实验讲义 材料的压缩实验.doc

实验三 材料的压缩实验
概述
实验表明，工程中常用的塑性材料，其受压与受拉时所表现出的强度、刚度和塑性等力学性能是大致相同的。但广泛使用的脆性材料，其抗压强度很高，抗拉强度却很低。为便于合理选用工程材料，以及满足材料成型工艺的需要，测定材料受压时的力学性能是十分重要的。因此，压缩实验同拉伸实验一样，也是测定材料在常温、静载、单向受力下的力学性能的最常用、最基本的实验之一。
一、金属的压缩实验
（一）实验目的
1. 观测低碳钢压缩时的屈服荷载PS。
2. 测定铸铁压缩时的抗压强度σb 。           
3. 观察并比较低碳钢和铸铁在压缩时的变形和破坏现象。
（二）实验原理
以低碳钢为代表的塑性材料，轴向压缩时会产生很大的横向变形，但由于试样两端面与试验机支承垫板间存在摩擦力，约束了这种横向变形，故试样出现显著的鼓胀，如图1所示。
塑性材料在压缩过程中的弹性模量、屈服点与拉伸时相同，但在到达屈服阶段时不像拉伸试验时那样明显，因此要仔细观察才能确定屈服载荷Ps。当继续加载时，试样越压越扁，由于横截面面积不断增大，试样抗压能力也随之提高，曲线持续上升，如图2所示。除非试样过分鼓出变形，导致柱体表面开裂，否则塑性材料将不会发生压缩破坏。因此，一般不测塑性材料的抗压强度，而通常认为抗压强度等于抗拉强度。
以铸铁为代表的脆性金属材料，由于塑性变形很小，所以尽管有端面摩擦，鼓胀效应却并不明显，而是当应力达到一定值后，试样在与轴线大约成450～550的方向上发生破裂，如图3所示。这是由于脆性材料的抗剪强度低于抗压强度，从而使试样被剪断。其压缩曲线图如图4所示。

 图1  低碳钢压缩时的鼓胀效应            图2   低碳钢压缩曲线

图3 铸铁压缩破坏示意图                 图4 铸铁压缩曲线

（三）实验设备
1. 液压式万能材料试验机
2. 游标卡尺
（四）实验步骤
1. 用游标卡尺在试样两端及中间处两个相互垂直的方向上测量直径，并取其算术平均值，选用三处测量最小直径来计算横截面面积。
2. 根据低碳钢屈服载荷和铸铁抗压强度的估计值, 选择试验机的示力盘和摆锤。
3、调整好平衡锤、自动绘图装置；调整指针对正零位。
4. 准确地将试样置于试验机活动平台的支承垫板中心处。
5. 调整试验机夹头间距，当试样接近上支承板时，缓慢开启送油阀，均匀缓慢加载。
6. 对于低碳钢试样，将试样压成鼓形即可停止试验。对于铸铁试样，加载到试样破坏时（主针回摆150左右）立即停止试验，以免试样进一步被压碎；或试样压缩超过80%时停止试验，防止超量程。
（五）实验结果处理  
1．详细记录实验现象，观察试样的变形、破坏情况。
2．作出载荷-位移压缩曲线。
3．根据试验记录及曲线，计算应力值。
（1）  低碳钢的屈服强度：                    （1）
（2）  铸铁的抗压强度：                       （2）
 4．分析比较塑性材料和脆性材料在压缩时的力学行为的差异。
（六）思考题
1. 为什么铸铁试样压缩时，破坏面常发生在与轴线大致成450～550的方向上？
2. 试比较塑性材料和脆性材料在压缩时的变形及破坏形式有什么不同？
3．将低碳钢压缩时的屈服强度与拉伸时的屈服强度进行比较；将铸铁压缩时的抗压强度与拉伸时的抗拉强度进行比较。

二、高分子材料的压缩实验
（一）实验目的
1．测定高分子材料的压缩性能，确定材料的压缩强度，压缩应变，压缩模量。
2．掌握高聚物的压缩性能实验方法。
（二）实验原理
本实验是在一定的实验温度、湿度、加力速度下，于试样上沿纵轴方向施加静态压缩载荷，以测定高分子材料的压缩力学性能。
压缩性能实验是最常用的一种力学实验，压缩性能实验是把试样置于实验机的两压板之间，并在沿试样两个端面的主轴方向，以恒定速率施加一个可以测量的大小相等而方向相反的力，使试样沿轴向方向缩短，而径向方向增大，产生压缩变形，直至试样破裂或变形达到一定标准规定为止。施加的压缩负荷由实验机上直接读取，并按下式计算压缩应力和压缩应变。
压缩应力计算公式σ=P/F
式中：σ——压缩应力；单位：MPa
P——压缩负荷；单位：N
F——试样原始横截面积；单位：mm2
试样在压缩负荷作用下高度的改变量称为压缩形变。
压缩形变计算公式 ΔH = H0-H
式中：ΔH——试样压缩形变；单位：mm
H0——试样原始高度；单位：mm
H——压缩过程中试样任何时刻的高度；单位：mm
试样的压缩形变除以试样的原始高度，即单位原始高度的试样变形量，为压缩应变。
压缩应变计算公式ε=ΔH/H0
式中：ε——试样的压缩应变；
H0——试样原始高度；单位：mm
ΔH——试样压缩形变；单位：mm
在应力-应变曲线范围内压缩应力与压缩应变的比值成为压缩模量，取应力-应变直线上两点的应力差与应变之比，计算压缩模量。
压缩模量的计算公式E=（σ2-σ1）/（ε2-ε1）
式中：E——试样的压缩模量；单位：MPa
（三）影响高分子材料压缩强度的因素
1．试样的尺寸
压缩实验所用的试样，可以用注塑、模塑或机械加工方法制备。
试样的形状可以是正方棱柱，矩形棱柱，圆柱体，圆管形。
在测定高分子材料的压缩强度的实验中，试样的尺寸对其测试结果有很重要的影响。其中，在试样的尺寸影响中，影响压缩强度大小是试样的细长比（试样的高度与试样横截面的最小回转半径之比），由于试样受压时，其上下端面与压机压板之间产生较大的摩擦力，阻碍试样上下两端面的横向变形，试样高度越小，其影响越大。因此为减少这种摩擦力的影响，试样的高度应适当高些，但又不宜太高，以避免试样在受压过程中，因失稳而出现扭曲。规定一般的试样细长比为10，对易于出现扭曲的韧性材料，其细长比可降低为6。
2．试样的质量要求
当试样两端面不平行时，实验过程中将不能使试样沿轴线均匀受压，形成局部应力过大，而使试样过早产生裂纹和破坏，压缩强度必将降低。为此本实验所采用的试样的端面各点的高度差不大于0.1 mm，表面平整，无气泡、裂纹、分层、伤痕等缺陷，否则将影响试样结果。
3．实验速度
随着实验速度的增加，压缩强度与压缩应变值均有所增加。实验速度在1～5mm/ min之间变化较小；速度在大于10mm/ min时变化较大。因此规定压缩实验的同一试样必须在同一实验速度下进行，并且要选用较低的实验速度进行压缩实验。
（四）实验设备及试样
1．.实验设备为WD-100型万能材料试验机，由试样夹持部分、加力部分、测力部分和自动绘图部分四部分组成。
2．游标卡尺一把。
3．试样。标准压缩聚氯乙烯和聚丙烯试样，要求表面平整，无气泡、裂纹、分层、伤痕等缺陷。
（五）实验步骤
1．熟悉万能材料试验机的结构，操作规程和注意事项。
2．用游标卡尺测量试样的长、宽和高，精确至0.02mm；
3.电子式万能实验机先预热半小时，调整机器，设定相应的实验参数，静态压缩最大载荷选用25KN的档位；下压速度选用5mm/min。
4．测试条件的各项参数设定完毕之后，放上已经准备好的标准样品，确定实验所用样品放在两压板之间，使试样的中心线与两压板表面的中心线重合，使压板表面与试样的端面相接触，并确保试样端面与压板表面相平行，作为测试压缩变形的零点；启动下降按钮，实验机压头以5mm/min的速度下移，当压头接触到试样后，计算机开始自动记录试样所受的实际载荷及其产生的位移数据；直至试样断裂为止，停机。
5．处理数据，作压缩载荷-位移曲线图。
（六）实验报告要求
1．简述实验原理。
2．明确操作步骤和注意事项。
3．做好原始记录。详细记录压缩过程中观察到的现象，结合学到的理论分析现象产生原因（包括试样变形情况，表面和颜色的变化，断裂情况及断面特征等）。
4．作压缩载荷-位移曲线图；计算压缩应力、压缩应变、压缩模量；分析试样的压缩行为。