實驗三　金屬材料的壓縮實驗

一、實驗?zāi)康?/h3>

1.測定壓縮時低碳鋼的屈服極限σ_s和鑄鐵的強度極限σ_b。

2.觀察低碳鋼和鑄鐵壓縮時的變形破壞現(xiàn)象，并進行比較。

二、實驗原理

壓縮實驗在萬能試驗機工作臺上進行。在工作臺上附有球形支座，如圖3-1所示。在球形支座內(nèi)涂有潤滑油，當(dāng)試件上下端面稍有不平行時，球形支座可自動調(diào)節(jié)，使壓力趨于均勻分布。

1.低碳鋼

以低碳鋼為代表的塑性材料，軸向壓縮時會產(chǎn)生很大的橫向變形，但由于試樣兩端面與試驗機支承墊板間存在摩擦力，約束了這種橫向變形，故試樣出現(xiàn)顯著的鼓脹，如圖3-2所示。

低碳鋼試樣壓縮時同樣存在彈性極限，屈服極限，而且數(shù)值和拉伸所得的數(shù)值差不多，但是屈服卻不像拉伸那樣明顯。如圖3-3所示。從進入屈服階段開始，試樣塑性變形就有較大的增長，試樣截面面積隨之增大。由于截面面積的增大，要維持屈服時的應(yīng)力，載荷要相應(yīng)增大。與拉伸曲線相比，載荷也是上升的，但看不到鋸齒段。在緩慢均勻加載下，當(dāng)材料發(fā)生屈服時，載荷增長緩慢，這時所對應(yīng)的載荷即為屈服載荷F_s（此值要結(jié)合自動繪圖繪出的壓縮曲線中的拐點判定）。

則低碳鋼的屈服極限σ_s由公式（3-1）得出： 

　　（3-1）

式中，F_s為屈服載荷，N；A₀為試樣的橫截面積，mm²。

2.鑄鐵

鑄鐵試樣壓縮時，在達到最大載荷P_b前將會產(chǎn)生較大的塑性變形，最后沿與軸線成45°的斷裂面破壞，如圖3-4所示。

則鑄鐵的強度極限σ_b由式（3-2）得出： 

　　（3-2）

式中，P_b為屈服載荷，N；A₀為試樣的橫截面積，mm²。

三、實驗設(shè)備和材料

1.實驗設(shè)備：300千牛頓液壓萬能試驗機、游標(biāo)卡尺。

2.實驗材料：低碳鋼、鑄鐵。壓縮試件一般加工成圓柱形，如圖3-5所示。h為試件高度，d為試件直徑。為了使在相同實驗條件下，對不同材料力學(xué)性能進行比較，金屬材料壓縮實驗所用試件規(guī)定，高度h與直徑d之比應(yīng)滿足1≤h/d≤3，為使試件盡可能承受軸向壓力，試件上下端面必須平行，并且與軸線垂直。

四、實驗內(nèi)容與步驟

1.尺寸測量，數(shù)據(jù)記錄于表3-1和表3-2中。

（1）用游標(biāo)卡尺測量試件中截面兩個互相垂直方向的直徑各一次，取其平均值作為試件原始直徑d的值。

（2）測量試件原始高度h的值一次。

2.根據(jù)鑄鐵強度極限，估計破壞時最大載荷，選擇合適的測力表盤和相應(yīng)的配重盤。

3.調(diào)整實驗機指針使其對準(zhǔn)零點，將從動針與主動針靠攏。

4.將試件放在實驗機臺中心位置上，合上電源，關(guān)閉回油閥，打開送油閥，使工作臺上升，當(dāng)試件與壓頭靠近時，應(yīng)減慢上升速度。

5.試件受力后，應(yīng)緩慢均勻地加載，注意記錄低碳鋼的屈服載荷。鑄鐵試件壓縮時試件斷裂后，要先停機然后記錄最大載荷。

6.打開回油閥，使工作臺下降，取下試件，觀察破壞情況。

五、實驗報告

1.簡述各項指標(biāo)測試的原理及步驟。

2.按表3-1、表3-2認真完成數(shù)據(jù)記錄。

3.根據(jù)記錄及各項指標(biāo)的定義計算得出各項指標(biāo)。

六、問題與討論

1.鑄鐵壓縮試件的制備有什么要求？為什么？

2.描述鑄鐵壓縮破壞斷口形狀，分析其破壞原因。

參考文獻

李國安.材料力學(xué)性能實驗指導(dǎo).武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.