材料力学指导书(单)

材料力学实验指导书机电及自动化学院20103地点：f3-104材料力学（工程力学）俞 铁 岳绪 言实验在材料力学中占有相当重要的地位，它是材料力学教学中一个必不可少的重要环节。材料力学中的很多定律，结论材料的机械性能，都要通过实验来加以验证和测定。力学实验的内容是很广泛的，但就材料力学来说按实验的性质可以分为三类：1、测定材料机械性能的试验。这一类试验包括各种材料的轴向拉伸、轴向压缩，扭转剪切、冲击和硬度等试验。材料的机械特性及有关的数值在工程中是设计各种构件必不可少的依据。2、验证理论的实验。如本课程中梁的正应力实验，梁的弯曲变形实验等。3、实验应力分析。即用实验的方法来解决应力分析的问题，其中主要的有电测法，光弹性法，脆性涂层法，网格法等。实验（一） 拉伸与压缩实验一、 目的1. 了解电子式材料试验机的工作原理和操作方法。2. 在试验机上做低碳钢、铸铁的拉伸和压缩试验。3. 采集、整理实验数据，写出实验报告。二、 仪器设备1. 电子式材料试验机2. 游标卡尺三、 试件试件的尺寸和形状必须按照国家统一的“标准试件”。拉伸试件一般两种形式。1. 十倍试件：当为圆截面时 L=10d（长试件）当为矩形截面时 L=11.32. 五倍试件：当为圆截面时 L=5d（短试件）当为矩形截面时 L=5.65金属压缩试件通常采用圆柱形试件，一般规定高度h与直径d之比为13 LO L 压缩试件拉伸试件 四、 试验步骤1. 量测试件两打点标距L0，准确到0.1。2. 用游标卡尺在试件标距内的两端及中间三处截面，量测出直径（每处截面相互垂直方向各量一次），准确到0.02，三处截面各取平均值，取其中最小一处的平均直径作为计算直径d，然后代入进行计算。3. 估计试件受拉破坏的最大荷载，在试验机上选取合适量程。例如：A3钢=（380480）Mpa0.785C40KN，则Pmax不会超过40KN，即可选取试验机的合适量程。4. 开机调零 低碳钢拉伸5. 安装试件：先将试件安装在试验机的上夹头，再调整下夹头到合适位置，并夹紧试件下端。注意，当试件夹紧后，切勿再升、降下夹头，以免电动机烧坏。6. 完成以上步骤，并经教师检查后，按试验机操作规程要求加载。观察计算机操作界面及图形，材料开始发生屈服，注意观察图形中的屈服区及它的下限，即为屈服下限，记下这荷载PS（计算机自动记录），继续加载，材料进入强化阶段。7. 观察颈缩现象：在强化阶段末期，试件发生局部变形，在某一小段范围内局部明显变细，最后试件在细颈处断裂，这时，计算机可以自动记录下最大荷载Pb。8. 取下拉断后的试件，观察断口形状，然后将断口对齐，对接起来，再量测出试件拉断后的标距L和细颈处的最小直径d，并记录之。 铸铁拉伸 方法步骤与低碳钢拉伸同。缓慢、均匀地加载直至试件拉断，停车，记录下最大荷载Pb，观察断口形状，并与低碳钢试件断口加以比较。 压缩：为了使试验符合轴向压缩，试件两端面必须相互平行，且与试件轴线垂直。由于低碳钢为塑性材料，在受压缩过程中，试件的截面面积不断増大，増大的面积能承受更大的荷载，所以不能测得强度极限，只能测得屈服极限。铸铁为脆性材料，压缩时在没有明显变形时就突然破坏，可以测得强度极限。 试验步骤：1. 量测出试件直径。2. 分别将低碳钢和铸铁放在试验机压座正中，缓慢且均匀地加载。对于低碳钢可以观察到屈服点，记下屈服荷载PS，继续加载可以观察到试件由圆柱体变成腰鼓状，最后成薄饼状。3. 铸铁由于是脆性材料，在没有明显变形后就发生突然破坏，记下极限荷载Pb。4. 比较两种材料试件的变形和破坏现象。低碳钢和铸铁的拉伸试验、压缩报告班级 姓名 学号 日期 （一） 拉伸试验1、目的：2、绘出拉伸图（PL图）： P P （KN） （KN） 0 0 L mm L mm低碳钢 铸铁3、问答题：、 两种材料破坏时的断口比较。 、 两种材料变形情况比较。、 两种材料破坏过程比较。、两种材料的强度极限比较。4、原始记录与试验结果：材料试 验 前试 验 后低碳钢直径d= mm最小直径d= mm截面积A= mm最小截面积A1= mm标距L= mm标距L1= mm形 状 简 图形 状 简 图强度性能屈服荷载PS= KN 屈服极限= MPa破坏荷载Pb= KN 强度极限= MPa塑性性能延伸率=100%= = %截面收缩率=100 %= = %铸铁直径d= mm破坏荷载Pb= KN截面积A= mm强度极限= MPa形 状 简 图形 状 简 图（二）压缩试验1、 目的：2、原始记录与试验结果：低碳钢直径d= mm屈服荷载PS= KN截面积A= mm屈服极限= MPa铸铁直径d= mm破坏荷载Pb= KN截面积A= mm强度极限= MPa2、 试件破坏简图： 低 碳 钢 铸 铁3、 问答题：、 低碳钢压缩能否得到强度极限？为什么？、 低碳钢压缩后为什么成鼓形？、 铸铁的压缩破坏形式说明了什么？、 比较铸铁在拉伸和压缩时的强度极限。实验二 纯弯曲正应力电测试验（一） 试验目的1、 测定矩形截面梁在纯弯曲的正应力数值及分布规律。2、 将实测的及分部规律与理论计算比较，以验证=。3、 了解并初步掌握电阻应变仪的基本原理和一般操作。（二） 试验设备1、 万能试验机 P2、 电阻应变仪 C D3、 纯弯曲试验装置一套4、 游标卡尺（三） 试验装置与原理 1、 装置：为了实现纯弯曲采用图2-1 A B所示装置，由弯矩图和剪力图可知梁的CD段处于纯弯曲。2、 原理：等直梁在纯弯曲时，横截面 P/2 P/2上正应力为 A B= （a） C D可知，正应力沿横截面高度成直线变化， L在中性轴y=0时，=0；处在截面下边缘处y=ymax=，所以max，因为是纯弯曲，根 据纵向纤维互不挤压假设， 每条纵向纤维都处于简单拉伸或压缩的单向应力状态。于是，可以由单向拉伸的虎克定律来计算出各点处的 弯矩图 =E （b） Q弯曲正应力，只要想办法测出拟计算点的应变 实；则可由（b）立即计算出该点的应力实。本实验是采用电阻应变仪来量测实，它 是把构件在受力时产生的应变，通过电阻应变仪转换成电阻的变化，然后通过测量电阻的变 图 2-1化，而得到该点的应变实。梁的CD段为纯弯曲，在这段中任选一个截面，分别在截面的上、下边，中性层，以及上、下h/4处各贴一片电阻片，当梁加载后分别测出这五个点的应变实，代入式（b）即可计算出实，再与由理论公式（a）计算出的理比较，以验证理论公式。（四）、实验步骤1、 测量出矩形截面梁的b、h及跨度L。2、 将钢梁安置在试验机的工作台上（电阻片已事先贴好）。3、 将电阻片，补偿片用导线联接在电阻应变仪的相应接线柱上。4、 预调应变仪电桥的初始平衡。5、 经指导老师检查后，可开始进行加载，按分级加载法依次加载10N、20N、30N、40N，读出各点相应的应变值，并记录下来。6、 一般要求测试二遍，然后进行平均计算，以便得到较准确的测试数据。【附】电测法简介结构件的各个构件，机器中的零部件，其应力的各种实验研究中，电测法是目前应用最广泛的一种，其原因在于它具有灵敏度高，可以在构件、零件的任何位置上安装、测试，可以远距离测量应变等优点。所谓电测法就是把非电量的变化转换为电量（如电阻、电容等）的变化而进行测量。而我们用电测法测定梁的弯曲正应力，其基本原理是将反应灵敏的电阻应变片粘贴在钢梁上，当钢梁受力后发生变形，与此同时粘贴在钢梁上的电阻应变片内的金属丝就要伸长或缩短，从而引起电阻改变，只要把电阻的改变量测量下来并转换为应变，最后就可以计算出应力。电阻应变仪主要包括两部分：电阻应变片-随同试件感受变形部分电阻应变仪-量测电阻变化的部分（一）、电阻应变片：电阻应变片是由直径为0.020.05镍铬合金丝绕成栅状再用特殊胶水粘贴在垫纸上制成，如图2-2。由普通物理学知道，电阻片的电阻大小在常温，恒温下有如下关系式R= （c） 丝栅 引出导线其中：R - 电阻片的电阻值（欧姆）L - 总长度（m）- 金属丝的电阻率（欧姆 m）S - 金属丝的截面面积（） 图2-2 纸片将电阻片粘贴在试件上，当试件受力发生变形时，电阻丝也一起变形其长度L，截面积S也发生变化，这其中长度的变化大大于截面积的变化。实验证明电阻的改变率和长度的变化一般情况下是成正比，即写成等式为=K=K （d）其中比例常数K为电阻片的灵敏系数，它随不同型号的电阻片而异，一般K=1.83.0。由式（a）可得=（） （e）只要测出电阻的改变率，就可以按式（e）算出试件的应变实。电阻的改变率是通过电阻应变仪测出，为了使用方便，在仪器的显示窗口已经直接换算成应变值。（二）、电阻应变仪的基本原理：由于构件的变形往往很小，于是由此而引起电阻的改变也是很小，直接测量有一定的困难，所以必须用特制的仪器来进行量测，即必须借助于电阻应变仪来量测。电阻应变仪的主要部件就是惠斯登电桥其原理结构如图2-3所示。图中R1为贴在试件上的工作片， 用以测量试件的应变，R2是与R1具有相同电阻值 （R2=R1）贴在与试件同一种材料但不受力，并放置于同一温度场，称为温度补偿片，其作是抵消实验过程中温度变化的影响。 R1、ABCDR1R2R3R4图23R2构成电桥的二个臂，R3和R4组成一可 变电阻，放在仪器箱内，随着D点位置的改变，R3与R4的比值也会改变。当电桥处于平衡时，D，B两点间的电位差等于零，检流计中没有电流通过（指示为零），此时，四个臂的电阻有如下关系= （f）通常是采用零读数来量测，即在试件受力前，予先调节D点位置使电桥平衡（窗口读数为0），这时R1R2R3R4满足式（f），当试件受力发生变形后，工作电阻片改变了R1，这时B、D两点之间有了电位差，电桥失去平衡，调节D点位置使R4增加R，而R3减少R，使电桥再度平衡，于是又有 = (g)由式（f）和（g）整理、化简、并略去二阶微量后可得 = （h）（h）代入（e）得 =（） 于是=（）R （i）式中：R-电桥调整值； K-电阻片的灵敏系数； R3 -为已知量； -试件变形后被测点的应变根据式（i）只要知道D点移动距离（即R的大小），就可求出。在实际量测中，为方便起见，应变仪显示窗口的读数一般直接就是。 下面说明温度补偿片的作用。 若因温度发生变化，工作电阻片R1就会产生附加电阻R1t，但我们需要测定的只是单纯由于受力而引起的电阻改变，所以要加入温度补偿片R2，如温度发生变化，R1产生附加电阻R1t而R2也会产生附加电阻R2t，因为原来R1=R2，所以R1t=R2t，这样一来，电桥的四个电臂的电阻仍然成如下比例 所以当温度发生改变，由于加入温度补偿片后电桥仍保持平衡，故所测得的电阻改变量只是单纯由于受力而引起的，这就消除温度改变的影响。（三）、电阻应变仪的操作：1、 将各点工作电阻片的外引线分别接到应变仪上各对应接线点的A、B上，补偿片（各点共用）接到B、C上；2、 将电源接入电阻应变仪预热五分钟以上；3、 把电阻应变仪上的K值调与电阻片的K值相同；4、 予调平衡：首先予调应变仪，将应变仪面板上的点为拨钮拨到R0处，再将一个标准电阻接入A、B、C三个接线柱上，用小螺丝刀调整面板上相应的R0小调钮，使显示窗口的数值为零（即电桥平衡）。然后拆去标准电阻，再将应变仪面板上的点为拨钮拨到要测的点1、2处，分别进行调平衡；5、 加载后发生变化，记录下此瞬时值数据，即为相应于该荷载的应变值；6、 结束时，关闭电源开关。纯弯曲正应力实验报告 班级_ 姓名_ _ 学号_ _ _ 教师签名_ _一、实验目的：原始记录及实测应力：点砝码N读数110-61读数210-62=E(Mpa)=10102030402010203040301020304040102030405010203040b=10 h=28 I=1.82910-8 m4 W=1.30610-6 m3k=2.08 E=2.05105 Mpa M=80 Nm L=600 三、理论计算： 1 -5 2 -4 =3 0四、相对误差计算： 最大拉应力点： 100% = 最大压应力点： 100% =123450五、实验结果分析：六、误差分析：