【知识目标】

1.观察低碳钢和铸铁在压缩过程中的变形及破坏现象,考察实际压缩过程是否满足均匀变形条件。

2.获得低碳钢和铸铁在准静态变形速率下的压缩载荷-变形曲线。

3.确定低碳钢的抗压屈服强度σs。

4.确定铸铁的抗压强度σb。

【技能目标】

1.能根据试样断口形貌结合理论知识,分析低碳钢和铸铁压缩破坏的原因。

2.能根据断口分析结果和压缩载荷-变形曲线,比较低碳钢与铸铁的力学性能。

3.能根据低碳钢和铸铁的力学性能,分析其适用工况,并能推而广之,总结出常见钢材的适用工况。

3.2.1　实验设备

①RGM-4300 型微机控制电子万能试验机。

②游标卡尺。

3.2.2　实验内容

①对低碳钢和铸铁试样进行压缩破坏实验,观察实验现象。

②计算低碳钢和铸铁的抗压强度指标。

③分析破坏的原因,比较低碳钢与铸铁的力学性能。

3.2.3　实验原理

低碳钢(铸铁)等金属材料的压缩试样一般制成如图3.4 所示的圆柱形。当试样承受压缩载荷时,其上下两端面与试验机支承垫之间产生很大的摩擦力,这些摩擦力阻碍试样上部及下部的横向变形(因此试样受压后变成鼓形)。若在试样两端面涂以润滑剂,就可减少摩擦力,试样的抗压能力将会有所降低。当试样的高度相对增加时,摩擦力对试样中部的影响将有所减小,因此,抗压能力与试样的高度h0 及直径d0 的比值h0/d0 有关,比值越大,低碳钢(铸铁)的强度极限就越小。由此可知,在相同的实验条件下,才能对不同材料的压缩性能进行比较。金属材料压缩破坏实验所用的试样一般规定为h0/d0=1~3。

图3.4　压缩试样

图3.5　球形支承垫

为了使试样尽量承受轴向压力,试样两端面必须完全平行,并且与试样轴线垂直。其端面还应光滑,以减小摩擦力对实验结果的影响。试验机附有球形支承垫(见图3.5),试验机球形支承垫位于试样下端面。当试样两端面稍有不平行时,球形支承垫可起调节作用,保证压力通过试样轴线。

实验时,微机控制电子万能试验机会实时显示低碳钢、铸铁压缩曲线,如图3.6(a)、(b)所示。在低碳钢压缩曲线中,开始出现变形增长较快的非线性小段时,即达到了屈服载荷Ps。但此时并不像拉伸那样有明显的屈服阶段。此后曲线继续上升(即载荷增长较快),这是因为随着塑性变形的增长,试样横截面面积也随之增大,而增大的面积能承受更大的载荷。从微观角度,缺陷带来的位错增殖、位错交割以及晶界对位错运动的拦阻等因素会导致硬化效应使变形变得困难。如图3.7(a)所示,低碳钢试样最后可压成饼状而不破裂,因此,无法测定其破坏载荷,从而无法求出抗压强度。

图3.6　低碳钢与铸铁的压缩载荷-变形曲线

铸铁试样压缩时,在达到最大载荷Pb 前会出现较小的塑性变形后才发生破裂(比铸铁拉伸时的塑性变形大得多)。如图3.7(b)所示,铸铁试样最后被压成鼓形,断面与横截面夹角为55°~60°。破坏主要由切应力引起,但由于实际压缩过程并非理想的单向压缩,与支承垫接触的试样上下端面承受了不可忽略的向心摩擦力,因此,出现最大切应力的截面不再与轴线成45°。

图3.7　低碳钢与铸铁试样压缩结果

3.2.4　实验步骤

(1)低碳钢压缩实验步骤

1)试样准备

用游标卡尺测量试样的直径d0。

2)试验机准备

选择万能试验机的下操作空间,并对载荷与位移数据清零。

3)安装试样

将低碳钢试样两端涂上润滑剂,然后准确地放在万能试验机球形支承垫的中心处。

4)检查及试车

检查活动横梁的上下限位点是否在正常位置;试车时,使活动横梁快速上升、下降;通过手动控制将活动横梁移动到压缩试样上方,略微留出一定的间隙。(www.daowen.com)

5)进行试验

设置合适的控制方案,并根据方案设置合适的压缩速率和逻辑条件。实验过程中,认真观察试样发生的变形现象和载荷-变形曲线的变化。

6)结束实验

用遥控器将上夹头上移移到合适位置取出试样。

(2)铸铁压缩实验步骤

1)试样准备

用游标卡尺测量试样的直径d0。

2)试验机准备

选择万能试验机的下操作空间,并对载荷与位移数据清零。

3)安装试样

将铸铁试样两端涂上润滑剂,然后准确地放在试样机球形支承垫的中心处。

4)检查及试车

检查活动横梁的上下限位点是否在正常位置;试车时,使活动横梁快速上升、下降;通过手动控制将活动横梁移动到压缩试样上方,略微留出一定的间隙。

5)进行试验

设置合适的控制方案,并根据方案设置合适的压缩速率和逻辑条件。实验过程中,认真观察试样发生的变形现象和载荷-变形曲线的变化。在观察铸铁压缩变形过程时,要注意保持距离,避免试样破裂时碎片飞出伤人。

6)结束实验

用遥控器将上夹头上移到合适位置取出试样。

3.2.5　实验结果的处理

①根据实验记录,计算低碳钢的屈服强度σs 为

②根据实验记录,计算铸铁的抗压强度σb 为

式中　A0——实验前试样的横截面面积,A0=。

3.2.6　注意事项

①实验前,务必明确实验目的与实验内容。熟悉操作步骤及有关的注意事项,如有不清楚的地方,要进行分析、讨论或询问老师。

②实验时,必须严格遵守所使用仪器设备的操作规程。

③试样安装要正确,防止偏斜或夹入部分过短。

④试样装夹好之前,要将计算机控制界面载荷、变形和小变形数据清零。

⑤实验中,如听到试验机有异声或发生故障,应立即停机(即关断电源),待排除故障后,再进行实验。

⑥试样加载需缓慢均匀,拉伸过程中速度变化不能过大。

⑦实验结束后,应清理实验设备,整理好所用的仪器及工具。

3.2.7　思考题

①比较低碳钢在拉伸与压缩加载下的力学性能。

②比较铸铁在拉伸与压缩加载下的力学性能。

③低碳钢拉伸时有Pb,压缩时测不出Pb,为什么说它是拉压等强度材料?为什么说铸铁是拉压不等强度材料?

④根据铸铁压缩破坏的形状,分析其破坏的原因。