万能材料试验机的构造原理，熟悉其操作方法。
二、仪器设备
1、液压式万能材料试验机；
2、游标卡尺。
三、试件制备为了避免试件的尺寸与形状对实验结果的影响和各种材料的力学性能测试结果的相互比较，国家标准对试件的尺寸和形状都作了统一的规定：拉伸试件分为比例和非比例两种。比例试件的尺寸应符合如下关系：
(1)
式中 ——试件的原始标距，即计算变形的有效长度。长度值由试件此段上的两标距点确定（见图3-2-1）；
——试件标距段的原始截面面积；
——常数，其值可取5.65或11.3，与此对应，试件分别称为长比例试件或短比例试件。
在特殊的情况下（例如成品型材、板材、管材、线材等），试件的原始标距与原始横截面面积也可按产品标准或双方协议执行，这类试件称为非比例试件（或定标距试件）。
通常实验所用试件为圆截面试件，因此，上式（1）可改写为
（2）
式中为试件的原始直径，系数k对应为5或10。本次实验采用圆截面长比例试件，即取k=10。试件形状如图3-2-1所示。试件两端较粗部分为装入试验机夹头中的夹持部分，起传递拉力的作用，其尺寸和形状应根据试验机的夹头形式而定，一般要求其长度不小于夹块长度的三分之二。
图3-2-1
四、实验原理金属材料拉伸时的力学性能指标，是由拉伸实验来确定的。为此，本实验选择低碳钢和铸铁分别作为塑性材料和脆性材料的代表，按照国家标准，利用液压式万能材料试验机上进行拉伸实验来测试和比较两类材料拉伸时的各项力学性能指标。
1、低碳钢的拉伸由于在试件变形之前，机器的零部件之间和试件与夹具之间有一定的间隙，试验机自动绘图器绘出的拉伸变形△L不仅包括试件的伸长，还包括机器有关部分的间隙和弹性变形以及试件在夹头内的滑动等。所以，实验一开始，试验机自动绘图器就开始绘出曲线。
图3-2-2
施加稍许载荷后，这些间隙将会渐渐消除。试验机自动绘图器绘出一段直线，表明载荷与变形之间满足正比例关系，此阶段为线弹性阶段。为了修正因间隙等而导致的拉伸图最初的一小段曲线的影响，必须将上述直线段延长至横坐标轴，所得交点即为拉伸图的坐标原点O。过线弹性阶段0A后，整个弹性阶段并未结束，接下来的AB段是一非线弹性过程，此时，虽然载荷与变形不再成正比例关系，但是载荷卸除后，变形可完全恢复，仍属于弹性阶段。
随着载荷的进一步增加，图形沿OAB上升，过B点后，进入屈服阶段（呈锯齿状的BC段）。此时，材料丧失了抵抗变形的能力，从图形可看出此阶段载荷虽没明显的增加，但变形继续增加。在此阶段我们能看到一个很明显的实验现象：试验机读数盘中的主、从动两根指针开始分开，从动指针停滞不前，而主动指针开始倒退，并在从动指针附近来回多次摆动，这就是所谓的屈服现象。在此过程中，我们需要读取屈服载荷Ps的大小。如果试件足够光亮，我们还能在试件上看到与轴线成45o的细微滑移线（它是由于剪切的作用，致使材料的内部晶体产生滑移的结果）。
材料经过屈服后，主、从动指针又开始继续同时往前走动，屈服阶段结束，这时，要使试件继续变形，必须继续增加拉力。这是因为晶体滑移后增加了抗剪能力，同时散乱的晶粒开始变得细长，并绕长轴向试件纵向转动，趋于纤维状而呈现方向性，从而增加了材料抵抗变形的能力，使材料处于强化状态。我们称此阶段为材料的强化阶段（即曲线的CD部分）。若在此阶段中停止加载并逐步卸载，可以发现一种现象——卸载规律：在此阶段的某一点M卸载时，载荷和变形之间仍遵守直线关系。如果卸载后再立即加载，则载荷与变形之间基本上仍遵循卸载时的直线规律沿卸载直线上升至开始卸载时的M点。我们称此现象为冷作硬化现象。由图3-2-2可知：QM∥OA。卸载时，试件的变形不能完全恢复，还残留了OQ一段塑性变形。
D点为拉伸图的最高点，此时载荷达到最大值，即强度极限载荷Pb，主动指针再一次离开从动指针，开始往回倒退，进入颈缩阶段。此时，试件的变形沿长度方向不再是均匀的了。在试件的最薄弱处，其直径将明显缩小，变形也随之进一步增大，试件出现颈缩现象。随着试件截面面积的急剧缩小，拉力也随之下降，试验机的自动绘图器绘出一段下降的曲线，最后在颈缩处断裂，整个拉伸实验过程结束。
试件破坏断口呈复杂的倒杯锥型，其破坏机理也较复杂，其中，断口往外凸出的45o剪切唇边可认为是剪应力作用所致，而中间凹入部分则是三向拉应力作用的结果。
2、铸铁的拉伸铸铁在拉伸时没有屈服阶段，也没有明显的直线部分。在工程计算中，通常取割线来近似代替开始曲线部分，而认为材料近似服从胡克定律。
图3-2-3
另外，铸铁试件变形也不明显，在变形极小时，就达到最大载荷Pb而沿横截面突然发生破坏，实验过程中也无颈缩现象出现。断口近似为一个规则的平面，主要为垂直横截面的正应力所致。
五、实验步骤
（1）低碳钢的拉伸
1,试件准备；
2、尺寸测量
a.用游标卡尺测量试件标距部分的原始直径d0。在试件标距范围内，取中间和两端处三个截面作为测试试件直径的位置，每个截面在两个相互垂直的方向上各测量一次，取两次测量结果的平均值作为该截面的平均直径，然后取三个平均值中的最小值作为d0的大小来计算试件的原始横截面面积A0；
b.测量试件的原始标距L0。用游标卡尺测量试件标距部分两标距点之间的距离一次，以此作为原始标距L0的大小。
3、试验机的准备
a.按Pmax=σb?A0估算试件的最大载荷值，据此选择合适的测试量程（使Pmax在所选量程的40%~85%内为宜），通过位于试验机操作台后面的摆杆上取下或挂上所选量程对应编号的摆锤，实现量程选择，然后将试验机操作台左侧中部的缓冲阀置于对应量程的位置；
b.检查试验机的控制开关是否都处于初始位置，确认无误后，启动电源和油泵的按钮开关，打开送油阀送油，使活动平台上升10～20mm后，关闭送油阀；
c.摆锤对中，使摆杆垂直；
d.装夹试件。先将试件的一端夹入试验机上夹头的钳口内；通过旋转自动绘图器上的推杆调整主动指针对零，并将从动指针拨到零位置；随后利用上下运动控制按钮开关调整下夹头的高度到适当位置，使之夹牢试件的另一端；
e.准备好绘图器，使绘图笔与记录纸刚好接触；
4、进行实验
a.缓慢打开送油阀送油，给试件缓慢、均匀地施加拉力作用；
b.观察屈服现象，跟踪读取屈服载荷Ps大小（为了避免试验机初始瞬时效应影响，应除去主动指针第一次回摆示值后，取以后主动指针多次回摆中所指示的最小值作为Ps的大小。必要时参考拉伸图将有助于确定屈服载荷的值）；
c.在强化阶段中的一点（例如M点，参考图3-2-2）处卸载至零，并立即从零开始加载，观察卸载规律；
d.观察颈缩现象：当主、从动指针分开时，观察试件的颈缩现象，随着主动指针的迅速倒退，试件很快断裂；
e.记录最大载荷Pb的值；
f.测量拉断后试件的标距L1和最小截面直径d1。
【标距L1的测量】将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线，拉断以后试件的标距L1大小的测量采用下述方法之一来测定。
首先在实验前用刻线机在试件标距范围内内的表面上刻出十格等分线。
直测法：若断口到最近的标距点的距离大于，则以直接测得的两标距点间的距离为
L1；
移位法：若断口到最近的标距点的距离小于，则可按下法确定L1：在长段上从拉断处O取基本等于短段格数得到B点，当较长段所余格数为偶数时（如图3-2-4（a）所示）取长段所余格数的一半得出C点，相当于将BC段长度移到试件的左端，则移位后的L1为
L1=
当较长段所余格数为奇数时（如图3-2-4（b）所示）取长段所余格数减1的一半得出C点，再取长段所余格数加1的一半得出C1点，则移位后的L1为
L1=
(a)
(b)
图3-2-4
【截面直径d1的测量】将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线，在试件颈缩处选择一最小截面，在此截面的两个互相垂直的方向各测量一次直径，取其平均值作为拉断以后截面直径d1的值；
5、结束实验工作。整理所记录的实验数据；描绘断口草图；定性绘制拉伸曲线图；将试验机复原；清理实验现场；将实验数据交指导老师签字经同意后离开实验室。
（2）铸铁的拉伸铸铁的拉伸实验可参照低碳钢拉伸实验进行。铸铁的尺寸测量还可进一步简化，只需测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直径d0的值；铸铁无需测量标距L0、L1和拉断后的直径d1。
六、实验注意事项
1,调整主动指针指零前，若活动平台并未升起一定高度，则一定要开机送油，使之上升10-20mm。
2,试件夹持必须正确，不得偏斜，夹入部分不能过少；
3、下夹头上下运动过程中不能受约束，夹紧试件后不得用其加载；
4,加载要缓慢、均匀；
5,在读取屈服载荷Ps过程中，必须注意整个屈服过程的数据读取。
七、实验数据处理与分析
1、强度指标的计算：
屈服极限 σs= （3）
强度极限 σb= （4）
2、塑性指标：
延伸率 δ= （5）
断面收缩率 ψ= （6）
八、实验报告
1、提交实验报告（具体要求参考实验报告册）；
2、讨论下列问题
① 拉伸实验中为什么要采用比例试件?
② σs和σb是试件屈服和破坏时的真实应力吗?为什么?
③ 调整主动指针对零前为什么要求活动平台必须已升高稍许?
④ 分析低碳钢和铸铁两种材料的断口特征，并加以比较。
实验数据表格
实验三 金属材料的压缩实验（一）
一、实验目的
1、测定铸铁材料在常温、静载条件下压缩时的强度极限σb；
2、观察铸铁材料在压缩时的变形和试件断口情况，并分析其破坏原因；
二、仪器设备
1、液压式万能材料试验机；
2、游标卡尺。
三、试件制备金属材料的压缩试件一般制成如图3-3-1 所示的圆柱试件不宜过长（过长容易被压弯），也不宜过于粗短（过于粗短则试件两端面受摩擦力影响的范围过大）。所以，国家标准一般规定
h0=（1~2）d0 （1）
式中 h0——压缩试件的高度
d0——压缩试件的原始横截面直径
图3-3-1
四、实验原理试验机的下压板是个球面承垫，当试件两端稍有不平时，球面承垫可以转动而调节压力作用线，使之能通过试件轴线，实现试件的轴向受压。
铸铁在压缩过程中，试验机的自动绘图器将描绘出一条与其拉伸时相似的P-△L压缩曲线（如图3-3-2），所不同的是铸铁压缩到强度极限载荷Pb之前要产生较大的变形。试件由圆柱形被压缩成微鼓形直至破裂。此时试验机主动指针迅速倒退，而从动指针记录了最大载荷Pb。铸铁破坏时，由于剪应力的作用，破坏面出现在与试件轴线约成45o-50o的斜面上。
图3-3-2
五、实验步骤
1、试件准备；
2、尺寸测量
a.用游标卡尺测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直径d0的值；
b.测量试件原始高度h0的值一次；
3、试验机的准备按Pmax=σb?A0估算试件的最大载荷值，依此选择合适的测试量程，通过位于试验机操作台背面的摆杆上取下或挂上所选量程对应编号的摆锤，实现量程选择，然后将试验机操作台左侧中部的缓冲阀置于对应量程的位置；
b.检查试验机的控制开关是否都处于初始位置，确认无误后，启动电源和油泵的按钮开关，打开送油阀送油，使活动平台（也称为工作平台）上升10-20mm后，关闭送油阀；
c.摆锤对中，使摆杆垂直；
d.安装试件。将试件准确地放在下压板的中心处；通过反复旋转自动绘图器上的推杆调整主动指针对零，并将从动指针拨到零位置；
e.准备好绘图器，使绘图笔与记录纸刚好接触；
4、进行实验
a.若试验机的上压板距离试件的上端面较远，可以迅速打开送油阀送油，让活动平台快速升高，当试件接近上压板时，关小送油阀，减慢平台上升速度，使试验机的上压板与试件上端缓慢平稳接触，逐渐加载至试件破坏；
b,记录极限载荷Pb的值;
c,结束实验工作。整理所记录的实验数据；描绘断口草图；定性绘制压缩曲线图；将试验机复原；清理实验现场；将实验数据交指导老师签字经同意后离开实验室。
六、实验注意事项
1、为了保证试件的轴向受压，应尽量把试件放在上下压板的中心位置上；
2、加载一定要缓慢，特别要注意让试件与上压板缓慢、平稳地接触；
3、铸铁试件压缩破坏后应立即关闭送油阀，并打开回油阀放油卸载；
4、观察铸铁压缩实验现象时，应注意安全，不要太靠近试验机的加载部分。
七、实验数据处理与分析强度极限 σb= (2)
八、实验报告
1、提交实验报告（具体要求参考实验报告册）；
2、讨论下列问题
a.铸铁压缩试件的制备有什么要求为什么?
b.描述铸铁压缩破坏断口形状，分析其破坏原因。
实验数据记录表
实验四 金属材料的拉伸实验（二）
一．实验目的
1．测定低碳钢材料在常温、静载条件下的屈服极限σs，强度极限σb，延伸率δ和断面收缩率ψ。
2．测定铸铁材料在常温静载下的强度极限σb。
3．观察低碳钢﹑铸铁在拉伸过程中出现的各种现象，分析P-△L图的特征。
4．比较低碳钢与铸铁力学性能的特点和试件断口情况分析其破坏原因。
5．了解微机控制电子万能材料试验机的构造原理，学习其使用方法。
二．仪器设备
1．微机控制电子万能材料试验机
2．数显游标卡尺三．试件
在测试某一力学性能参数时，为了避免试件的尺寸和形状对实验结果的影响，便于各种材料力学性能的测试结果的互相比较，采用国家标准规定的比例试件。国家标准规定比例试件应符合以下关系：L0=K。对于圆形截面试件，K值通常取5.65或11.3。即直径为d0的圆形截面试件标距长度分别为5d0和10d0。本试验采用L0=10d0的比例试件。
图3-4-1
四．测试原理实验时，实验软件能够实时的绘出实验时力与变形的关系曲线，如图3-4-2所示。
图3-4-2
1．低碳钢拉伸
⑴．弹性阶段弹性阶段为拉伸曲线中的OB段。在此阶段，试件上的变形为弹性变形。OA段直线为线弹性阶段，表明载荷与变形之间满足正比例关系。接下来的AB段是一非线弹性阶段，但仍满足弹性变形的性质。
⑵．屈服阶段
过弹性阶段后，试件进入屈服阶段，其力与曲线为锯齿状曲线BC段。此时，材料丧失了抵抗变形的能力。从图形可看出此阶段载荷虽没明显的增加，但变形继续增加；如果试件足够光亮，在试件表面可看到与试件轴线成45°方向的条纹，即滑移线。在此阶段试件上的最小载荷即为屈服载荷Ps.
⑶．强化阶段材料经过屈服后，要使试件继续变形，必须增加拉力，这是因为晶体滑移后增加了抗剪能力，同时散乱的晶体开始变得细长，并以长轴向试件纵向转动，趋于纤维状呈现方向性，从而增加了变形的抵抗力，使材料处于强化状态，我们称此阶段为材料的强化阶段（曲线CD部分）。强化阶段在拉伸图上为一缓慢上升的曲线，若在强化阶段中停止加载并逐步卸载，可以发现一种现象——卸载规律，卸载时载荷与伸长量之间仍遵循直线关系，如果卸载后立即加载，则载荷与变形之间基本上还是遵循卸载时的直线规律沿卸载直线上升至开始卸载时的M点。我们称此现象为冷作硬化现象。从图可知，卸载时试件的伸长不能完全恢复，还残留了OQ一段塑性伸长。
⑷．颈缩阶段当试件上的载荷达到最大值后，试件的变形沿长度方向不再是均匀的了，在试件某一薄弱处的直径将显著的缩小，试件出现颈缩现象，由于试件截面积急剧减小，试件所能承受的载荷也随之下降，最后，试件在颈缩处断裂。试件上的最大载荷即为强度极限载荷。
2．铸铁拉伸铸铁在拉伸时没有屈服阶段，拉伸图为一接近直线的曲线，在变形极小时就达到最大载荷而突然发生破坏，因此，只测最大载荷Pb并计算σb=Pb/A0.
图3-4-3
五、实验步骤
（1）低碳钢的拉伸
1,试件准备；
2、尺寸测量
a.用游标卡尺测量试件标距部分的原始直径d0。在试件标距范围内，取中间和两端处三个截面作为测试试件直径的位置，每个截面在两个相互垂直的方向上各测量一次，取其平均值作为该截面的平均直径，然后取三个平均值中的最小值作为d0的大小来计算试件的原始横截面面积A0；
b.测量试件的原始标距L0。用游标卡尺测量试件标距部分两标距点之间的距离一次，以此作为原始标距L0的大小。
3、试验准备
a.依次打开试验机主机，计算机，打印机；
b.设置限位保护。将限位杆上的挡圈调整到合适位置。
c,打开计算机内试验软件，进入试验软件主窗口界面；
d.装夹试件。先将试件的一端夹入试验机下夹具的钳口内；然后在试验软件中将力传感器清零，利用手动控制盒调整移动横梁到合适位置，使上钳口夹牢试件的另一端；
e.点击试验软件主窗口界面上方工具栏内的“实验方案”按扭，设置好实验方案和实验参数。
4、进行实验
a.点击试验软件主界面上方工具栏内的“试验”按钮，在弹出的对话框内选择正确的试验方案名，按“确认”键进入试验操作界面。
b,在弹出的实验操作界面上，点击“运行”键，开始实验。
c,试件破坏后，关闭试验窗口，进行数据处理，编写打印实验报告。
d,结束实验，退出试验软件，依次关闭打印机、计算机、试验机。清理实验现场。
e,测量拉断后试件的标距L1和最小截面直径d1。
【标距L1的测量】将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线，拉断以后试件的标距L1大小的测量采用下述方法之一来测定。
首先在实验前用刻线机在试件标距范围内内的表面上刻出十格等分线。
直测法：若断口到最近的标距点的距离大于，则以直接测得的两标距点间的距离为
L1；
移位法：若断口到最近的标距点的距离小于，则可按下法确定L1：在长段上从拉断处O取基本等于短段格数得到B点，当较长段所余格数为偶数时（如图3-4-4（a）所示）取长段所余格数的一半得出C点，相当于将BC段长度移到试件的左端，则移位后的L1为
L1=
当较长段所余格数为奇数时（如图3-4-4（b）所示）取长段所余格数减1的一半得出C点，再取长段所余格数加1的一半得出C1点，则移位后的L1为
L1=
(a)
(b)
图3-4-4
【截面直径d1的测量】将拉断的试件紧密对接好，尽量使其轴线位于一条直线，在试件颈缩处选择一最小截面，在此截面的两个互相垂直的方向各测量一次直径，取其平均值作为拉断以后截面直径d1的值；
（2）铸铁的拉伸铸铁的拉伸实验可参照低碳钢拉伸实验进行。铸铁的尺寸测量还可进一步简化，只需测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直径d0的值；铸铁无需测量标距L0、L1和拉断后的直径d1。
六、实验注意事项
1、任何时候都不能带电插拔电源线和信号线；
2、试验开始前，一定要调整好限位挡圈；
3、试验过程中，不能远离试验机；
4、试验过程中，除停止键和急停开关外，不要按控制盒上的其他按键；
5、试验结束后，一定要关闭所有电源；
6、计算及要严格按照系统要求一步一步退出，正常关机。
7、不要使用来历不明或与本机无关的存储介质在试验机控制用计算机上写盘或读盘。
实验五 金属材料的压缩实验(二)
一、实验目的
1、测定铸铁材料在常温、静载条件下压缩时的强度极限σb；
2、观察铸铁材料在压缩时的变形和试件断口情况，并分析其破坏原因；
二、仪器设备
1、微机控制电子万能材料试验机；
2、数显游标卡尺。
三、试件制备金属材料的压缩试件一般制成如图3-5-1 所示的圆柱形。且试件不宜过长（过长容易被压弯），也不宜过于粗短（过于粗短则试件两端面受摩擦力影响的范围过大）。所以，国家标准一般规定
h0=（1~2）d0 （1）
式中 h0——压缩试件的高度
d0——压缩试件的原始横截面直径
图3-5-1
四、实验原理铸铁在压缩过程中，试验机的自动绘图器将描绘出一条与其拉伸时相似的P-△L压缩曲线（如图3-5-2），所不同的是铸铁压缩到强度极限载荷Pb之前要产生较大的变形。试件由圆柱形被压缩成微鼓形直至破裂。此时试验机主动指针迅速倒退，而从动指针记录了最大载荷Pb。铸铁破坏时，由于剪应力的作用，破坏面出现在与试件轴线约成45o-50o的斜面上。
图3-5-2
五、实验步骤
1,试件准备：准备工作由实验室老师事先完成；
2、尺寸测量用数显游标卡尺测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直径d0的值；
b.测量试件原始高度h0的值一次；
3、试验准备
a.依次打开试验机主机，计算机，打印机；
b.设置限位保护。将限位杆上的挡圈调整到合适位置。
c,打开计算机内试验软件，进入试验软件主窗口界面；
d,安装试件。将试件尽量准确地放在下压板的中心处，调整上压板至接近试件上截面位置。
e.点击试验软件主窗口界面上方工具栏内的“实验方案”按扭，设置好实验方案和实验参数。
4、进行实验
a.点击试验软件主界面上方工具栏内的“试验”按钮，在弹出的对话框内选择正确的试验方案名，按“确认”键进入试验操作界面。
b.试件破坏后，关闭试验窗口，进行数据处理，编写打印实验报告。
c.结束实验，退出试验软件，依次关闭打印机、计算机、试验机。清理实验现场。
六、实验注意事项
1、任何时候都不能带电插拔电源线和信号线；
2、试验开始前，一定要调整好限位挡圈；
3、试验过程中，不能远离试验机；
4、试验过程中，除停止键和急停开关外，不要按控制盒上的其他按键；
5、试验结束后，一定要关闭所有电源；
6、计算及要严格按照系统要求一步一步退出，正常关机。
7、不要使用来历不明或与本机无关的存储介质在试验机控制用计算机上写盘或读盘。1,
七、实验数据处理与分析强度极限 σb=
八、实验报告
1、写出正规的实验报告（具体要求参考实验报告册）；
2、讨论下列问题
a.铸铁压缩试件的制备有什么要求为什么?
b.描述铸铁压缩破坏断口形状，分析其破坏原因。
实验数据记录表
实验六 金属材料的扭转实验
一、实验目的测定低碳钢材料在常温、静载条件下的剪切屈服极限，剪切强度极限；
测定铸铁材料的剪切强度极限；
3、比较低碳钢、铸铁在受扭时的变形规律及其破坏特征。
二、仪器设备及试件
1、NJ-100B型扭转试验机
2、游标卡尺
3、试件：按国家标准规定，金属扭转试件为圆形截面，标距部分直径，
平行长度分别为或，标距长。试件夹持部分的形状视扭转机夹头形式而定。图3-6-1 为本实验室准备的扭转试件。
图3-6-1 扭转试件三、实验原理圆轴纯扭转变形时，材料处于纯剪应力状态。材料的扭转过程可用曲线来描述。
1、低碳钢扭转从试验机自动绘制的低碳钢曲线（图3-6-2）可以知道，实验开始时扭转曲线呈直线上升，扭矩与扭转角成正比关系，横截面上剪应力沿半径线性分布，当扭矩达到一定数值时，试件横截面边缘处的剪应力达到剪切屈服极限，这时的扭矩即。继续加载，横截面上的剪应力不再呈线性分布，首先是试件横截面边缘处达到屈服极限，进入屈服状态。随着扭矩的增加，试件横截面上的塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区，扭矩与扭转角的关系不再呈直线。继续扭转变形，塑性区不断向圆心扩展，直到塑性区占据全部截面，
图3-6-2 扭矩图这一阶段—曲线由开始稍微上升，到读数盘上的指针将出现几乎不动或来回摆动或停滞不前（图3-6-2），此时主动指针指示的最小值即为屈服时所对应的扭矩，根据平衡关系有：
图3-6-3 不同扭矩时横截面上的剪应力分布图其中：表示试件横截面上一微面积离圆心的距离，。故等于
式中是试件的抗扭截面模量。
试件继续受扭，材料进入强化阶段，扭矩图继续缓慢上升，直到扭矩达到，试件发生断裂。这一阶段试件变形非常显著，剪切强度极限为：
2、铸铁扭转铸铁试件受扭时，从开始到破坏，其变形都很小。图3-6-2可以看出，图形呈近似直线的曲线。如将它视作直线，可按线弹性公式计算：
四、实验步骤
1、测量试件的几何尺寸（具体要求同金属材料的拉伸实验）。
2、试验机准备：确定量程、指针调零等。
安装试件，先将试件的一端插入从动夹头，然后调整主动夹头，让试件顺利插入主动夹头，旋紧夹头两边夹紧螺钉（为便于观察试件的变形情况，请在试件安装好后沿着上表面轴线方向用粉笔画一直线作标记）。
4、安装绘图纸、笔，打开绘图器电源开关。
5、选择低速挡，点击电机正（或反）转开关，调整电位器到适当位置，缓慢加载，观察曲线，记录值；待屈服阶段完成后，停机换高速挡，调节电位器，增大电机转速，直至试件破坏，记录值。
6、试件破坏后取出并重复以上过程进行铸铁试件的测试。
7、整理实验现场。
五、注意事项
1、试件安装时，应先装入测力夹头，然后再调整加载夹头。
2、试件受扭后，禁止转动量程手轮。
六、实验报告
1、简述实验目的、实验设备、实验原理，绘制扭矩图等。
2、填写实验报告单。
3、讨论下列问题：
比较低碳钢和铸铁扭转破坏时有什么不同现象？试分析其原因。
4、记录、计算表格 表3-6-1
材 料
直 径
抗扭截面模量
屈服时的扭 矩
剪切屈服极 限
最 大扭 矩
剪切强度极 限
低碳钢
铸 铁
材 料内 容
低 碳 钢
铸 铁
力与变形关系曲线
拉 伸
压 缩
扭 转
强度指标
拉伸（MPa）
压缩（MPa）
扭转（MPa）
破坏原因
拉 伸
压 缩
扭 转
断口形状描述
拉 伸
压 缩
扭 转
