实验三 金属材料的压缩实验
一、实验目的
1.测定压缩时低碳钢的屈服极限σs和铸铁的强度极限σb。
2.观察低碳钢和铸铁压缩时的变形破坏现象，并进行比较。
二、实验原理
压缩实验在万能试验机工作台上进行。在工作台上附有球形支座，如图3-1所示。在球形支座内涂有润滑油，当试件上下端面稍有不平行时，球形支座可自动调节，使压力趋于均匀分布。
图3-1 压缩模具
1.低碳钢
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3-2所示。
图3-2 低碳钢压缩时的鼓胀效应
低碳钢试样压缩时同样存在弹性极限，屈服极限，而且数值和拉伸所得的数值差不多，但是屈服却不像拉伸那样明显。如图3-3所示。从进入屈服阶段开始，试样塑性变形就有较大的增长，试样截面面积随之增大。由于截面面积的增大，要维持屈服时的应力，载荷要相应增大。与拉伸曲线相比，载荷也是上升的，但看不到锯齿段。在缓慢均匀加载下，当材料发生屈服时，载荷增长缓慢，这时所对应的载荷即为屈服载荷Fs（此值要结合自动绘图绘出的压缩曲线中的拐点判定）。
图3-3 低碳钢的压缩曲线
则低碳钢的屈服极限σs由公式（3-1）得出：
（3-1）
式中，Fs为屈服载荷，N；A0为试样的横截面积，mm2。
2.铸铁
铸铁试样压缩时，在达到最大载荷Pb前将会产生较大的塑性变形，最后沿与轴线成45°的断裂面破坏，如图3-4所示。
图3-4 铸铁的压缩曲线
则铸铁的强度极限σb由式（3-2）得出：
（3-2）
式中，Pb为屈服载荷，N；A0为试样的横截面积，mm2。
三、实验设备和材料
1.实验设备：300千牛顿液压万能试验机、游标卡尺。
2.实验材料：低碳钢、铸铁。压缩试件一般加工成圆柱形，如图3-5所示。h为试件高度，d为试件直径。为了使在相同实验条件下，对不同材料力学性能进行比较，金属材料压缩实验所用试件规定，高度h与直径d之比应满足1≤h/d≤3，为使试件尽可能承受轴向压力，试件上下端面必须平行，并且与轴线垂直。
图3-5 标准试样
四、实验内容与步骤
1.尺寸测量，数据记录于表3-1和表3-2中。
（1）用游标卡尺测量试件中截面两个互相垂直方向的直径各一次，取其平均值作为试件原始直径d的值。
（2）测量试件原始高度h的值一次。
表3-1 低碳钢σs的测试数据记录
表3-2 铸铁σb的测试数据记录
2.根据铸铁强度极限，估计破坏时最大载荷，选择合适的测力表盘和相应的配重盘。
3.调整实验机指针使其对准零点，将从动针与主动针靠拢。
4.将试件放在实验机台中心位置上，合上电源，关闭回油阀，打开送油阀，使工作台上升，当试件与压头靠近时，应减慢上升速度。
5.试件受力后，应缓慢均匀地加载，注意记录低碳钢的屈服载荷。铸铁试件压缩时试件断裂后，要先停机然后记录最大载荷。
6.打开回油阀，使工作台下降，取下试件，观察破坏情况。
五、实验报告
1.简述各项指标测试的原理及步骤。
2.按表3-1、表3-2认真完成数据记录。
3.根据记录及各项指标的定义计算得出各项指标。
六、问题与讨论
1.铸铁压缩试件的制备有什么要求？为什么？
2.描述铸铁压缩破坏断口形状，分析其破坏原因。
参考文献
李国安.材料力学性能实验指导.武汉：华中科技大学出版社，2002.