碳钢与铸铁的拉伸、压缩实验
一、目的
1、测定碳钢在拉伸时的屈服极限ζS，强度极限ζb，延伸率δ和断面收缩率Ψ，测
定铸铁拉伸时的强度极限ζb。
2、观察碳钢、铸铁在拉伸过程中的变形规律及破坏现象，并进行比较，使用绘图装
置绘制拉伸图（P-ΔL曲线）。
3、测定压缩时低碳钢的屈服极限ζS。和铸铁的强度极限ζb。
4、观察低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏现象，并进行比较。
5、掌握电子万能试验机的原理及操作方法
6、了解液压万能试验机的工作原理及操作方法。
二、设备
微机控制电子万能材料试验机、液压式万能材料试验机、游标卡尺。
三、拉伸试祥
1. 为使各种材料机械性质的数值能互相比较，避免试件的尺寸和形状对试验结果的
影响，对试件的尺寸形状GB6397-86作了统一规定，如图2-3所示：
图2-3
用于测量拉伸变形的试件中段长度（标距L0）与试件直径d。必零满足L0／d0=10或5，
其延伸率分别记做和δ10和δ5
2、压缩试样：低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试件一般做成很短的圆柱形，避免
压弯，一般规定试件高度h直径d的比值在下列范围之内：
1≤h
d≤3
为了保证试件承受轴向压力，加工时应使试件两个端面尽可能平行，并与试件轴线垂直，
为了减少两端面与试验机承垫之间的摩擦力，试件两端面应进行磨削加工，使其光滑。
四、实验原理
图2-4为试验机绘出的碳钢拉伸P-△L曲线图，拉
伸变形ΔL是整个试件的伸长，并且包括机器本身的弹
性变形和试件头部在夹头中的滑动，故绘出的曲线图最
初一段是曲线，流动阶段上限B‘受变形速度和试件形式
影响，下屈服点B则比较稳定，工程上均以B点对应的
载荷作为材料屈服时的载荷PS，以试样的初始横截面积
A0除PS，即得屈服极限： 图2-4
SPsA0 （2.1）
屈服阶段过后，进入强化阶段，试样又恢复了承载能力，载荷到达最大值Pb，时，试
样某一局部的截面明显缩小，出现“颈缩”现象，这时示力盘的从动针停留在Pb不动，主
动针则迅速倒退表明载荷迅速下降，试样即将被拉断。以试样的初始横截面面积A。除Pb
得强度极限为
b
PbA0 （2.2）
延伸率δ及断面收缩率φ的测定，试样的标距原长为L0拉断后将两段试样紧密地对接
在一起，量出拉断后的标距长为L1延伸率应为
l10
l0100% （2.3）
断口附近塑性变形最大，所以L1的量取与断口的部位有关，如断口发生于Lο的两端或
在Lο之外，则试验无效，应重做，若断口距L。的一端的距离不在标距长度的中央1
3区域
内，要采用断口移中的办法；以度量试件位断后的标距，设两标点CC1之间共有10格，断
口靠近左段，如图2-5，从临近断口的第一刻线d起，向右取10／2＝5格，记作a，这就相
当于把断口摆在标距中央，再看a点到C1点有多少格，就由a点向左取相同的格数，记作b，
令Lˊ表示C至b的长度，L’表示b至a的长度，则L′＋2L‘′的长度中包含的格数等于
标距长度内的格数10，即L′＋2L′=L1。 ‘
图2-5
试样拉断后，设颈缩处的最小横截面面积为A1，由于断口不是规则的圆形，应在两个
相互垂直的方向上量取最小截面的直径，以其平均值计算A1，然后按下式计算断面收缩率：
01
0100% （2.4）
铸铁试件在变形极小时，就达到最大载荷Pb而突然发生断裂。没有屈服和颈缩现象，其强度极限远小于低碳钢的强度极限。
图2-6为低碳钢试件的压缩图，在弹性阶段和屈服阶段，它与拉伸时的形状基本上是一致的，而且s也基本相同，所以说，低碳钢材料在压缩时的E和s都与拉伸时大致相同，
低碳钢的塑性好，由于泊松效应，试件越压越粗，不会破坏，横向膨胀在试件两端受到试件与承垫之间巨大摩擦力的约束，试件被压成鼓形，进一步压缩，会压成圆饼状，低碳钢试件压不坏，所以没有强度极限。
图2-6 图2-7
图2-7为铸铁试件压缩图，P-ΔL比同材料的拉伸图要高4-5倍，当达到最大载荷b时铸铁试件会突然破裂，断裂面法线与试件轴线大致成450～550的倾角。这表面，铸铁压缩破坏主要是由剪应力引起的。
五、实验步骤
拉伸试验步骤：
1、试件准备
（1）测量试样尺寸 测定试样初始横截面面积Aο时，在标距Lο的两端及中部三个位置上，沿两个互相垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算各横截面面积，取三个横截面面积中的最小值为Aο。
2、试验机准备
使用电子万能试验机时
（1）检查试验机的夹具是否安装好，各种限位是否在实验状态下就位；
（2）启动试验机的动力电源及计算机的电源；
（3）调出试验机的操作软件，按提示逐步进行操作；
（4）安装试件。安装时仅将试件上端夹紧，下端悬空，然后再试件上夹持引伸计；
（5）启动下降按钮将试件移下，停止安装好试件，进行调零，回到试验初始状态；
（6）根据实验设定，启动实验开关进行加载，注意观察试验中的试件及计算机上的曲线变化；
（7）实验完成，保存记录数据，打印实验数据报告；
（8）试件破坏后（非破坏性试验应先卸载），断开控制器并关闭，关闭动力系统及计算机系统，清理还原。
使用液压万能试验机时
（1）调整试验机 按2-1的要求调整检查万能材料试验机，根据Pb＝ζb×Α。估计试件的最大载Pb，按最大载荷数值为度盘测力范围的40％-80％的标准来选择度盘和与其相匹配的摆锤，并调整示力指针为零。
（2）安装试样 先将试件安装在试验机上夹头内，再移动下夹头使之达到适当位置，须注意使试样垂直，并把试样下端夹紧。
（3）检查及预拉 请教师检查以上实验步骤完成情况。开动试验机，并使自动绘图器工作。预加少量载荷（勿使应力超过比例极限），然后卸载接近零点，以检查试验机是否处于正常状态。
（4）进行试验
①打开送油阀，用慢速加载，缓慢而均匀地使试件产生变形，注意观察测力指针的转动、自动绘图的情况和相应的试验现象，以测力指针停止转动的载荷或指针多次回转时，第一次回转后的最小载荷作为屈服点载荷Ps，并注意观察是否出现滑移线。 ②屈服后在强化阶段任一点处，停止加载，然后卸载，再重新加载，以观察冷作硬化现象。
③继续加载直至试件断裂。在断裂前注意观察颈缩现象。此时拉力达到最大载荷，测力指针开始回转，而副针停留位置的读数，即最大载荷Pb，试件断裂后停机，取下试件。
铸铁试验只要记下最大载荷及绘出拉伸图。
④取下自动绘图仪所绘的拉伸曲线图纸，以便写实验报告时参考。
（5）试验结束
打开回油阀，将载荷卸掉，清理实验现场。
压缩试验步骤：
1、测量试样尺寸， 测量试样两端及中间等三处截面的直径，取三处中最小一处的平均直径d0作为计算原截面积0之用。
2、调整试验机，选择测力度盘，调整指针对准零点，并调整自动绘图器。电子万能试验机按软件操作指南步骤进行。
3、安装试样，将试样两端面涂上润滑油，然后准确地放在试验机活动台支承垫的中心上。
4、检查及试车
液压试验机试车时将试验机活动台上升，试件亦随之上升，当试件上端面接近承垫时应减慢活动台上升速度，避免突然接触引起剧烈加载，当试件与上承垫刚接触时，将自动绘图笔调整好，使它处于工作状态，用慢速预加少量载荷。然后卸载近零点，以检查试验机工作是否正常。
5、进行试验
对于抵碳钢试件，缓慢而均匀地加载，注意观察测力指针的转动情况和绘图纸上所描的曲线，以便及时而正确地读出屈服载荷S，并把它记录下来，算出屈服极限S
SPSA0 （2.5）
对于铸铁试件，缓慢而均匀地加载，同时使用自动绘图装置绘出P-L曲线，直到试件破裂为止，记下破坏载荷Pb，并算出强度极限b：
bPb0 （2.6）
6、结束工作
打开回油间，将载荷卸掉，取下试件，使试验机复原。
六、注意事项
1、试验时，必须严格遵守试验机的操作规程，液压试验机工作台升降电机只能用于升降工作台，不能用于加荷。
2、电子万能试验机的试验程序设定后，不能随意改动。在实验过程中操作软件一定要按部就班，以免产生误操作，损坏试验机。
3、压缩试件要尽量放在压板中心，以免载荷偏心。
4、如果在试验过程中，由于某种特殊或意外的原因，液压试验机油泵突然停止工作，此时应将负荷卸掉使油压降低。检查后，重新开动油泵进行试验，不应在高压下起动，以
免发生意外损坏。
七、实验报告
试验结果应以表格或图线的形式表达，并附以必要的文字说明，包括下列内容： ①料力学性能指标：ζS、ζb、δ、Ψ的计算。
②将P-ΔL实验曲线转换成ζ-ε曲线，将上述机械性能指标标注在曲线上，要有数值和单位。
③画出试件断口形状图。
④比较两种材料的机械性能特点，并分析其破坏原因。
八、预习及思考讨论题
预习本节及§2-1，并回答以下思考题。
（1）参考试验机自动绘图仪绘出的拉伸图，分析从试件加力至断裂的过程可分为哪几个阶段?
相应于每一阶段的拉伸曲线的特点和物理意义是什么？
（2）ζS和ζb是不是试件在屈服和断裂时的真实应力？为什么？
（3）由拉伸试验测定的材料机械性质在工程上有何实用价值？
（4）试验时如何观察碳钢的屈服极限？
（5）WE-30液压试验机上的两个马达各有何用途？能否用工作台升降电机对试件加载？
（6）拉伸和压缩时,低碳钢的屈服点是否相同，铸铁的强度极限是否相同？
（7）压缩试件为什么要做成短而粗的圆柱形，长了会有什么影响？
（8）铸铁试件压缩破坏时断裂面法线与试件轴线夹角约成多少？为什么？
碳钢与铸铁的拉伸、压缩实验
一、目的
1、测定碳钢在拉伸时的屈服极限ζS，强度极限ζb，延伸率δ和断面收缩率Ψ，测
定铸铁拉伸时的强度极限ζb。
2、观察碳钢、铸铁在拉伸过程中的变形规律及破坏现象，并进行比较，使用绘图装
置绘制拉伸图（P-ΔL曲线）。
3、测定压缩时低碳钢的屈服极限ζS。和铸铁的强度极限ζb。
4、观察低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏现象，并进行比较。
5、掌握电子万能试验机的原理及操作方法
6、了解液压万能试验机的工作原理及操作方法。
二、设备
微机控制电子万能材料试验机、液压式万能材料试验机、游标卡尺。
三、拉伸试祥
1. 为使各种材料机械性质的数值能互相比较，避免试件的尺寸和形状对试验结果的
影响，对试件的尺寸形状GB6397-86作了统一规定，如图2-3所示：
图2-3
用于测量拉伸变形的试件中段长度（标距L0）与试件直径d。必零满足L0／d0=10或5，
其延伸率分别记做和δ10和δ5
2、压缩试样：低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试件一般做成很短的圆柱形，避免
压弯，一般规定试件高度h直径d的比值在下列范围之内：
1≤h
d≤3
为了保证试件承受轴向压力，加工时应使试件两个端面尽可能平行，并与试件轴线垂直，
为了减少两端面与试验机承垫之间的摩擦力，试件两端面应进行磨削加工，使其光滑。
四、实验原理
图2-4为试验机绘出的碳钢拉伸P-△L曲线图，拉
伸变形ΔL是整个试件的伸长，并且包括机器本身的弹
性变形和试件头部在夹头中的滑动，故绘出的曲线图最
初一段是曲线，流动阶段上限B‘受变形速度和试件形式
影响，下屈服点B则比较稳定，工程上均以B点对应的
载荷作为材料屈服时的载荷PS，以试样的初始横截面积
A0除PS，即得屈服极限： 图2-4
SPsA0 （2.1）
屈服阶段过后，进入强化阶段，试样又恢复了承载能力，载荷到达最大值Pb，时，试
样某一局部的截面明显缩小，出现“颈缩”现象，这时示力盘的从动针停留在Pb不动，主
动针则迅速倒退表明载荷迅速下降，试样即将被拉断。以试样的初始横截面面积A。除Pb
得强度极限为
b
PbA0 （2.2）
延伸率δ及断面收缩率φ的测定，试样的标距原长为L0拉断后将两段试样紧密地对接
在一起，量出拉断后的标距长为L1延伸率应为
l10
l0100% （2.3）
断口附近塑性变形最大，所以L1的量取与断口的部位有关，如断口发生于Lο的两端或
在Lο之外，则试验无效，应重做，若断口距L。的一端的距离不在标距长度的中央1
3区域
内，要采用断口移中的办法；以度量试件位断后的标距，设两标点CC1之间共有10格，断
口靠近左段，如图2-5，从临近断口的第一刻线d起，向右取10／2＝5格，记作a，这就相
当于把断口摆在标距中央，再看a点到C1点有多少格，就由a点向左取相同的格数，记作b，
令Lˊ表示C至b的长度，L’表示b至a的长度，则L′＋2L‘′的长度中包含的格数等于
标距长度内的格数10，即L′＋2L′=L1。 ‘
图2-5
试样拉断后，设颈缩处的最小横截面面积为A1，由于断口不是规则的圆形，应在两个
相互垂直的方向上量取最小截面的直径，以其平均值计算A1，然后按下式计算断面收缩率：
01
0100% （2.4）
铸铁试件在变形极小时，就达到最大载荷Pb而突然发生断裂。没有屈服和颈缩现象，其强度极限远小于低碳钢的强度极限。
图2-6为低碳钢试件的压缩图，在弹性阶段和屈服阶段，它与拉伸时的形状基本上是一致的，而且s也基本相同，所以说，低碳钢材料在压缩时的E和s都与拉伸时大致相同，
低碳钢的塑性好，由于泊松效应，试件越压越粗，不会破坏，横向膨胀在试件两端受到试件与承垫之间巨大摩擦力的约束，试件被压成鼓形，进一步压缩，会压成圆饼状，低碳钢试件压不坏，所以没有强度极限。
图2-6 图2-7
图2-7为铸铁试件压缩图，P-ΔL比同材料的拉伸图要高4-5倍，当达到最大载荷b时铸铁试件会突然破裂，断裂面法线与试件轴线大致成450～550的倾角。这表面，铸铁压缩破坏主要是由剪应力引起的。
五、实验步骤
拉伸试验步骤：
1、试件准备
（1）测量试样尺寸 测定试样初始横截面面积Aο时，在标距Lο的两端及中部三个位置上，沿两个互相垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算各横截面面积，取三个横截面面积中的最小值为Aο。
2、试验机准备
使用电子万能试验机时
（1）检查试验机的夹具是否安装好，各种限位是否在实验状态下就位；
（2）启动试验机的动力电源及计算机的电源；
（3）调出试验机的操作软件，按提示逐步进行操作；
（4）安装试件。安装时仅将试件上端夹紧，下端悬空，然后再试件上夹持引伸计；
（5）启动下降按钮将试件移下，停止安装好试件，进行调零，回到试验初始状态；
（6）根据实验设定，启动实验开关进行加载，注意观察试验中的试件及计算机上的曲线变化；
（7）实验完成，保存记录数据，打印实验数据报告；
（8）试件破坏后（非破坏性试验应先卸载），断开控制器并关闭，关闭动力系统及计算机系统，清理还原。
使用液压万能试验机时
（1）调整试验机 按2-1的要求调整检查万能材料试验机，根据Pb＝ζb×Α。估计试件的最大载Pb，按最大载荷数值为度盘测力范围的40％-80％的标准来选择度盘和与其相匹配的摆锤，并调整示力指针为零。
（2）安装试样 先将试件安装在试验机上夹头内，再移动下夹头使之达到适当位置，须注意使试样垂直，并把试样下端夹紧。
（3）检查及预拉 请教师检查以上实验步骤完成情况。开动试验机，并使自动绘图器工作。预加少量载荷（勿使应力超过比例极限），然后卸载接近零点，以检查试验机是否处于正常状态。
（4）进行试验
①打开送油阀，用慢速加载，缓慢而均匀地使试件产生变形，注意观察测力指针的转动、自动绘图的情况和相应的试验现象，以测力指针停止转动的载荷或指针多次回转时，第一次回转后的最小载荷作为屈服点载荷Ps，并注意观察是否出现滑移线。 ②屈服后在强化阶段任一点处，停止加载，然后卸载，再重新加载，以观察冷作硬化现象。
③继续加载直至试件断裂。在断裂前注意观察颈缩现象。此时拉力达到最大载荷，测力指针开始回转，而副针停留位置的读数，即最大载荷Pb，试件断裂后停机，取下试件。
铸铁试验只要记下最大载荷及绘出拉伸图。
④取下自动绘图仪所绘的拉伸曲线图纸，以便写实验报告时参考。
（5）试验结束
打开回油阀，将载荷卸掉，清理实验现场。
压缩试验步骤：
1、测量试样尺寸， 测量试样两端及中间等三处截面的直径，取三处中最小一处的平均直径d0作为计算原截面积0之用。
2、调整试验机，选择测力度盘，调整指针对准零点，并调整自动绘图器。电子万能试验机按软件操作指南步骤进行。
3、安装试样，将试样两端面涂上润滑油，然后准确地放在试验机活动台支承垫的中心上。
4、检查及试车
液压试验机试车时将试验机活动台上升，试件亦随之上升，当试件上端面接近承垫时应减慢活动台上升速度，避免突然接触引起剧烈加载，当试件与上承垫刚接触时，将自动绘图笔调整好，使它处于工作状态，用慢速预加少量载荷。然后卸载近零点，以检查试验机工作是否正常。
5、进行试验
对于抵碳钢试件，缓慢而均匀地加载，注意观察测力指针的转动情况和绘图纸上所描的曲线，以便及时而正确地读出屈服载荷S，并把它记录下来，算出屈服极限S
SPSA0 （2.5）
对于铸铁试件，缓慢而均匀地加载，同时使用自动绘图装置绘出P-L曲线，直到试件破裂为止，记下破坏载荷Pb，并算出强度极限b：
bPb0 （2.6）
6、结束工作
打开回油间，将载荷卸掉，取下试件，使试验机复原。
六、注意事项
1、试验时，必须严格遵守试验机的操作规程，液压试验机工作台升降电机只能用于升降工作台，不能用于加荷。
2、电子万能试验机的试验程序设定后，不能随意改动。在实验过程中操作软件一定要按部就班，以免产生误操作，损坏试验机。
3、压缩试件要尽量放在压板中心，以免载荷偏心。
4、如果在试验过程中，由于某种特殊或意外的原因，液压试验机油泵突然停止工作，此时应将负荷卸掉使油压降低。检查后，重新开动油泵进行试验，不应在高压下起动，以
免发生意外损坏。
七、实验报告
试验结果应以表格或图线的形式表达，并附以必要的文字说明，包括下列内容： ①料力学性能指标：ζS、ζb、δ、Ψ的计算。
②将P-ΔL实验曲线转换成ζ-ε曲线，将上述机械性能指标标注在曲线上，要有数值和单位。
③画出试件断口形状图。
④比较两种材料的机械性能特点，并分析其破坏原因。
八、预习及思考讨论题
预习本节及§2-1，并回答以下思考题。
（1）参考试验机自动绘图仪绘出的拉伸图，分析从试件加力至断裂的过程可分为哪几个阶段?
相应于每一阶段的拉伸曲线的特点和物理意义是什么？
（2）ζS和ζb是不是试件在屈服和断裂时的真实应力？为什么？
（3）由拉伸试验测定的材料机械性质在工程上有何实用价值？
（4）试验时如何观察碳钢的屈服极限？
（5）WE-30液压试验机上的两个马达各有何用途？能否用工作台升降电机对试件加载？
（6）拉伸和压缩时,低碳钢的屈服点是否相同，铸铁的强度极限是否相同？
（7）压缩试件为什么要做成短而粗的圆柱形，长了会有什么影响？
（8）铸铁试件压缩破坏时断裂面法线与试件轴线夹角约成多少？为什么？