金属材料压缩剪切破坏实验演示

16.1 实验目的

（1）观察并比较低碳钢及铸铁试件压缩时的各种现象和破坏或失效情况。

（2）比较低碳钢（塑性材料）和铸铁（脆性材料）的压缩力学性能。

（3）观察低碳钢剪切破坏的情况。

16.2 实验设备

（1）万能材料试验机。

（2）游标卡尺。

（3）剪切器。

16.3 金属材料压缩实验

在工程中常用的金属材料中，某些塑性较好的材料受压与受拉时所表现出的强度、刚度和塑性等力学性能是大致相同的；某些脆性材料的抗压强度很高，抗拉强度却很低。为便于合理选用工程材料以及满足金属成型工艺的需要，测定材料受压时的力学性能是十分重要的。因此，压缩实验同拉伸实验一样，也是测定材料在常温、静载、单向受力下的力学性能的最常用、最基本的实验之一。

16.3.1 试样形状与尺寸

金属材料的压缩试件一般制成圆柱形。目前常用的压缩实验方法是两端平压法。对于这种压缩实验方法，当试件承受压缩时，上下两端面与实验机承台之间产生很大的摩擦力，这些摩擦力阻碍试件上、下部的横向变形，导致测得的抗压强度较实际偏高；当试样的高度相对增加时，摩擦力对试样中部的影响就变得小了，因此抗压强度与h/d比值有关。由此可见，压缩实验与实验条件有关。为了减少摩擦力的影响以避免试件发生弯曲，在相同的实验条件下，对不同材料的压缩性能进行比较，金属材料的压缩试件h/d的值是有规定的。

按照国标GB/T7314—2005《金属材料室温压缩试验方法》，金属材料的压缩试样多采用圆柱体，如图16.1所示。为了尽量使试样受轴向压力，加工试样时，必须有合理的加工工艺，以保证两端面平行，并与轴线垂直。

图16.1 圆柱体压缩试样

16.3.2 压缩力学性能的定义和符号

新国家标准GB/T7314—2005相对于旧国家标准GB/T7314—1987，金属材料的压缩力学性能在术语的定义上有一些变化。压缩屈服点代之以压缩屈服强度，增加了上压缩屈服强度和下压缩屈服强度。

在旧标准中，测定抗压强度比较简单，以压缩试验过程中的最大应力为准。新标准判定抗压强度对应的最大力时，不能完全照搬过去习惯的判定方法，而是按材料的性质分别对待。对于脆性材料，试样压至破坏过程的最大压缩应力；对于在压缩过程中不以破裂而失效的塑性材料，则抗压强度取决于规定应变和试样几何形状。国家标准GB/T7314—1987采用为σ作为强度性能的主符号，例如：压缩屈服强度σsc，抗压强度σbc。新国家标准GB/T 7314—2005采用R作为强度的主符号，具体新标准与旧标准的符号变化见表16.1。

表16.1 新旧标准符号的对比

16.3.3 金属材料的压缩曲线

低碳钢的压缩曲线如图16.2所示，可以看出在弹性阶段和屈服阶段，拉、压时的曲线重合。所以低碳钢试样压缩时的上压缩屈服强度、下压缩屈服强度、规定非比例压缩强度和压缩弹性模量与拉伸时的力学性能可以认为是相同的。

超过屈服之后，低碳钢试样由原来的圆柱形逐渐被压成鼓形。继续不断加压，试样将愈压愈扁，但不发生断裂，这是塑性好的材料在压缩时的特点，因而测不出低碳钢的抗压强度。低碳钢的压缩曲线也可证实这一点。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，故试样中间部分出现显著的鼓胀，如图16.3所示。由于低碳钢压缩时的主要力学性能与拉伸时相似，所以一般可不进行压缩实验。

图16.2 低碳钢压缩曲线

图16.3 低碳钢压缩时的鼓胀效应

铸铁试样压缩图如图16.4所示。载荷达最大值Fb后稍有下降，然后破裂，能听到沉闷的破裂声（图16.5）。灰铸铁在拉伸时是属于塑性很差的一种脆性材料，但在受压时，试件在达到最大载荷Fm前将会产生一定的塑性变形，最后被压断裂。灰铸铁试样的断裂有两特点：

一是断口为斜断口；二是按Fm/So求得的Rm远比拉伸时高，大致是拉伸时的3～4倍。

为什么灰铸铁这类脆性材料的抗拉抗压能力相差这么大呢？这主要与材料本身情况（内因）和受力状态（外因）有关。铸铁压缩时沿斜截面断裂，其主要原因是由剪应力引起的。假使测量铸铁受压试样斜断口倾角α，则可发现它略大于45°而不是最大剪应力所在截面，这是因为试样两端存在摩擦力造成的。

图16.4 铸铁压缩曲线

图16.5 铸铁压缩破坏示意图

16.3.4 压缩力学性能的测定

（1）上压缩屈服强度和下压缩屈服强度的测定

国标GB/T7314—2005规定：呈现明显屈服（不连续屈服）现象的金属材料，在试验时自动绘制的力-变形曲线上，判读首次下降前的最高压缩力FeHc和不计初始瞬时效应时屈服阶段中最低压缩力或者屈服平台的压缩力FeLc。上、下压缩屈服强度的判定基本原则与金属材料拉伸的原则相同，可参考实验1中相关内容。

根据力-变形曲线判读的上压缩力按下式计算上压缩屈服强度：(www.xing528.com)

根据力-变形曲线判读的下压缩力按下式计算下压缩屈服强度：

（2）抗压强度的测定

对于在压缩时以断裂方式失效的脆性材料，抗压强度是断裂时或断裂前的最大压缩应力。试验时，对试样连续加载直到试样破坏。从力-变形曲线上判读最大压缩力Fmc，按以下公式计算抗压强度：

对于塑性材料，可根据力-变形曲线在规定应变条件下，测定其抗压强度，所规定的应变应在报告中注明。

16.3.5 压缩的实验过程

低碳钢和铸铁压缩试验的步骤基本相同。不同的是，铸铁试样不测屈服载荷，铸铁试样周围要加防护罩，以免试样在试验过程中飞出伤人。

（1）在试样中间截面两个相互垂直的方向上测量直径d，取其算术平均值计算原始截面积，并测量试件高度h。

（2）根据低碳钢屈服载荷和铸铁抗压强度的估计值，选择试验机的量程，并对荷载进行调零。

（3）设置好试验机软件的参数。

（4）准确地将试样置于试验机活动平台的支承垫板中心处。

（5）检查及试车——试车时先提升试验活动平台，使试样随之上升。当上承垫接近试样时，应减慢上升的速度。注意：必须避免急剧加载。待试样与上承垫板接触受力后，用慢速预先加少量载荷，然后卸载接近零点，检查试验机工作是否正常。

（6）调整试验机夹头间距，当试样接近上支承板时，开始缓慢、均匀加载。

（7）对于低碳钢试样，要及时正确地读出屈服荷载Fs，过了屈服阶段后继续加载，将试样压成鼓形即可停止试验。对于铸铁试样，加载到试样破坏时立即停止试验，读出破坏极限荷载Fb。

（8）实验完毕，整理工具，关闭电源。

16.4 剪切实验原理及步骤

对于以剪断为主要破坏形式的零件，进行强度计算时，假设试样剪切面上的剪应力是均匀分布的，并且不考虑其他变形形式的影响。这当然不符合实际情况。为了尽量降低此种理论与实际不符的影响，作了如下规定：这类零件材料的抗剪强度，必须在与零件受力条件相同的情况下进行测定。此种试验，叫做直接剪切试验。

试验所用设备，主要是万能试验机和剪切器。这里介绍剪切器的构造与实验原理。

图16.6 剪切器

图16.6是一剪切器的构造示意图：它分为上支座和下支座两部分。将试样放入剪切器，用万能试验机对剪切器施加载荷。随着载荷的增加，剪切面处的材料经过弹性、屈服等阶段，最后沿剪切面发生剪断裂。取出剪断了的三段试样，可以观察到两种现象。一种现象是这三段试样略带些弯曲，它表明：尽管试样是剪断的，但试样承受的作用却不是单纯的剪切，而是既有剪切也有弯曲，不过以剪切为主。另一种现象是断口明显地区分为两部分：平滑光亮部分与纤维状部分。断口的平滑光亮部分，是在屈服过程中形成的。在这个过程中，剪切面两侧的材料有较大的相对滑移却没有分离，滑移出来的部分与剪切器是密合接触的，因而磨成了光亮面。断口的纤维部分，是在剪切断裂发生的瞬间形成的。在此瞬间，由于剪切面两侧材料又有较大的相对滑移，未分离的截面面积已缩减到不能再继续承担外力，于是产生了突然性的剪断裂。剪断裂是滑移型断裂，纤维状断口正是这种断裂的特征。

（1）测量试样截面尺寸。测量部位应在剪切面附近，测量误差应小于1％。

（2）选择试验机及所用量程。根据试样横截面面积So和估计的剪切强度极限τb，由Fm＝τbSo估计所需最大载荷，据此选择试验机及所用量程。

（3）安装剪切器及试样，测读破坏载荷。按常规调整好试验机之后，将试样装入剪切器并将剪切器置于试验机活动平台的球面垫上（注意对中）。开动试验机加载直到试样剪断，读取破坏载荷。加载过程中最好利用的力—变形关系，看能不能粗略地判定试样开始进入全面屈服时的载荷。

（4）实验完毕，做好整理工作，完成实验报告。

16.5 思考题

（1）铸铁的破坏形式说明了什么？

（2）低碳钢和铸铁在拉伸及压缩时机械性质有何差异？

（3）低碳钢与铸铁扭转试样破坏等情况有何不同？为什么？

（4）根据拉伸、压缩和扭转三种试验结果，综合分析低碳钢与铸铁的机械性质。

（5）*铸铁试样压缩，在最大载荷时未破裂，载荷稍减小后却破裂。为什么？

（6）*铸铁试样破裂后呈鼓形，说明有塑性变形，可是它是脆性材料，为何有塑性变形呢？

注：带*号的思考题，已超越了同学现有的知识范围，仅供参考。