力学实验课实验失败反思报告

“实验一”失败反思报告

一、实验目的：

实验预期目的：

1.观察低碳钢、铸铁和铝合金在拉伸过程中的各种现象（包括屈服，强化和颈缩等现象），特别是外力和变形间的关系，并绘制拉伸图。 2.测定低碳钢的屈服极限，强度极限，延伸率和截面收缩率。

3.测定铸铁和铝合金的强度极限。

4.观察断口，比较低碳钢、铸铁、铝合金三种材料的拉伸性能和破坏特点，并对其断裂形式从微观角度进行分析。

实际达到效果：

1.基本观察到了实验现象，但是对于材料破坏方式这一点前两次实验结果与预期明显偏离。

2.屈服极限，强度极限已测，但是延伸率和截面收缩率因为实验失败，所以没有结论。

3.铸铁和铝合金的曲线已经由实际实验数据给出了分析和结果。 4.对于三种材料的拉伸性能和破坏特点，以及微观角度已做分析。

二、已知材料特性：

抗拉能力：铝合金最弱，铸铁其次，低碳钢较强。 铝合金：高塑性，破坏形式为纯剪断，抗拉能力弱。

低碳钢：强度低、硬度低而软。有明显的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部变形阶段。低碳钢虽然也是剪断的，但在之前有明显的颈缩。

铸铁：强度高，脆性材料。几乎只有弹性阶段，破坏形式为拉断。

三、实验结果及问题分析：

图一：三种材料实际载荷—位移曲线

如图一所示为我们小组三种材料的实际测量曲线，显然，铝合金以及低碳钢曲线与预期不符。

这次实验问题主要有以下几个方面：

1.整个实验未达实验目的，比如某些参数忘记测量。第一次实验忘记测量原始标距和断口直径；此外，测量直径时没有在每一横截面处沿相互垂直的两个方向各测一次取其平均值，导致计算截面积时误差可能会偏大。 2.由于操作不熟练，在夹持试件时，没有保证试件夹持后上下对称且全部在夹头内部；此外，此操作可能对试样预先加上了荷载。 3.对于实验中的某些关键图像没有意识到应该及时拍照记录。 4.实验过程中，小组内部分工没有细化，没有发挥整体的作用。 5.关键步骤的误操作，直接导致实验失败。

接下来单独分析每个实验。

铝合金拉伸：

图二：铝合金实际应力应变曲线

从图二中我们可以看到，在加载的前半段，曲线呈线性，是铝合金的线弹性区，符合预期。对此区间线性拟合得到小框图所示拟合曲线。测得材料弹性模量。

然而，过了图中的点后，不再符合预期。

我参考了别组同学曲线，如下图三，发现，曲线应该继续平缓上升，直至被剪断。

图三：铝合金理论拉伸曲线

实验过程我们有两个地方不符合要求：

加载速度设定没按照预先规定的3mm，而是改为了5mm，但是这对于实验是否存在影响还未知。

在上空间拉伸和下空间拉伸的选项上第一次选错，导致有一个压缩阶段，这个可能是造成实验失败的原因之一。

实验结果是：铝合金材料最后被拉断，且有明显界面收缩现象，不是预期的被剪断。

铝合金材料的断裂面与轴向夹角应该是在45度左右，是剪切破坏。微观上，材料在这里发生了滑移。铝的材料结构是面心立方结构，滑移断裂是由于受剪应力的作用破坏了晶体原子间的结合力而引起断裂。沿45度方向破坏是因为单向应力状态最大剪力在这个方向。 此外，在老师看过后，分析可能试件不是标准铝合金，被换过了。结合铝合金模量在6.7GPa左右，我们的测量结果是5.4GPa，明显小于预期值，支持这一观点，这可能是一个原因。

低碳钢拉伸：

图四：低碳钢实际曲线

我们的实验进行了一半，只得到了弹性阶段和屈服阶段图像，在冷却时操作失误，载荷卸载时低于了14kN，导致试验机最后直接停止实验，没有继续加载。最后由仅有的数据测得

，

。

低碳钢拉伸破坏，预期截面应该呈杯状，断口处有45度剪切唇，断口组织为暗灰色纤维状。其断裂机制也可以用滑移断裂解释，铁在室温下为体心立方结构，与铝有所差别。另外由于铁晶体内部原子作用力比铝要大，其断口与铝有所差别，铝合金是纯“剪断”的，而低碳钢则出现滑移线。

铸铁拉伸：

图五：铸铁拉伸实际曲线

经过前两次实验的失败，总结经验，第三次做出了比较好的曲线。最后测得，

。

铸铁是典型的脆性材料，它的破坏断口预期是横截面方向。铸铁的断裂是由拉应力引起。

下图六是断口图像：断裂点靠近夹持端，应该是夹持时附加了扭矩的影响。

图六：铸铁断口实际图像

四、总结与反思：

经过两次实验失败，我们小组总结出了很多经验，也收获了很多东西。意识到科学实验需要相当高的严谨性，任何一个疏忽都可能导致实验失败。我们决定以后实验先做预习，提前熟悉具体的实验过程。同时，加强组内协作，让实验分工更加合理。

后来在网上查阅了一些资料，我认为实验细节有这样一些重要事项： 1.断口移中法：用于测量拉断后的标记长度，即是若断口不在初标距长度中部三分之一区段内时，应该要采用断口移中的办法，以计算试件拉断后的标距长度，减小误差。

2.测量断裂面的截面积应该至少取两个方向各测一次直径，取平均值。 3.环境温度的修正：环境温度对材料拉伸性能有一定影响，由于力学实验没有精度要求，所以可以忽略。

4.试件夹持：试件夹持后务必应该与拉伸方向平行，否则会带来较大误差。夹持不正可能会导致试件夹持端有较大扭矩，造成端口不在试件中间1/3区间内。此外，试件务必夹紧后数据清零，尽可能减少实验刚刚开始时由于系统夹头变形、打滑带来的一段很小的波动段。

5.加载速率：经过查阅，拉伸速率直接影响材料的应力应变曲线，因为不同材料对速度的敏感程度不同，直接会影响屈服阶段的变形和材料强化阶段性能，尤其是对于铝合金这类较软的材料。据此，可以认为，我们第一次试验速率由3变为5应该可能会是造成实验图像明显偏离预期的主要原因之一。（这里我们试验时问过老师，当时老师认为没影响，我认为具体需要实验检验，因为国标对于拉伸速度也有明确规定。）

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