07实验一低碳钢拉伸时的力学性能.doc

《力学原理与工程应用》教案
标题：任务2.2实验一低碳钢拉伸时的力学性能
教学目标：
1）能口述实验原理；
2）能操作拉伸试验机设备；
3）能根据记录数据绘制应力-应变曲线；
4）能描述应力-应变曲线的特征；
5）能描述应力屈服极限σs、强度极限σb、断后伸长率A、断面收缩率z的概念。
教学重点及难点：
1）重点：绘制应力-应变曲线
2）难点：分析应力-应变曲线的特征
教学内容（教学时数：2H）

实验项目：低碳钢拉伸时力学性能
实验时间：
实验地点：建筑工程学院力学实验室
实验课时：2H
同组成员：

一、实验目的
1、研究低碳钢的应力-应变曲线图
2、测定低碳钢屈服极限σs、强度极限σb、断后伸长率A、断面收缩率z

二、实验设备：
WE-600B型万能材料试验机、游标卡尺

三、实验原理
1、构件的强度和变形不仅与构件的尺寸和承受的载荷有关，而且与所选用材料的力学性能有关。
2、材料的力学性能是指材料承载时，在强度和变形等方面所表现出来的特性，一般由试验来确定。
3、只讨论在常温和静载条件下材料的力学性能。所谓常温就是指室温，静载是指载荷从零开始缓慢地增加到一定数值后不再改变（或变化极不明显）的载荷。
4、试件。必须按照国家标准(GB228—76)加工成标准试件。通常采用圆截面的标准长试件（）或短试件（）。

5、由于加工中存在误差，所以试验前要进行相关尺寸的测量。
6、将试件装在夹头中，然后开动机器缓慢增加载荷。
7、试件受到由零逐渐增加的拉力作用，同时发生伸长变形，加载一直进行到试件断裂为止。
8、这一过程中，试验机的测力示值系统会显示出每一时刻的拉力，试验机的位移-载荷记录系统会将每一时刻的拉力和对应的变形自动绘制成拉伸图。
9、拉伸图反映出试件的力学性能与试件的尺寸是相关的。为了消除试件几何尺寸的影响，利用和，将拉伸图转化为应力-应变曲线。应力-应变曲线反映试件材料本身的力学性能。

四、实验步骤
1、试件尺寸测量
2、安装试件，检查并启动机器
3、缓慢增加载荷，直至试件断裂为止
4、收集机器自动绘制的拉伸图
5、绘制应力-应变图
6、计算分析得到材料的屈服极限、强度极限、断后伸长率、断面收缩率

五、结果分析
低碳钢是工程上广泛使用的金属材料，它在拉伸时表现出来的力学性能具有典型性。由图可见，整个拉伸过程大致可分为四个阶段，现分别说明如下：

1、弹性阶段
1）弹性阶段是以弹性变形现象命名的。弹性变形是指将外力撤去后，随之消失的那部分变形。
2）图中为一直线段，这说明该段内应力和应变成正比，即为已知的胡克定律
3）直线部分的最高点所对应的应力值称为比例极限，低碳钢的比例极限为
4）直线的倾角为，其正切值，即为材料的弹性模量。
5）当应力超过比例极限后，图中的段已不是直线，胡克定律不再适用。
6）但当应力值不超过所对应的应力时，如将外力卸去，试件的变形也随之全部消失，这种变形即为弹性变形，称为弹性极限。
7）比例极限和弹性极限的概念不同，但实际上点和点非常接近，通常对两者不作严格区分，统称为弹性极限。在工程应用中，一般均使构件在弹性范围内工作。
2、屈服阶段
1）屈服阶段是以屈服现象命名的。试件进入这一阶段，即图中段，曲线会剧烈波动，应力虽不再增加，但变形却继续加大，材料暂时失去抵抗变形的能力，这一现象称为屈服现象。
2）屈服现象发生时，试件表面会出现与轴线成的条纹，称为滑移线。对于抛光较好的试件，滑移线是可以看到的。
3）屈服现象及滑移线的出现，表明材料的内部结构已经发生改变，从这一阶段开始将产生塑性变形，即外力撤去后会有残余的变形。
4）屈服阶段最低点对应的应力值称为屈服极限，是屈服现象发生的临界应力值。
5）工程中的机械零件通常不允许产生较大的塑性变形，当应力达到屈服极限时，便认为已经丧失正常的工作能力，所以屈服极限是衡量材料强度的重要指标之一。低碳钢的屈服极限为。

3、强化阶段
屈服阶段后，图上出现上凸的曲线段，这表明，若要使材料继续变形，必须增加应力，即材料又恢复了抵抗变形的能力，这种现象称为材料的强化，段对应的过程称为材料的强化阶段。
曲线最高点所对应的应力值用表示，称为材料的抗拉强度。抗拉强度是材料不被破坏所允许的最大应力值，是衡量材料强度的又一重要指标。低碳钢的抗拉强度。

4、颈缩断裂阶段
1）应力达到抗拉强度后，在试件较薄弱的横截面处发生急剧的局部收缩，出现颈缩现象。
2）颈缩处的横截面面积迅速减小，最终试件沿颈缩处被迅速拉断，应力-应变曲线呈下降的段形状。
3）试件拉断后，弹性变形消失，但塑性变形仍保留下来。工程中用试件拉断后残留的塑性变形来表示材料的塑性性能。

5、常用的塑性指标
延伸率
断面收缩率
式中 ——试件的标距长度；
——试件拉断后的长度；
——试件变形前的横截面面积；
——试件断裂处最小的横截面面积。
延伸率和断面收缩率是衡量材料塑性大小的两个重要指标。的材料定义为塑性材料，的材料定义为脆性材料。

六、实验小结
1、整个拉伸过程大致可分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩断裂阶段。
2、一般均使构件在弹性范围内工作，应力小于弹性极限。
3、当应力达到屈服极限时，便认为已经丧失正常的工作能力。
3、抗拉强度是材料不被破坏所允许的最大应力值。
4、延伸率的材料定义为塑性材料，的材料定义为脆性材料。