热塑性塑料加工与力学性能综合实验讲义-阻燃
热塑性塑料加工与力学性能综合实验
塑料加工与力学性能综合实验是材料学院设置的基础实验课——专业实验（2）的内容之一，要求学生针对高分子材料的加工性能特征进行自我设计加工工艺和加工条件，完成工艺的全过程，并对产品的力学性能进行表征和分析。让学生掌握高分子材料加工原理及常用的高分子材料的加工设备的操作方法，培养学生实际动手能力，同时为其毕业设计打下良好的基础。
一、热塑性塑料挤出造粒
高分子材料的成型加工方法：
（1）橡胶：炼胶机（双辊塑炼机、密炼机和平板硫化机）
（2）塑料：热塑性塑料：挤出机和注塑机
热固性塑料：模压或者挤出
（3）纤维：熔融纺丝：高聚物加热熔融后喷丝、冷却、拉丝
溶液纺丝：溶剂溶解高聚物成溶液、喷丝、拉丝
（4）胶粘剂和涂料：搅拌
1.实验目的：
（1）通过本实验，应熟悉挤出成型的原理，了解挤出工艺参数对塑料制品性能的影响（2）了解挤出机的基本结构及各部分的作用，掌握挤出成型基本操作
2.实验原理
（1）塑料造粒：合成出来的树脂大多数呈粉末状，粒径小成型加工不方便，而且合成树脂中又经常需要加入各种助剂才能满足制品的要求，为此就要将树脂与助剂混合，制成颗粒，这步工序称作“造粒”。树脂中加入功能性助剂可以造功能性母粒。造出来的颗粒是塑料成型加工的原料。
使用颗粒料成型加工的主要优点有：①颗粒料比粉料加料方便，无需强制加料器；②颗粒料比粉料密度大，制品质量好；③挥发物及空气含量少，制品不易产生气泡；④使用功能性母料比直接添加功能性助剂更容易分散。
塑料造粒可以使用辊压法混炼，塑炼出片后切粒，也可以使用挤出塑炼，塑化挤出后切粒。本实验采用挤出冷却后造粒的工艺。
（2）挤出成型原料及应用热塑性塑料的挤出成型是主要的成型方法之一，塑料的挤出成型就是塑料在挤出机中，在一定的温度和一定的压力下熔融塑化，并连续通过有固定截面的模型，得到具有特定截面形状连续型材的加工方法。不论挤出造粒还是挤出制品，都分两个阶段，第一阶段，固体状树脂原料在机筒中，借助于料筒外部的加热和螺杆转动的剪切转动的剪切挤压作用而熔融，同时熔体在压力的推动下被连续挤出口模；第二阶段是被挤出的型材失去塑性变为固体即制品，可以分条状、片状、棒状、筒状等。因此，应用挤出的方法既可以造粒也能够生产型材或异材。
3、挤出成型工艺
4、挤出机构造
图 1
单螺杆挤出机结构示意图
1－电动机； 2－减速装置； 3－冷却水入口；4－冷却水夹套； 5－料斗；6－温度计；
7－加热套； 8－螺杆； 9－滤网； 10－多孔板； 11－机头和口模； 12－机座 （1） 传动装置：由电动机、减速机构和轴承等组成，具有保证挤出过程中螺杆转速恒定、制品质量的稳定以及保证能够变速作用。
（2） 加料装置：无论原料是粒状、粉状和片状，加料装置都采用加料斗，加料斗内应有切断料流、标定料量和卸除余料等装置。
（3） 料筒： 料筒是挤出机的主要装置之一，塑料的混合、塑化和加压过程都在其中进行。挤压时料筒内的压力可达55Mpa ，工作温度一般为150～250o C ，因此料筒是受压和受热的容器，通常由高强度、坚韧耐磨和耐腐蚀的合金钢制成。料筒外部设有分区加热和冷却的装置，而且各自附有热电偶和自动仪表等。
（4） 螺杆： 螺杆是挤出机的关键部件，一般螺杆的结构如图2所示。
（5）口模和机头：机头是口模与料件之间的过渡部分，其长度和形状随所用塑料的种类、制品的形状加热方法及挤出机的大小和类型而定。机头和口模结构的好坏，对制品的产量和
质量影响很大，其尺寸根据流变学和实践经验确定。
（6）冷却装置：使熔融物料冷却为固体（或产品），以便于切割成粒或产品。
（7）卷取（切割）：
（8）后处理：喷涂、丝印、表面处理等
5、挤出机参数：
（1）螺杆直径（D S）：螺杆外径，常用60～150mm，直径增大，挤出机输送能力增大，生产能力提高。
（2）螺杆长径比L/D S：工作部分的有效长度与直径之比，通常为20～40，长径比大，混合均匀，减少逆流和漏流。要求塑化时间长，如硬质塑料、粉状塑料或结晶塑料，长径比要求较大。热敏性塑料，受热易分解，长径比较小。
(3) 螺槽深度H：H小时，产生较高剪切力，有利于塑化，但挤出生产率降低。H较大，则反之。H沿着螺杆轴向变化。
（4）螺旋角θ：螺纹与螺杆横截面之间夹角，θ增大，生产能力提高，剪切作用减小。介于10～30度之间。
（5）螺纹棱部宽E：太小则漏流增加，产量降低；太大则易局部过热。0.08～0.12 D S。（6）螺杆与料筒间隙：大小影响挤出机生产能力和塑化效果。较大时，剪切力变小、生产能力下降、物料熔融塑化慢。过小，强剪切力易引起物料受热降解。0.1～0.65mm。
图2 螺杆示意图
H1送料段螺槽深度；H2－计量段螺槽深度；D－螺杆直径；Q－螺旋角；
L－螺杆长度；e－螺棱宽度；S－螺距
6、螺杆作用：
（1）输送作用（2）传热塑化物料（3）混合均化物料
螺杆各段作用：
（1）加料段：物料固态，H为等深等距的深槽螺纹，利于吃料。长度：结晶较长，60％左右；无定形较短，10～25％。
（2）压缩段：起挤压和剪切作用，物料由固体变为熔融态。H逐渐减小，物料熔融程度逐渐增大，末端基本熔融完全。无定形物料压缩段较长，熔融温度范围宽塑料，如PVC，压缩段为全长，熔融温度范围窄，如尼龙，压缩段为1～2个螺距。
（3）均化段：进一步混合塑化，并定量定压地输送物料到机头。螺距和槽深不变。H较小，利于塑化均匀。长度一般为螺杆全长的20～25％。热敏性塑料，均化段短；
7. 配方设计原理
7.1 实验设备和原料
原料：高密度聚乙烯（HDPE），低密度聚乙烯（LDPE），乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EV A），聚磷酸胺（APP），红磷，季戊四醇，PE蜡和抗氧剂。
仪器：双螺杆挤出机，切粒机。
8. 实验步骤
（1）根据塑料的种类、配方设计及熔融指数，确定挤出温度控制范围及各段温度。（2）检查挤出机的各部分，确认设备正常，接通电源，打开冷却水、加热，待各段预热到要求温度时，再次检查并趁热拧紧机头各部分螺栓等衔接处，保温10min以上再加料。（3）开动主机螺杆，待转动正常后再开动喂料螺杆，在转动下先加少量塑料，注意进料和电流计情况，待熔料挤出正常后，将挤出物用手（戴上手套）和镊子慢慢引上冷却牵引装置，同时开动切粒机切粒并收集产物。
（4）挤出平稳后，继续加料，调整各部分，控制温度等工艺条件，维持正常操作。（5）观察挤出料条形状和外观质量，记录挤出物均匀、光滑时各段温度等工艺条件，记录一定时间内的挤出量，计算产率，重复加料，维持操作1h。
（6）实验完毕，用物料洗机，先关闭喂料螺杆，等螺杆剩余物料清理完毕后关闭主机螺杆，趁热消除机头中残留塑料，关闭切粒机、冷却水和电源。
9. 注意事项
（1）熔体挤出前，任何人不得在机头口模的正前方，挤出过程中，严防金属杂质、小工具等物落入料斗及进料口中。
（2）清理设备时，只能使用钢棒、铜制刀等工具，切忌损坏螺杆和口模等处的光洁表面。（3）挤出过程中，要密切注意工艺条件的稳定，不得任意改动，如果发生不正常现象，应立即停机，进行检查处理后再恢复实验。
10. 实验报告
（1）列出实验用挤出机的技术参数。螺杆直径、长径比、电机功率、加热功率、螺杆转速、产率。
（2）报告实验所用原料、配方及操作工艺条件，并计算挤出机产率。
（3）取样测试熔融指数和力学性能。
（4）讨论
A 结合试样性能检验结果，分析产物性能与原料、工艺条件及实验设备操作的关系。
B 影响挤出物均匀性的主要原因有哪些，怎样影响？如何控制？
C 实验中，应控制哪些条件才能保证得到质量好的样品和制品？
D挤出机的主要结构有哪几部分组成？
E 挤出时物料下料不顺利，总是断料，可能有哪些原因？
二、拉伸、冲击样条的制备
1. 实验目的
（1）掌握拉伸、冲击样条的制备方法和使用方法。
（2）利用万能制样机或注塑机制备塑料拉伸、冲击实验样条。
2. 实验原理
可利用万能制样机或注塑机制备拉伸和冲击实验样条。万能制样机能加工塑料以及非金属材料的拉伸、冲击性能等实验用的标准样条，能够切断、铣缺口、铣曲线型和平面加工。注塑机能成型各种形状复杂的产品，工艺简单，方便快捷。
（1）拉伸试样
①形状规格如图3、4、5、6所示；②尺寸规格如表1、2、3、4所示
图3 I试样
Ⅰ型试样尺寸公差
（2）悬梁臂冲击试样
①冲击试样的尺寸规格如下表所示
②冲击试样的形状及缺口形状规格如图7和下表所示
图7 冲击试样缺口形状
三、试样的拉伸强度及断裂伸长率实验
1. 实验目的
了解高分子材料的拉伸强度及断裂伸长率的意义及其测试方法，通过应力－应变曲线的测定，判断不同高分子材料的性能特征。
2. 实验原理
将试样夹持在专用夹具上，对试样施加静态拉伸负荷，通过压力传感器、形变测量装置以及计算机处理，测绘出试样在拉伸变形过程中的拉伸应力－应变曲线，计算出曲线上的特征点如试样直至断裂为止所承受的最大拉伸应力（拉伸强度）、试样断裂时的拉伸应力（拉伸断裂应力）、在拉伸应力－应变曲线上屈服点处的应力（拉伸屈服应力）、应力－应变曲线偏离直线性达规定百分数（偏置）时的应力（偏置屈服应力）和试样断裂时标线间距离的增加量与初始标距之比（断裂伸长率，以百分数表示）。
3.实验试样的选择及实验条件
3.1实验试样的选择
不同的材料由于尺寸效应不同，故应尽量减少缺陷和结构不均匀性对测定结果的影响，按下表选用国家标准规定的拉伸试样类型以及相应的实验速度
拉伸试样类型以及相应的实验速度
① Ⅲ试样仅用来测试拉伸强度 实验速度为以下九种：
A: 1mm/min ±50% B: 2mm/min ±20% C: 5mm/min ±20% D: 10mm/min ±20% E: 20mm/min ±10% F: 50mm/min ±10% G: 100mm/min ±10% H: 200mm/min ±10% I: 500mm/min ±10% 3.2实验条件：
实验速度的选择应从表7中与各试样类型所对应的实验速度范围内选取，实验速度应为试样在0.5～5min 实验时间内断裂的最低速度。实验速度也允许按照产品标准的规定领选其他实验速度。
4. 实验设备
拉力试验机及夹具（），游标卡尺、直尺、千分尺、记号笔。
5.实验步骤
（1） 试样的状态调节和实验环境按GB2918规定进行
（2） 测量试样中间平行部分的宽度和厚度，精确到0.01mm ，II 型试样中间平行部分的宽度精确到0.05mm ；每个试样测量三点，取算术平均值。
（3） 在试样中间平行的部分作标线示明标距，此标线对测试结果不应有影响。
（4） 夹持试样，夹具夹持试样时，要使试样纵轴与上下夹具中心连线相重合，并且要松劲适宜，以防止试样滑脱或断在夹具内。 （5） 选定实验速度，进行实验
（6） 记录屈服时的负荷，或断裂负荷及标距间深长，若试样断裂在中间平行部分之外时，此试样作废，另选取试样补做。
6 实验结果与数据处理
6.1 理论计算和表示
（1） 拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏离屈服应力σt 按式（1）进行计算：
bd
p
t =
σ （1） 式中σt ——抗拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏离屈服应力，MPa ； p ——最大负荷或断裂负荷或屈服负荷或偏离屈服负荷，N ； b ——试样宽度,mm; d ——试样厚度，mm
各应力值在拉伸应力——应变曲线的位置如图8所示。
图 8 拉伸应力－应变曲线
σt1-拉伸强度；σt2-拉伸断裂应力；σt3－拉伸屈服应力；σt4－偏置屈服应力；εt1－拉伸最大强度时的应变；εt2－断裂时的应变；εt3－屈服时的应变；εt4－偏置屈服时的应变
A-脆性材料; B-具有屈服点的韧性材料; C-无屈服点的韧性材料
(2) 断裂伸长率εt 按式（2）计算
%1000
?-=
G G G t ε （2） 式中εt ——断裂伸长率，％；G 0——试样原始标距，mm ； G ——试样断裂时标线间距，mm （3）标准偏差值S 按式（3）的计算
1
)(2
--∑=
n X X S i （3） 式中S —标准偏；X i —单个测定值；X —一组测定值的算术平均值；n —测定个数 （4） 计算结果以算术平均值表示，σt 取三位有效数字，εt 取两位有效数字，S 取两位有效数字。
6.2 实验记录与数据处理结果
把测试的所得各结果列入下表8中
表8 拉伸实验的测试结果与数据处理结果
7. 实验报告与思考题
（1）7.1 实验报告包括以下内容
① 材料名称、规格、来源及生产厂家；② 试样类型、尺寸、制备方法和试样的主轴方向； ③ 实验温度、湿度及试样状态的调节；④ 试验机型号，实验速度；⑤ 拉伸强度和断裂伸长率；⑥ 拉伸断裂应力、偏置屈服应力和拉伸屈服应力；⑦ 解答思考题 （2）思考题：
① 分析试样断裂在线外的原因
② 如何用据应力——应变曲线来判断材料的适应性能？ ③ 拉伸速度对测试结果有和影响？
④ 同样是PS 试样，为什么测试的拉伸性能（强度、断裂伸长率、模量）有差异？
四、试样的冲击实验
冲击实验式测定塑料材料和制品在高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵抗能力，这一实验对研究塑料在经受冲击载荷时力学行为有一定的实际意义。塑料制品在使用的过程中，经常受到外加冲击作用致使受到破坏。因此，在塑料材料的力学性能测试中，只进行静力实验时不能满足材料使用要求的，所以必须对塑料材料进行运动载荷实验，这一点在其工程设计中尤其重要。
冲击强度是塑料韧度的主要指标，测量冲击强度有两种实验方法，一种是摆锤式冲击试验，另一种是落球式冲击试验，最常用的式摆锤式冲击试验。摆锤式又分悬臂梁式和简支梁式冲击试验。本实验采用悬臂梁式冲击试验。
1. 实验目的
掌握用悬臂冲击实验机测试高分子材料冲击性能的方法、操作及其实验结果处理；了解测试条件对测试结果的影响
2. 实验原理
本方法式用悬臂量冲击试验机对试样施加一次冲击弯曲负荷，以试样破坏断裂时的单位面积所消耗的能量来衡量材料的冲击韧性。
3. 实验材料
本实验前面制备的PS 样条IV ，试样长度63.5±2mm ，宽度为12.7±0.2mm ，厚度为 3.2±
0.2mm ，试样侧面中部带有45o ±1o
、底部曲率半径(r)为0.25±0.025mm 的缺口，缺口处试样的剩余厚度为10.16±0.05mm 。
4. 实验设备：摆锤式悬臂梁冲击试验机（UJ-40悬臂梁冲击试验机）
5. 实验步骤
（1） 按试样标准制样，每组5个样（例如硬质PVC 可选用IV 型试样，A 型缺口）；
（2） 测试缺口处的试样宽度，精确到
0.05mm ，试样应在（23±0.5o
C ）和相对湿度为50％环境中，放置24h ；
（3）实验时应把温度设定在23±0.5o C 下进
行
（4）选择适宜的摆锤，使试样破断所需要的能量在总能量的10～80％区间内；
（5）将摆锤连同被动指针从预扬角为止释放，空试样冲击，从刻度盘读取示值，此值即克服风阻和摩擦的动能损失，校正刻度盘指针；
（6）用适宜的夹持力夹持试样，如图9 所示试样在夹持台中不得有扭曲和侧面弯曲；试样夹持力的大小，有时会影响死活眼结果，适宜的夹持力会随材料的不同而异，当试样破断后，断面与试样夹持台上表面基本呈一平面，此时的夹持力被认为对此材料示适宜的，使用转矩扳手来获得适宜的夹持力；将摆锤连同被动指针从预扬角为止释放， （7） 冲击试样后，从刻度盘读取示值。 （8） 此示值即试样破断所消耗的能量W ；
试样经一次冲击后，分离成两段或两段以上者为破断，或者虽然没有完全分离成两段，但破裂已达到试样缺口处剩余厚度的90％者也属破断。
6. 实验结果与计算
（1） 无缺口试样悬臂梁冲击强度按式（4）计算
图 9 试样加持台、摆锤的冲击刃及试样位置
310-??=
b
h W
iv α （4） 式中αiv ——悬臂梁冲击强度， kJ/m 2
;W ——试样破断所消耗的能量， J; h ——试样厚度，m ；b ——试样宽度，m 。
（2） 缺口试样悬臂梁冲击强度按式（5）进行计算：
310-??=
n
in b h W
α （5） 式中αin ——缺口试样悬臂梁冲击强度，kJ/m 2
;W ——破坏试样所吸收的冲击能量，J;
h ——试样厚度，m ；b ——试样宽度，m 。
仪表读数若为kg ·cm,请按1kg ·cm ＝9.8J 进行换算。
试验结果以冲击强度的算术平均值表示，破断试样不足3个时，以单个冲击强度表示。
五、试样的阻燃性能测试
1. 实验目的
（1）了解开发阻燃型塑料的重要性，掌握阻燃剂的阻燃类型和阻燃机理。 （2）掌握垂直法测试塑料阻燃性能的方法。 2. 实验原理
聚合物的燃烧是一个非常激烈复杂的热氧化反应，具有冒发浓烟或炽烈火焰的特征。燃烧的一般过程是在外界热源的不断加热下，聚合物先与空气中的氧发生自由基链式降解反应，产生挥发性可燃物，该物达到一定浓度和温度时就会着火燃烧起来，燃烧所放出的一部分热量供给正在降解的聚合物，进一步加剧其降解，产生更多的可燃性气体，火焰在很短的时间内就会迅速蔓延而造成一场大火。一般如PP 、PA 、PE 、PS 、ABS 、EVA 及PET 、PBT 等易燃的高分子塑料在特殊用途中都需要添加阻燃剂。
阻燃剂，又称难燃剂，耐火剂或防火剂，赋予易燃聚合物难燃性的功能性助剂。依应用方式分为添加型阻燃剂和反应型阻燃剂。添加型阻燃剂直接与树脂或胶料混配，加工方便，适应面广，系阻燃剂的主体；反应型阻燃剂常作为单体键合到聚合物链中，对制品性能影响小且阻燃效果持久。根据组成，添加型阻燃剂主要包括无机阻燃剂、卤系阻燃剂(有机氯化物和有机溴化物)、磷系阻燃剂(赤磷、磷酸酯及卤代磷酸酯等)和氮系阻燃剂等。反应型阻燃剂多为含反应性官能团的有机卤和有机磷的单体。此外，具有抑烟作用的钼化合物、锡化合物和铁化合物等亦属阻燃剂的范畴。常用的几种阻燃剂的阻燃机理如下： （1）聚磷酸铵
膨胀型防火涂料，使防火涂料在火焰温度下膨胀起泡，在被覆盖基材上，受热脱水生成聚磷酸，使有机物表面脱水生成碳化膜，并产生大量的不燃气体，形成厚厚的泡沫绝热层，对基材起到绝热，隔绝空气而达到阻燃目的，生成膨胀泡沫层主要成份有： 碳化物质(碳源)：主要是高碳水化合物，季戊四醇、双季戊四醇、淀粉等。 ① 催化剂(磷酸源)：含磷量高，有较高的但又低于碳化物质分解温度下分解出的聚磷 酸，
在基材上生成碳化膜。 ② 发泡剂(气源)：发泡剂释放出气体使碳化膜形成泡沫膨胀成很厚的碳化高效碳化层，发
泡剂为三聚氰胺(蜜胺)、双氰胺和尿素等。 （2）氢氧化镁
氢氧化镁在受热时发生分解吸收燃烧物表面热量起到阻燃作用；同时释放出大量水分稀释燃物表面的氧气，分解生成的活性氧化镁附着于可燃物表面又进一步阻止了燃烧的进行。
氢氧化镁在整个阻燃过程中不但没有任何有害物质产生，而且其分解的产物在阻燃的同时还能够大量吸收橡胶、塑料等高分子燃烧所产生的有害气体和烟雾，活性氧化镁不断吸收未完全燃烧的熔化残留物，从使燃烧很快停止的同时消除烟雾、阻止熔滴，是一种新兴的环保型无机阻燃剂。
（4）磷及磷化合物的阻燃机理
磷系阻燃剂的阻燃作用主要体现在火灾初期的高聚物分解阶段，因其能促进聚合物脱水炭化，从而减少聚合物因热分解而产生的可燃性气体的数量，并且所生成的碳膜还能隔绝外界空气和热。
3. 样品制备
按照美国UL-94阻燃材料测试标准，试样尺寸为：长127mm，宽12.7mm，最大厚度
3.2mm。样条制备采用注射成型方式。
4. 实验操作步骤
阻燃性能测试按照美国UL-94阻燃材料测试标准进行，采用垂直燃烧试验方法。UL94中的垂直燃烧试验在无通风试验箱中进行。根据样品燃烧时间，熔滴是否引燃脱脂棉等试验结果，把聚合物材料定为V-2,V-1,V-0三个级别，其中以V-2级为最低阻燃级，V-0级为最高阻燃级。
注：t1为每根样条第一次有焰燃烧时间，s；t2为每根样条第二次有焰燃烧时间，s；t3为每根样条第二次施焰后的无焰燃烧时间，s.
如图10所示，试样上端（6.4mm的地方）用支架上的夹具夹住，并保持试样的纵轴垂直。试样下端距灯嘴9.5mm，距干燥脱脂棉表面305mm.。将本生灯点燃并调节至产生19mm高的蓝色火焰，把本生灯火焰置于试样下端，点火10s，然后移去火焰（离试样至少152mm远），并记下试样有焰燃烧时间。若移去火焰后30s内试样的火焰熄灭，必须再次将本生灯移到试样下面，重新点燃试样点火10s，然后再次移开本生灯火焰，并记下试样的有焰燃烧和无焰燃烧的续燃时间。若试样熔滴有滴落，让其落入试样下305mm的脱脂棉上，看其是否引燃脱脂棉。若脱脂棉着火，评级时应考虑其因素。
5. 数据记录及处理
图10 垂直燃烧实验装置示意图。
材料的力学性能试验
第一章 材料的力学性能试验 材料的力学性能试验是工程中广泛应用的一种试验，它为机械制造、土木工程、冶金及其它各种工业部门提供可靠的材料的力学性能参数，便于合理地使用材料，保证机器（结构）及其零件（构件）的安全工作。 材料的力学性能试验必须按照国家标准进行。 第一节 拉伸试验 一、实验目的 1.验证胡克定律，测定低碳钢的弹性常数：弹性模量E 。 2.测定低碳钢拉伸时的强度性能指标：屈服应力s σ和抗拉强度b σ。 3.测定低碳钢拉伸时的塑性性能指标：伸长率δ和断面收缩率ψ。 4.测定灰铸铁拉伸时的强度性能指标：抗拉强度b σ。 5.绘制低碳钢和灰铸铁的拉伸图，比较低碳钢与灰铸铁在拉伸时的力学性能和破坏形式。 二、实验设备和仪器 1.万能试验机。 2.引伸仪。 3.游标卡尺。 三、实验试样 按照国家标准GB6397—86《金属拉伸试验试样》，金属拉伸试样的形状随着产品的品种、规格以及试验目的的不同而分为圆形截面试样、矩形截面试样、异形截面试样和不经机加工的全截面形状试样四种。其中最常用的是圆形截面试样和矩形截面试样。 如图1-1所示，圆形截面试样和矩形截面试样均由平行、过渡和夹持三部分
组成。平行部分的试验段长度l 称为试样的标距，按试样的标距l 与横截面面积A 之间的关系，分为比例试样和定标距试样。圆形截面比例试样通常取d l 10=或 d l 5=，矩形截面比例试样通常取A l 3.11=或A l 65.5=，其中，前者称为长比例试样（简称长试样），后者称为短比例试样（简称短试样）。定标距试样的l 与A 之间无上述比例关系。过渡部分以圆弧与平行部分光滑地连接，以保证试样断裂时的断口在平行部分。夹持部分稍大，其形状和尺寸根据试样大小、材料特性、试验目的以及万能试验机的夹具结构进行设计。 对试样的形状、尺寸和加工的技术要求参见国家标准GB6397—86。 （a ） （b ） 图1-1 拉伸试样 （a ）圆形截面试样；（b ）矩形截面试样 四、实验原理与方法 1.测定低碳钢的弹性常数 实验时，先把试样安装在万能试验机上，再在试样的中部装上引伸仪，并将指针调整到0，用于测量试样中部0l 长度（引伸仪两刀刃间的距离）内的微小变形。开动万能试验机，预加一定的初载荷（可取kN 4），同时读取引伸仪的初读数。 为了验证载荷与变形之间成正比的关系，在弹性范围内（根据A ?P σ求出的最大弹性载荷不超过kN 14）采用等量逐级加载方法，每次递加同样大小的载荷增量F ?（可选kN 2=?F ），在引伸仪上读取相应的变形量。若每次的变形增量大致相等，则说明载荷与变形成正比关系，即验证了胡克定律。弹性模量E 可按下式算出 l A l F E ????=
材料力学实验指导书
材料力学实验指导书 §5 梁弯曲正应力电测实验指导书 1、概述 梁是工程中常用的受弯构件。梁受弯时，产生弯曲变形，在结构设计和强度计算中经常要涉及到梁的弯曲正应力的计算，在工程检验中，也经常通过测量梁的主应力大小来判断构件是否安全，也可采用通过测量梁截面不同高度的应力来寻找梁的中性层。 2、实验目的 1、用应变电测法测定矩形截面简支梁纯弯曲时，横截面上的应力分布规律。 2、验证纯弯梁的弯曲正应力公式。 3、观察纯弯梁在双向交变加载下的应力变化特点。 3、实验原理 梁纯弯曲时，根据平面假设和纵向纤维之间无挤压的假设，得到纯弯曲正应力计算公式为： Z I My =σ 式中：M —弯矩 Z I —横截面对中性层的惯性矩 y —所求应力点的纵坐标（中性轴为坐标零点）。 由上式可知梁在纯弯曲时，沿横截面高度各点处的正应力按线性规律变化，根据纵向纤维之间无挤压的假设，纯弯梁中的单元体处于单纯受拉或受压状态，由单向应力状态的胡克定律E *εσ=可知，只要测得不同梁高处的ε，就可计算出该点的应力σ，然后与相应点的理论值进行比较，以验证弯曲正应力公式。 4、实验方案 4.1实验设备、测量工具及试件： YDD-1型多功能材料力学试验机（图1.8）、150mm 游标卡尺、四点弯曲梁试件（图5.1）。 YDD-1型多功能材料力学试验机由试验机主机部分和数据采集分析两部分组成，主机部分由加载机构及相应的传感器组成，数据采集部分完成数据的采集、分析等。 图5.1实验中用到的纯弯梁，矩形截面，在梁的两端有支撑圆孔，梁的中间段有四个对称半圆形分配梁加载槽，加载测试时，两半圆型槽中间部分为纯弯段，在纯弯段中间不同梁高部位、在离开纯弯段中间一定距离的梁顶及梁底、在加工有长槽孔部位的梁顶及梁底均粘贴电阻应变片。 4.2 装夹、加载方案 安装好的试件如图5.2所示。试验时，四点弯曲梁通过销轴安装在支座的长槽孔内，形成滚动铰支座。梁向下弯曲时，荷载通过分配梁等量地分配到梁上部两半圆形加载槽，梁向上弯曲时，荷载通 过分配梁等量地分配到梁下部两半圆形加载槽，分配梁的两个加载支滚，一个为滚动铰支座，一个为 图5.1 四点弯曲梁试件
材料力学性能实验指导书(材料成型及控制工程专业)
材料力学性能实验指导书（材料成型及控制工程专业） 张学萍 沈阳理工大学 二零一二年三月
目录 实验一硬度实验......................................................................... (3)
前言 《材料力学性能》这门课的实验是该课的重要组成部分，是该理论课的基础，正确地掌握实验的理论和方法，对提高学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力有重要意义。 编写本实验指导书，是根据《材料力学性能》教学大纲及教材的有关内容、又根据我院设备、仪器实际情况编写的，这样，与教材的内容相一致，便于安排实验教学。 本实验指导书适用于：材料成型及控制工程专业 编者 2012 年3月
实验一硬度实验 一.实验目的 1.掌握洛氏、布氏硬度的基本原理及测试方法。 2.根据材料的性质正确选择硬度计类型及压入条件。 3.熟悉各种硬度值之间的换算。 二、实验内容 用洛氏硬度计测定试样热处理前后的硬度；用布氏硬度计测定45刚退火后的硬度。 三、概述 硬度试验操作简便，对工件损伤小，可在零件上直接测试，故在生产实践中应用很普遍。 硬度所表征的不是一个确定的物理量，它是衡量材料软硬程度的一种性能指标。硬度值的意义随试验方法而不同。硬度试验基本上可分为压入法和刻划法。对于以压入法进行的硬度试验，其硬度值是表示材料抵抗另一物体压入其表面的能力，洛氏、布氏和维氏硬度都属于压入法硬度试验。 （一）洛氏硬度试验法。 1.洛氏硬度是以压痕的深度来表示 材料的硬度值。图1-1为洛氏硬度试验 原理图。 测试洛氏硬度时，用规定的压头， 先后施加两个负荷：预负荷F0和主负 荷F1。总负荷F= F0+F1。图1-1中， 0-0位置为未加负荷时的压头位置；l-l 位置为施加10kg预负荷后的位置，压 入深度为h1；2-2位置为加上主负荷后 的位置，此时压入深度为h2；3-3位置图1-1 洛氏硬度试验原理 为卸除主负荷后由于弹性变形的恢复而 使压头略微提高的位置，此时压头的实际压入深度为h3。由主负荷引起的残余压入深度h=h3-h1，用此来衡量金属硬度值的大小。若直接用h来表示硬度，则会出现硬的金
材料力学实验讲义
金属材料的拉伸、压缩实验指导书 张雅琴编 北京化工大学
目录实验一金属材料的拉伸实验 实验二金属材料的压缩实验
实验一金属材料的拉伸实验 金属材料的拉伸实验是研究金属材料力学性能的最基本的实验。方法简单，数据可靠，一些工矿企业、研究所一般都用此类方法对金属材料进行出厂检验或进厂复检，用测得的各项指标来评定材质和进行强度、刚度计算。因此，对金属材料进行轴向拉伸实验具有工程实际意义。 不同材料在轴向拉伸过程中会表现出不同的力学性质和现象。低碳钢和铸铁分别是典型的塑性材料和脆性材料。低碳钢材料具有良好的塑性，在拉伸实验中的弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段尤为明显和清楚。铸铁材料受拉时处于脆性状态，其破坏是由拉应力拉断。 金属材料拉伸实验是指在室温条件下，将缓慢施加的单向拉伸载荷作用于表面光滑的拉伸试件上，来测定材料力学拉伸性能的方法。最常用拉伸试件的形状和尺寸如图1-1所示。 (a) (b) 图1-1 (a) 圆形试样(b) 矩形试样 若采用光滑圆柱试件，试件的标矩长度L 0比直径d 要大的多;通常L >5d ,以使试件横 截面上的应力均匀地分布,实现轴向均匀加载.试件做成圆柱形是便于测量径向应变,试件的加工也比较简单。当测量板材拉伸性能和带材的拉伸性能时,也可以采用板状试件，如图 1-1(b)所示。但试件的标矩长度L 0应满足下列关系：L =5.65A 或11.3 A ；其中A 为试件 的初始横截面积。 上式中的规定对应于圆柱试件中的L 0=5d ，L =10 d 。拉伸试件的几何形状，尺寸及允 许的加工误差，在国家标准GB228—2002中作了相应的规定。金属材料拉伸实验是材料的力学性能实验中最基本最重要的实验,是工程上广泛使用的测定力学性能的方法之一。
材料力学实验参考
实验一、测定金属材料拉伸时的力学性能 一、实验目的 1、测定低碳钢的屈服极限s σ，强度极限b σ，延伸率δ和面积收缩率ψ。 2、测定铸铁的强度极限b σ。 3、观察拉伸过程中的各种现象，并绘制拉伸图（l F ?-曲线）。 二、仪器设备 1、液压式万能试验机。 2、游标卡尺。 三、实验原理简要 材料的力学性质s σ、b σ、δ和ψ是由拉伸破坏试验来确定的。试验时，利用试验机自动绘出低碳钢拉伸图和铸铁拉伸图。对于低碳材料，确定屈服载荷s F 时，必须缓慢而均匀地使试件产生变形，同时还需要注意观察。测力回转后所指示的最小载荷即为屈服载荷s F ，继续加载，测得最大载荷b F 。试件在达到最大载荷前，伸长变形在标距范围内均匀分布。从最大载荷开始，产生局部伸长和颈缩。颈缩出现后，截面面积迅速减小，继续拉伸所需的载荷也变小了，直至断裂。 铸铁试件在极小变形时，就达到最大载荷，而突然发生断裂。没有流动和颈缩现象，其强度极限远低于碳钢的强度极限。 四、实验过程和步骤 1、用游标卡尺在试件的标距范围内测量三个截面的直径，取其平均值，填入记录表内。取三处中最小值作为计算试件横截面积的直径。 2、 按要求装夹试样（先选其中一根），并保持上下对中。 3、 按要求选择“试验方案”→“新建实验”→“金属圆棒拉伸实验”进行试验，详细操 作要求见万能试验机使用说明。 4、 试样拉断后拆下试样，根据试验机使用说明把试样的l F ?-曲线显示在微机显示屏 上。从低碳钢的l F ?-曲线上读取s F 、b F 值，从铸铁的l F ?-曲线上读取b F 值。 5、 测量低碳钢（铸铁）拉断后的断口最小直径及横截面面积。 6、 根据低碳钢（铸铁）断口的位置选择直接测量或移位方法测量标距段长度1l 。 7、 比较低碳钢和铸铁的断口特征。
材料力学性能静拉伸试验报告
静拉伸试验 一、实验目的 1、测45#钢的屈服强度s σ、抗拉强度m R 、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 2、测定铝合金的屈服强度s σ、抗拉强度m R 、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 3、观察并分析两种材料在拉伸过程中的各种现象。 二、使用设备 微机控制电子万能试验机、0.02mm 游标卡尺、试验分化器 三、试样 本试样采用经过机加工直径为10mm 左右的圆形截面比例试样，试样成分分别为铝合金和45#，各有数支。 四、实验原理 按照我国目前执行的国家 GB/T 228—2002标准—《金属材料 室温拉伸试验方法》的规定，在室温1035℃℃的范围内进行试验。将试样安装在试验机的夹头当中，然后开动试验机，使试样受到缓慢增加的拉力（一般应变速率应≤0.1m/s ），直到拉断为止，并且利用试验机的自动绘图装置绘出材料的拉伸图。 试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形L ?主要是整个试样，而不仅仅是标距部分的伸长，还包括机器的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素，由于试样开始受力时，头部在头内的滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。 塑性材料与脆性材料的区别： （1）塑性材料： 脆性材料是指断后伸长率5%δ≥的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都比较大。塑性材料在发生断裂时，会发生明显的塑性变形，也会出现屈服和颈缩等现象； （2）脆性材料： 脆性材料是指断后伸长率5%δ<的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都很小。并且，大多数脆性材料在拉伸时的应力—应变曲线上都没有明显的直线段，几乎没有塑性变形，在断裂前不会出现明显的征兆，不会出现屈服和颈缩等现象，只有断裂时的应力值—强度极限。 脆性材料在承受拉力、变形记小时，就可以达到m F 而突然发生断裂，其抗拉强度也远远 小于45钢的抗拉强度。同样，由公式0m m R F S =即可得到其抗拉强度，而根据公式，10 l l l δ-=。 五、实验步骤 1、试样准备 用笔在试样间距0L （10cm ）处标记一下。用游标尺测量出中间横截面的平均直径，并且测出试样在拉伸前的一个总长度L 。 2、试验机准备：
材料力学实验报告答案
篇一：材料力学实验报告答案 材料力学实验报告 评分标准拉伸实验报告 一、实验目的（1分） 1. 测定低碳钢的强度指标（σs、σb）和塑性指标（δ、ψ）。 2. 测定铸铁的强度极限σb。 3. 观察拉伸实验过程中的各种现象，绘制拉伸曲线（p－δl曲线）。 4. 比较低碳钢与铸铁的力学特性。 二、实验设备（1分） 机器型号名称电子万能试验机 测量尺寸的量具名称游标卡尺精度 0.02 mm 三、实验数据（2分） 四、实验结果处理（4分） ?s??b? psa0pba0 ＝300mpa 左右＝420mpa 左右 ＝20～30％左右＝60～75％左右 ?? l1?l0 ?100％ l0a0?a1 ?100％ a0 ?＝ 五、回答下列问题（2分，每题0.5分） 1、画出（两种材料）试件破坏后的简图。略 2、画出拉伸曲线图。 3、试比较低碳钢和铸铁拉伸时的力学性质。 低碳钢在拉伸时有明显的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段，而铸铁没有明显的这四个阶段。 4、材料和直径相同而长短不同的试件，其延伸率是否相同？为什么？相同 延伸率是衡量材料塑性的指标，与构件的尺寸无关。压缩实验报告 一、实验目的（1分） 1. 测定压缩时铸铁的强度极限σb。 2. 观察铸铁在压缩时的变形和破坏现象，并分析原因。 二、实验设备（1分） 机器型号名称电子万能试验机（0.5分） 测量尺寸的量具名称游标卡尺精度 0.02 mm （0.5分） 三、实验数据（1分）四、实验结果处理（2分） ?b? pb =740mpaa0 左右 五、回答下列思考题（3分） 1.画出（两种材料）实验前后的试件形状。略 2. 绘出两种材料的压缩曲线。略 3. 为什么在压缩实验时要加球形承垫？
8学时实验--材料力学8学时实验讲义
材料力学实验讲义
§1-1 金属材料的拉伸实验 一、试验目的 1．测定低碳钢（Q235 钢）的强度性能指标：上屈服强度R eH，下屈服强度R eL和抗拉强度R m 。 2．测定低碳钢（Q235 钢）的塑性性能指标：断后伸长率A和断面收缩率Z。 3．测定铸铁的抗拉强度R m。 4．观察、比较低碳钢（Q235 钢）和铸铁的拉伸过程及破坏现象，并比较其机械性能。 5．学习试验机的使用方法。 二、设备和仪器 1．试验机（见附录）。 2．电子引伸计。 3．游标卡尺。 三、试样 (a) b h l0 l (b) 图1-1 试样 拉伸实验是材料力学性能实验中最基本的实验。为使实验结果可以相互比较，必须对试样、试验机及实验方法做出明确具体的规定。我国国标GB/T228－2002 “金属材料室温拉伸试验方法”中规定对金属拉伸试样通常采用圆形和板状两种试样，如图（1-1）所示。它们均
由夹持、过渡和平行三部分组成。夹持部分应适合于试验机夹头的夹持。过渡部分的圆孤应与平行部分光滑地联接，以保证试样破坏时断口在平行部分。平行部分中测量伸长用的长度称为标距。受力前的标距称为原始标距，记作l 0，通常在其两端划细线标志。 国标GB/T228-2002中，对试样形状、尺寸、公差和表面粗糙度均有明确规定。 四、实验原理 低碳钢（Q235 钢）拉伸实验（图解方法） 将试样安装在试验机的上下夹头中，引伸计装卡在试样上，启动试验机对试样加载，试验机将自动绘制出载荷位移曲线（F-ΔL 曲线），如图（1-2）。观察试样的受力、变形直至破坏的全过程，可以看到低碳钢拉伸过程中的四个阶段（弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段）。 屈服阶段反映在F-ΔL 曲线图上为一水平波动线。上屈服力eH F 是试样发生屈服而载荷首次下降前的最大载荷。下屈服力eL F 是试样在屈服期间去除初始瞬时效应（载荷第一次急剧下降）后波动最低点所对应的载荷。最大力R m 是试样在屈服阶段之后所能承受的最大载荷。相应的强度指标由以下公式计算： 上屈服强度R eH ：0 S F R eH eH = （1-1） 下屈服强度R eL ：0 S F R eL eL = (1-2 ) 抗拉强度R m ： 0 S F R m m = （1-3） 在强化阶段任一时刻卸载、再加载，可以观察加载、御载规律和冷作硬化现象。 在F m 以前，变形是均匀的。从F m 开始，产生局部伸长和颈缩，由于颈缩，使颈缩处截面减小，致使载荷随之下降，最后断裂。断口呈杯锥形。 测量断后的标距部分长度L u 和颈缩处最小直径d u ，按以下两式计算其主要塑性指标：
材料力学性能拉伸试验报告
材料力学性能拉伸试验报告 材化08 李文迪 40860044
[试验目的] 1. 测定低碳钢在退火、正火和淬火三种不同热处理状态下的强度与塑性性能。 2. 测定低碳钢的应变硬化指数和应变硬化系数。 [试验材料] 通过室温拉伸试验完成上述性能测试工作，测试过程执行GB/T228-2002:金属材料室温拉伸试验方法： 1.1试验材料：退火低碳钢，正火低碳钢，淬火低碳钢的R4标准试样各一个。 1.2热处理状态及组织性能特点简述： 1.2.1退火低碳钢：将钢加热到Ac3或Ac1以上30-50℃，保温一段时间后，缓慢而均匀 的冷却称为退火。 特点：退火可以降低硬度，使材料便于切削加工，并使钢的晶粒细化，消除应力。1.2.2正火低碳钢：将钢加热到Ac3或Accm以上30-50℃，保温后在空气中冷却称为正 火。 特点：许多碳素钢和合金钢正火后，各项机械性能均较好，可以细化晶粒。 1.2.3淬火低碳钢：对于亚共析钢，即低碳钢和中碳钢加热到Ac3以上30-50℃，在此 温度下保持一段时间，使钢的组织全部变成奥氏体，然后快速冷却（水冷或油冷），使奥氏体来不及分解而形成马氏体组织，称为淬火。 特点：硬度大，适合对硬度有特殊要求的部件。 1.3试样规格尺寸：采用R4试样。 参数如下：
1.4公差要求 [试验原理] 1.原理简介：材料的机械性能指标是由拉伸破坏试验来确定的，由试验可知弹性阶段 卸荷后，试样变形立即消失，这种变形是弹性变形。当负荷增加到一定值时，测力度盘的指针停止转动或来回摆动，拉伸图上出现了锯齿平台，即荷载不增加的情况下，试样继续伸长，材料处在屈服阶段。此时可记录下屈服强度R 。当屈服到一定 eL 程度后，材料又重新具有了抵抗变形的能力，材料处在强化阶段。此阶段：强化后的材料就产生了残余应变，卸载后再重新加载，具有和原材料不同的性质，材料的强度提高了。但是断裂后的残余变形比原来降低了。这种常温下经塑性变形后，材料强度提高，塑性降低的现象称为冷作硬化。当荷载达到最大值Rm后，试样的某一部位截面开始急剧缩小致使载荷下降,至到断裂。 [试验设备与仪器] 1.1试验中需要测得： （1）连续测量加载过程中的载荷R和试样上某段的伸长量（Lu-Lo）数据。（有万能材料试验机给出应力-应变曲线） （2）两个个直接测量量：试样标距的长度 L o；直径 d。 1.2试样标距长度与直径精度：由于两者为直接测量量，工具为游标卡尺，最高精度为 0.02mm。 1.3检测工具：万能材料试验机 WDW-200D。载荷传感器，0.5级。引伸计，0.5级。 注1：应力值并非试验机直接给出，由载荷传感器直接测量施加的载荷值，进而转化成工程应力，0.5级，即精确至载荷传感器满量程的1/500。 注2：连续测试试样上某段的伸长量由引伸计完成，0.5级，即至引伸计满量程的1/50。
材料力学实验报告
青岛黄海学院实验指导书 课程名称：材料力学 课程编码： 04115003 主撰人：吕婧 青岛黄海学院
目录 实验一拉、压实验 (1) 实验二扭转实验 (6) 实验三材料弹性模量E和泊松比μ的测定 (8) 实验四纯弯曲梁的正应力实验 (12)
实验一低碳钢拉伸实验 一、实验目的要求： （一）目的 σ、延伸率δ,截面收缩率ψ。 1．测定低碳钢的屈服极限σS,强度极限 b σ,观察上述两种材料的拉伸和破坏现象,绘制拉伸时2．测定铸铁的强度极限 b 的P-l?曲线。 （二）要求 1．复习讲课中有关材料拉伸时力学性能的内容;阅读本次实验内容和实设备中介绍万能试验机的构造原理、操作方法、注意事项,以及有关千分表和卡尺的使用方法。 2．预习时思考下列问题:本次实验的内容和目的是什么?低碳钢在拉伸过程中可分哪几个阶段,各阶段有何特征?试验前、试验中、试验后需要测量和记录哪些数据?使用液压式万能试验机有哪些注意事项? 二、实验设备和工具 1．万能实验 2．千分尺和游标卡尺。 3．低碳钢和铸铁圆形截面试件。 三、实验性质： 验证性实验 四、实验步骤和内容： （一）步骤 1．取表距L =100mm.画线 2．取上,中,下三点,沿垂直方向测量直径.取平均值
3．实验机指针调零. 4．缓慢加载,读出 s P .b P .观察屈服及颈缩现象,观察是否出现滑移线. 5．测量低碳钢断裂后标距长度1l ,颈缩处最小直径1d （二）实验内容： 1．低碳钢试件 (1)试件 (2)计算结果 屈服荷载 s P =22.1KN 极限荷载 b P =33.2KN 屈服极限 s σ=s P /0A =273.8MPa 强度极限 b σ=b P /0A =411.3MPa 延伸率 δ=(1l -0l )/0l *100%=33.24% 截面收缩率ψ=(0A -1A )/0A *100%=68.40% (3)绘制低碳钢P~ l ? 曲线
材 料 力 学 性 能 实 验 报 告.
材料 学性能实院系：材料学院姓名：王丽朦学号：200767027 验报力告 实验目的： 通过拉伸试验掌握测量屈服强度，断裂强度，试样伸长率，界面收缩率的方法；通过缺口拉伸试验来测试缺口对工件性能的相关影响； 通过冲击试验来测量材料的冲击韧性； 综合各项试验结果，来分析工件的各项性能； 通过本实验来验证材料力学性能课程中的相关结论，同时巩固知识点，进一步深刻理解相关知识； 实验原理： 1)屈服强度 金属材料拉伸试验时产生的屈服现象是其开始产生宏观的塑性变形的一种标志。弹性变形阶段向塑性变形阶段的过渡，表现在试验过程中的现象为，外力不增加即保持恒定试样仍能继续伸长，或外力增加到某一数值是突然下降，随后，在外力不增加或上下波动情况下，试样继续伸长变形，这便是屈服现象。呈现屈服现象的金属材料拉伸时，试样在外力不增加仍能继续伸长时的应力称为屈服点，记作σs； 屈服现象与三个因素有关：(1)材料变形前可动位错密度很小或虽有大量位错但被钉扎住，如钢中的位错为杂质原子或第二相质点所钉扎；(2)随塑性变形发生，位错快速增殖；(3)位错运动速率与外加应力有强烈的依存关系。影响屈服强度的因素有很多，大致可分为内因和外因。 内因包括：金属本性及晶格类型的影响；晶界大小和亚结构的影响；还有溶质元素和第二相的影响等等。通过对内因的分析可表征，金属微量塑性变形抗力的屈服强度是一个对成分、组织极为敏感的力学性能指标，受许多内在因素的影响，改变合金成分或热处理工艺都可使屈服强度产生明显变化。 外因包括：温度、应变速率和应力状态等等。总之，金属材料的屈服强度即受各种内在因素的影响，又因外在条件不同而变化，因而可以根据人们的要求予以改变，这在机件设计、选材、拟订加工工艺和使用时都必须考虑到。 2)缺口效应 由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的“缺口效应”，从而影响金属材料的力学性能。 缺口的第一个效应是引起应力集中，并改变了缺口前方的应力状态，使缺口试样或机件所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或三向应力状态，也就是出现了σx（平面应力状态）或σy与σz（平面应变状态），这要视板厚或直径而定。
钢材的物理力学性能和机械性能表
钢材的物理力学性能和机械性能表 钢材的主要机械性能(也叫力学性能)通常是指钢材在标准条件下均匀拉伸.冷弯和冲击等. 单独作用下所显示的各种机械性能。钢材通常有五大主要的机械性能指标：通过一次拉伸试验可得到抗拉强度，伸长率和屈服点三项基本性能； 通过冷弯试验可得到钢材的冷弯性能； 通过冲击韧性试验可得到冲击韧性。 1.屈服点(σs) 钢材或试样在拉伸时，当应力超过弹性极限，即使应力不再增加，而钢材或试样仍继续发生明显的塑性变形，称此现象为屈服，而产生屈服现象时的最小应力值即为屈服点。 设Ps为屈服点s处的外力，Fo为试样断面积，则屈服点σs =Ps/Fo(MPa)，MPa称为兆帕等于N(牛顿)/mm2，(MPa=106Pa，Pa：帕斯卡=N/m2) 2.屈服强度(σ0.2) 有的金属材料的屈服点极不明显，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值(一般为原长度的0.2%)时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2 。 3.抗拉强度(σb) 材料在拉伸过程中，从开始到发生断裂时所达到的最大应力值。它表示钢材抵抗断裂的能力大小。与抗拉强度相应的还有抗压强度、抗弯强度等。 设Pb为材料被拉断前达到的最大拉力，Fo为试样截面面积，则抗拉强度σb= Pb/Fo (MPa)。
4.伸长率(δs) 材料在拉断后，其塑性伸长的长度与原试样长度的百分比叫伸长率或延伸率。 5.屈强比(σs/σb) 钢材的屈服点(屈服强度)与抗拉强度的比值，称为屈强比。屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为 0.65-0.75合金结构钢为0.84-0.86。 6.硬度 硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 ⑴布氏硬度(HB) 以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面，保持一段时间，去载后，负荷与其压痕面积之比值，即为布氏硬度值(HB)，单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。 ⑵洛氏硬度(HR) 当HB>450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示： HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。 HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材
材料力学实验资料——电测法
实验三 扭转实验 一、实验目的 1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标：扭转屈服应力s τ和抗扭强度b τ。 2.测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：抗扭强度b τ。 3.绘制低碳钢和灰铸铁的扭转图，比较低碳钢和灰铸铁的扭转破坏形式。 二、实验设备和仪器 1.扭转试验机 2.游标卡尺 三、实验试样 按冶金部标准采用圆形截面试件，两端成扁圆形。如图1所示。 图1 扭转试件图 圆形截面试样的直径mm 10=d ，标距d l 5=或d l 10=，平行部分的长度为mm 20+l 。若采用其它直径的试样，其平行部分的长度应为标距加上两倍直径。试样头部的形状和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹持。 由于扭转试验时，试样表面的切应力最大，试样表面的缺陷将敏感地影响试验结果，所以，对扭转试样的表面粗糙度的要求要比拉伸试样的高。对扭转试样的加工技术要求参见国家标准GB10128—88。 四、实验原理与方法 1.测定低碳钢扭转时的强度性能指标 试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。随着外力偶矩的增加，测矩盘上的指针会出现停顿，这时指针所指示的外力偶矩的数值即为屈服力偶矩es M ，低碳钢的扭转屈服应力为
p es s 43W M = τ （１） 式中：16/3p d W π=为试样在标距内的抗扭截面系数。 在测出屈服扭矩s T 后，改用电动加载，直到试样被扭断为止。测矩盘上的从动指针所指示的外力偶矩数值即为最大力偶矩eb M ，低碳钢的抗扭强度为 p eb b 43W M =τ （２） 对上述两公式的来源说明如下： 低碳钢试样在扭转变形过程中，利用扭转试验机上的自动绘图装置绘出的?-e M 图如图12所示。当达到图中A 点时，e M 与?成正比的关系开始破坏，这时，试样表面处的切应力达到了材料的扭转屈服应力s τ，如能测得此时相应的外力偶矩ep M ，如图13a 所示，则扭转屈服应力为 p ep s W M = τ （３） 经过A 点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图2b 所示。若材料的塑性很好，且当塑性区扩展到接近中心时，横截面周边上各点的切应力仍未超过扭转屈服应力，此时的切应力分布可简化成图2c 所示的情况，对应的扭矩s T 为 图1 低碳钢的扭转图 s s s （a ） （b ） （c ） 图2 低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布 （a ）p T T =；（b ）s p T T T <<；（c ）s T T = s p s 3 d/2 2 s d/2 0 s s 3 4 12 d 2d 2ττπρρπτρπρρτW d T == ==? ? 由于es s M T =，因此，由上式可以得到
材料力学性能实验报告
大连理工大学实验报告 学院（系）：材料科学与工程学院专业：材料成型及控制工程班级：材0701姓名：学号：组：___ 指导教师签字：成绩： 实验一金属拉伸实验 Metal Tensile Test 一、实验目的Experiment Objective 1、掌握金属拉伸性能指标屈服点σS，抗拉强度σb，延伸率δ和断面收缩率 φ的测定方法。 2、掌握金属材料屈服强度σ0.2的测定方法。 3、了解碳钢拉伸曲线的含碳量与其强度、塑性间的关系。 4、简单了解万能实验拉伸机的构造及使用方法。 二、实验概述Experiment Summary 金属拉伸实验是检验金属材料力学性能普遍采用的极为重要的方法之一，是用来检测金属材料的强度和塑性指标的。此种方法就是将具有一定尺寸和形状的金属光滑试样夹持在拉力实验机上，温度、应力状态和加载速率确定的条件下，对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。通过拉伸实验可以解释金属材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即过量弹性变形，塑性变形和断裂。在实验过程中，试样发生屈服和条件屈服时，以及试样所能承受的最大载荷除以试样的原始横截面积，求的该材料的屈服点σS，屈服强度σ0.2和强度极限σb。用试样断后的标距增长量及断处横截面积的缩减量，分别除以试样的原始标距长度，及试样的原始横截面积，求得该材料的延伸率δ和断面收缩率φ。 三、实验用设备The Equipment of Experiment 拉力实验的主要设备为拉力实验机和测量试样尺寸用的游标卡尺，拉力
实验机主要有机械式和液压式两种，该实验所用设备原东德WPM—30T液压式万能材料实验机。液压式万能实验机是最常用的一种实验机。它不仅能作拉伸试验，而且可进行压缩、剪切及弯曲实验。 （一）加载部分The Part of Applied load 这是对试样施加载荷的机构，它利用一定的动力和传动装置迫使试样产生变形，使试样受到力或能量的作用。其加载方式是液压式的。在机座上装有两根立柱，其上端有大横梁和工作油缸。油缸中的工作活塞支持着小横梁。小横梁和拉杆、工作台组成工作框架，随工作活塞生降。工作台上方装有承压板和弯曲支架，其下方为钳口座，内装夹持拉伸试样用的上夹头。下夹头安装在下钳口座中，下钳口座固定在升降丝杆上。 当电动机带动油泵工作时，通过送油阀手轮打开送油阀，油液便从油箱经油管和进入工作油缸，从而推动活塞连同工作框架一起上升。于是在工作台与大横梁之间就可进行压缩、弯曲等实验，在工作台与下夹头之间就进行拉伸实验。实验完毕后，关闭送油阀、旋转手轮打开回油阀，则工作油缸中的油液便经油管泄回油箱，工作台下降到原始位置。 （二）测力部分The Part of Measuring Force 加载时，油缸中的油液推动工作活塞的力与试样所承受的力随时处于平衡状态。如果用油管和将工作油缸和测力油缸连同，此油压便推动测力活塞，通过连杆框架使摆锤绕支点转动而抬起。同时，摆锤上方的推板便推动水平齿杆，使齿轮带动指针旋转。指针旋转的角度与油压亦即与试样所承受的载荷成正比，因此在测力度盘上便可读出试样受力的量值。 四、试样Sample 拉伸试样，通常加工成圆型或矩形截面试样，其平行长度L0等于5d或10d （前者为长试样，后者为短试样），本实验用短试样，即L0=5d。本实验所用的试样形状尺寸如图1—1所示。 图1－1圆柱形拉伸试样及尺寸
钢铁材料的分类、力学性能及热处理
钢铁材料的分类、力学性能及热处理 一、 分类及力学性能： 1． 碳素钢：按含碳量的多少可分为低碳钢（含碳量小于0.25％）、中碳钢（含碳量在0.25％～0.5％）和高碳钢（含碳量大于0.5％）。随着含碳量的增加，钢的机械强度提高，但使它的塑性和韧性下降。 （1） 普通碳素钢：它的化学成分不准确，因而不宜进行热处理。 普通碳素钢的牌号标记如Q235（国标），表示屈服点MPa S 235=σ。 （2） 优质碳素钢：力学性能优于普通碳素钢，采用适当的热处理 方法可以获得很高的内部机械强度和表面硬度。低碳钢塑性高，焊接性好，适用于冲压、焊接零件。采用渗碳淬火处理可提高零件表面硬度；中碳钢具有综合性能好的特点，它的机械强度、塑性和韧性均较好，可进行调质、表面淬火处理；高碳钢具有高的机械强度和良好的韧性和弹性，常制成弹性零件。优质碳素钢的牌号如15、35、45（国标），表示含碳量平均值各为0.15％、0.35％、0.45％。 2． 合金钢：合金钢是在优质碳素钢中加入某些合金元素而形成的。它具有良好的力学性能和热处理性能，随着所加合金元素的不同，还可获得不同的特殊性能。合金钢的牌号如35Mn2、40Cr （国标），表示含碳量平均值为0.35％和0.40％，而含合金元素
Mn2％及Cr 小于1.5％。 3． 铸钢：铸钢的含碳量一般在0.15％～0.60％范围内，含碳量较高，塑性很差，容易产生龟裂，故不能锻造。铸钢的强度显著高于铸铁，但铸造性则比较差，收缩率较大。铸钢的牌号如ZG500－270，前组数字表示抗拉强度MPa B 500=σ，后组数字表示屈服点MPa S 270=σ。 4． 铸铁：铸铁是含碳量大于2％的铁碳合金。铸铁因含碳量高，故它的抗拉强度、塑性和韧性都较差，不能锻造，焊接性能也差。但它有较高的抗压强度，良好的减摩性和切削性能，吸振性好，价格又较低廉。常用的铸铁有灰铸铁（如HT150，抗拉强度MPa B 150=σ）、可锻铸铁（如KT300－6，抗拉强度MPa B 300=σ，最低伸长率为6％）和球墨铸铁（如QT500－7，抗拉强度MPa B 500=σ，最低伸长率为7％）。 二、 材料热处理： 1． 退火：退火是将钢件加热到临界温度以上30～50℃，在热处理炉内保温一段时间，然后随炉冷却到室温止。退火的目的在于使钢的晶粒细化，消除内应力和降低硬度，改善切削性能，提高韧性和塑性，有利于焊接和碾压工艺。 2． 正火：正火是将钢件加热到临界温度以上30～80℃，保温一段时间，随后工件从炉内取出，在空气中冷却。由于正火的冷却速度比退火的快，故钢的强度和硬度比退火的高，但消除内应力不如退火的好。
材 料 力 学 实 验 报 告
材料力学实验报告 专业: 班级: 姓名: 济南大学土建学院力学实验室
2008年1月 试验报告须知 一、实验报告是实验者最后交出的成果，是实验资料的分析总结，应严肃认真地完成实验报告、认真填好实验目的、试验用材料、实验用器具，等内容。 二、要认真如实地填写试验数据，填写后的试验数据须经教师认可。 三、要严格按照实验步骤进行试验。试验报告应当数据完整，图表清晰整洁、字体清楚、美观。 四、报告中“思考习题”项空白不够用时，可自己用白纸书写贴入该栏。
目录 试验一拉伸试验 (4) 试验二压缩试验 (7) 试验三弹性模量E试验 (9) 试验四扭转试验 (12) 试验五纯弯曲梁正应力试验 (14) 试验六弯扭组合主应力试验 (17)
试验一常温下静载金属拉伸性能试验报告日期年月日姓名：同组人实验室温度℃教师签字成绩 一、实验目的 二、实验仪器设备 试验机名称型号 低碳钢选用量程 kN读数精度 kN 铸铁选用量程kN读数精度kN 量具名称读数精度 mm 三、原始数据记录
低 碳 钢 材 料 数 据 记 录 铸 铁 试 样 原 始 数 据 四、数据处理（计算结果保留到整数位） 1） 低碳钢拉伸 （ 1MPa=1 2 mm N ） 屈服极限 0A P S S = σ= 强度极限 0 A P b b = σ= 延伸率 () %1000 01?-= L L L δ=
截面收缩率 () () %100%1002 2 120 01?-= ?-=d d d A A A ψ= 2） 铸铁拉伸 强度极限 0 A P b b = σ= 低 碳 钢 材 料 计 算 结 果 五、简答下列问题 1、画出两种材料拉伸曲线图（P-△L ） 2、试比较低碳钢和铸铁拉伸时的力学性质。
金属材料力学性能实验报告
金属材料力学性能实验报告 姓名：班级：学号：成绩： 实验名称实验一金属材料静拉伸试验 实验设备1）电子拉伸材料试验机一台，型号HY-10080 2）位移传感器一个； 3）刻线机一台； 4）游标卡尺一把； 5）铝合金和20#钢。 试样示意图 图1 圆柱形拉伸标准试样示意图 试样宏观断口示意图 图2 铝合金试样常温拉伸断裂图和断口图 （和试样中轴线大约成45°角的纤维状断口，几乎没有颈缩，可以知道为切应力达到极限，发生韧性断裂）
图3 正火态20#钢常温拉伸断裂图和断口图 （可以明显看出，试样在拉断之后在断口附近产生颈缩。断口处可以看出有三个区域：1.试样中心的纤维区，表面有较大的起伏，有较大的塑性变形；2.放射区，表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹；3.剪切唇，轴线成45°角左右的倾斜断口） 原始数据记录 表1 正火态20#钢试样的初始直径测量数据（单位：mm ） 左 中 右 平均值 9.90 10.00 10.00 9.97 9.92 10.00 10.00 10.00 10.00 9.92 左 中 右 平均值 8.70 8.72 8.68 8.69 8.68 8.70 8.70 8.64 8.72 8.70 表2 时效铝合金试样的初始直径测量数据（单位：mm ） 两试样的初始标距为050 L mm 。 表3 铝合金拉断后标距测量数据记录（单位：mm ） AB BC AB+2BC 平均 12.32 23.16 58.64 58.79 24.02 17.46 58.94 测量20#钢拉断后的平均标距为u L =69.53 mm ，断口的直径平均值为u d =6.00 mm 。 测量得到铝合金拉断后的断面直径平均值为7.96mm 。
材力实验讲义B_---少学时和工程力学,2014-3-7
实验一材料在轴向拉伸、压缩和扭转时的 力学性能 预习要求： 1、预习教材中有关材料在拉伸、压缩、扭转时力学性能的内容； 2、预习本实验内容及微控电子万能试验机的原理和使用方法； 一、实验目的 σ，强1、观察低碳钢在拉伸时的各种现象，并测定低碳钢在拉伸时的屈服极限 s σ，延伸率δ和断面收缩率ψ； 度极限 b 2、观察铸铁在轴向拉伸时的各种现象； 3、观察低碳钢和铸铁在轴向压缩过程中的各种现象； 4、观察低碳钢和铸铁在扭转时的各种现象； 5、掌握微控电子万能试验机的操作方法。 二、实验设备与仪器 1、微控电子万能试验机； 2、扭转试验机； 3、50T微控电液伺服万能试验机； 4、游标卡尺。 三、试件 试验表明，试件的尺寸和形状对试验结果有影响。为了便于比较各种材料的机械性能，国家标准中对试件的尺寸和形状有统一规定。根据国家标准（GB6397—86），将金属拉伸比例试件的尺寸列表如下： d0=10mm，标距l0=100mm.。 本实验的压缩试件采用国家标准（GB7314-87）中规定的圆柱形试件h/d0=2,
d 0=15mm, h =30mm (图二)。 本实验的扭转试件按国家标准（GB6397-86）制做。 四、实验原理和方法 （一）低碳钢的拉伸试验 实验时，首先将试件安装在试验机的上、下夹头内，并在实验段的标记处安装引伸仪，以测量试验段的变形。然后开动试验机，缓慢加载，同时，与试验机相联的微机会自动绘制出载荷—变形曲线（F —?l 曲线，见图三）或应力—应变曲线（σ—ε曲线，见图四）。随着载荷的逐渐增大，材料呈现出不同的力学性能： 1、线性阶段 在拉伸的初始阶段，σ—ε 曲线为一直线，说明应力σ与应变ε成正比，即满足胡克定律。线性段的最高点称为材料的比例极限（σp ），线性段的直线斜率即为材料的弹性模量E 。 若在此阶段卸载，应力应变曲线会沿原曲线返回，载荷卸到零时，变形也完全消失。卸载后变形能完全消失的应力最大点称为材料的弹性极限（σe ）。一般对于钢等许多材料，其弹性极限与比例极限非常接近。 2、屈服阶段 超过比例极限之后，应力与应变不再成正比，当载荷增加到一定值时，应力几乎不变，只是在某一微小范围内上下波动，而应变却急剧增长，这种现象称为屈服。使材料发生屈服的应力称为屈服应力或屈服极限（σs ）。 图二 图一 ?l F 图三 σ σσσ图四
材料力学性能实验(2个)..
《材料力学性能》实验教学指导书 实验总学时：4 实验项目：1.准静态拉伸 2. 不同材料的冲击韧性 材料科学与工程学院实验中心 工程材料及机制基础实验室
实验一 准静态拉伸 一、实验目的 1．观察低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）在准静态拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化和颈缩等现象），并绘制拉伸图。 2．测定低碳钢的屈服极限σs ，强度极限σb ，断后延伸率δ和断面收缩率ψ。 3．测定铸铁的强度极限σb 。 4．比较低碳钢和铸铁的力学性能的特点及断口形貌。 二、概述 静载拉伸试验是最基本的、应用最广的材料力学性能试验。一方面，由静载拉伸试验测定的力学性能指标，可以作为工程设计、评定材料和优选工艺的依据，具有重要的工程实际意义。另一方面，静载拉伸试验可以揭示材料的基本力学行为规律，也是研究材料力学性能的基本试验方法。 静载拉伸试验，通常是在室温和轴向加载条件下进行的，其特点是试验机加载轴线与试样轴线重合，载荷缓慢施加。 在材料试验机上进行静拉伸试验，试样在负荷平稳增加下发生变形直至断裂，可得出一系列的强度指标（屈服强度s σ和抗拉强度b σ）和塑性指标（伸长率δ和断面收缩率ψ）。通过试验机自动绘出试样在拉伸过程中的伸长和负荷之间的关系曲线，即P —Δl 曲线，习惯上称此曲线为试样的拉伸图。图1即为低碳钢的拉伸图。 试样拉伸过程中，开始试样伸长随载荷成比例地增加，保持直线关系。当载荷增加到一定值时，拉伸图上出现平台或锯齿状。这种在载荷不增加或减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫屈服，屈服阶段的最小载荷是屈服点载荷s P ，s P 除以试样原始横截面面积Ao 即得到屈服极限s σ： 0 s s A P =σ 试样屈服后，要使其继续发生变形，则要克服不断增长的抗力，这是由于金属材料在塑性变形过程中不断发生的强化。这种随着塑性变形增大，变形抗力不断增加的现象叫做形变强化或加工硬化。由于形变强化的作用，这一阶段的变形主要是均匀塑性变形和弹性变形。当载荷达到最大值b P 后，试样的某一部位截面积开始急剧缩小，出现“缩颈”现象，此后的变形主要集中在缩颈附近，直至达到P b 试样拉断。P b 除以试样原始横截面面积A 0即得到