材料力学实验指导书.doc

工程力学实验指导书主讲：林植慧 机械与汽车工程学院SCHOOL OF MECHANICAL AND AUTOMOTIVE ENGINEERING实验一, 二 低碳钢(Q235钢)、铸铁的轴向拉伸试验一、实验目的与要求1观察低碳钢(Q235钢)和铸铁在拉伸试验中的各种现象。2测绘低碳钢和铸铁试件的载荷变形曲线(Fl曲线)及应力应变曲线(曲线)。3测定低碳钢拉伸时的比例极限，屈服极限、强度极限、伸长率、断面收缩率和铸铁拉伸时的强度极限。4测定低碳钢的弹性模量E。5观察低碳钢在拉伸强化阶段的卸载规律及冷作硬化现象。6比较低碳钢(塑性材料)和铸铁(脆性材料)的拉伸力学性能。二、实验设备、仪器和试件1微机控制电子万能试验机。2电子式引伸计。3游标卡尺。4低碳钢、铸铁拉伸试件。三、实验原理与方法材料的力学性能主要是指材料在外力作用下，在强度和变形方面表现出来的性质，它是通过实验进行研究的。低碳钢和铸铁是工程中广泛使用的两种材料，而且它们的力学性质也较典型。试验采用的圆截面短比例试样按国家标准（GB/T 228-2002金属材料 室温拉伸试验方法）制成，标距与直径之比为，如图1-1所示。这样可以避免因试样尺寸和形状的影响而产生的差异，便于各种材料的力学性能相互比较。图中：为试样直径，为试样的标距。国家标准中还规定了其他形状截面的试样。图 1-1金属拉伸试验在微机控制电子万能试验机上进行，在实验过程中，与电子万能试验机联机的计算机显示屏上实时绘出试样的拉伸曲线(也称为曲线)，如图1-2所示。低碳钢试样的拉伸曲线(图1-2a)分为弹性阶段，屈服阶段，强化阶段及局部变形阶段。如果在强化阶段卸载，曲线会从卸载点开始向下绘出平行于初始加载线弹性阶段直线的一条斜直线，表明它服从弹性规律。如若重新加载，曲线将沿此斜直线重新回到卸载点，并从卸载点按原强化阶段曲线继续向前绘制。此种经过冷拉伸使弹性阶段加长、弹性极限提高，图 1-2塑性降低的现象，工程中称为冷作硬化现象。圆截面铸铁试样：标距与直径之比为。其拉伸曲线(图1-2b)比较简单，既没有明显的直线段，也没有屈服阶段，变形很小时试样就突然断裂，强度极限为衡量脆性材料强度时的唯一指标。断口与横截面重合，断口粗糙。抗拉强度较低，无明显塑性变形。与电子万能试验机联机的计算机自动给出低碳钢试样的屈服载荷、最大载荷和铸铁试样的最大载荷。取下试样测量试样断后最小直径和断后标距，由下述公式，可计算低碳钢的拉伸屈服点、抗拉强度、伸长率，和断面收缩率；铸铁的抗拉强度。如若实验前将试样的初始直径，初始标距长度等数据输入计算机，计算机可绘出应力-应变()曲线，并在实验结束后给出该材料的屈服点和抗拉强度。应当指出，上述所测定的力学性能均为名义值，工程应用较为方便，称为工程应力和工程应变。由于试样受力后其直径和长度都随载荷变化而改变，真实应力和真实应变须用试样瞬时截面积和瞬时标距长度进行计算。注意到试样在屈服前，其直径和标距变化很小，真应力和真应变与工程应力和工程应变差别不大。试样屈服以后，其直径和标距都有较大的改变，此时的真应力和真应变与工程应力和工程应变会有较大的差别。低碳钢的弹性模量由以下公式计算：式中为相等的加载等级，为与相对应的变形增量。四、试验步骤1. 低碳钢(Q235钢)拉伸试验步骤：（1）在试件上用游标卡尺量取100mm，在两端各打一小孔，量取两小孔的距离，即初始标距长度；然后在试样标距段的两端和中间三处测量试样直径，每处直径取两个相互垂直方向的平均值，做好记录，取三处直径的最小值作为试样的初始直径。（2）打开计算机电源,双击桌面上的TestExpert图标启动试验程序,或从WINDOWS菜单中点击“开始”“程序”“CCSS”“TestExpert”。接着显示程序启动画面,点击该画面或等待数秒钟可直接进入程序主界面。（3）打开EDC系统,移动主菜单进入到PC-CONTROL状态。（4）在试验机上装夹低碳钢试样：先按启动按钮启动EDC，使用手动盒移动横梁到合适位置,以方便夹持试样，然后用上夹头卡紧试样一端，使用手动盒提升试验机活动横梁，使试样下端缓慢插入下夹头的V形卡板中，锁紧下夹头。（5）在试样的试验段上安装引伸计，注意安装后须轻轻拔出引伸计定位销钉。（6）通道清零。（7）在微型电子计算机测试应用程序界面中设置实验条件(所有试验条件以.CON作为扩展名)，主要有试验形式(如拉伸)、载荷、变形量程、加载速度、试样编号、尺寸、材料等。设置完毕，可自定义文件名并确定工作目录后存盘；（8）单击界面左侧“试验”按钮，开始实验；（9）试件进入屈服阶段后即可拆卸引伸计，并插好引伸计销钉。（10）当载荷变形()曲线进入强化阶段后，单击界面左侧“上升”按钮，进行卸载。当载荷卸至1kN左右时再单击界面左侧“下降”按钮，重新加载。并注意观察低碳钢的卸载规律和冷作硬化现象。（11）继续实验，注意观察试样的变形情况和“颈缩”现象。试样断裂后立即单击应用程序界面左侧“结束实验”按钮。（12）松开夹具，取出断裂的试件，测量断后最小直径，断后标距长度。（13）完成试验后,进入曲线操作界面查看原始数据、试验结果和统计值。（14）待试验完毕后，请把断裂的试件放归指定位置，将试验机数据清零。2. 铸铁拉伸试验步骤：（1）在试样标距段的两端和中间三处测量试样直径，每处直径取两个相互垂直方向的平均值，做好记录，取三处直径的最小值作为试样的初始直径。（2）重复实验步骤（2）（3）（4）（6）（7）（8）（12）（13）（14）进行铸铁试样拉伸实验。在实验教师指导下读取实验数据。经实验指导教师检查实验结果后，结束实验并整理实验现场。五、实验注意事项1为避免损伤试验机的卡板与夹头，同时防止铸铁试样脆断飞出伤及操作者，应注意装卡试样时，横梁移动速度要慢，使试样下端缓慢插入下夹头的V形卡板中，不要顶撞卡板顶部；试样下端不要装卡过长，以免顶撞夹头内部装配卡板用的平台。2为保证实验顺利进行，试验时要读取正确的试验条件，严禁随意改动计算机的软件配置。3、装夹、拆卸引伸计时，要注意插好定位销钉，实验时要注意拔出定位销钉，以免损坏引伸计。六、思考题 1为什么拉伸试验必须采用标准试样或定标距试样?2为什么加载速度要缓慢?3屈服极限，强度极限是不是试件在屈服和断裂时的真实应力?为什么?4什么是卸载规律和冷作硬化现象?试举例说明冷作硬化现象的工程应用。5由拉伸试验测定的材料机械性能在工程上有何实用价值?实验三,四 低碳钢(Q235钢)、铸铁的压缩试验一、实验目的与要求1测定低碳钢的压缩屈服点和铸铁的抗压强度。2观察铸铁试样的破坏断口，分析破坏原因。3分析比较两种材料拉伸和压缩性质的异同。二、实验设备、仪器和试件1微机控制电子万能试验机。2游标卡尺。3低碳钢、铸铁压缩试件。三、实验原理与方法金属材料的压缩屈服点和抗压强度，由压缩试验测定。按试验规范(GB 7314-87)要求，压缩试样应制成短圆柱形(参看图2-1)。 图 2-1 图 2-2分析和实验均表明，压缩试验时，试样的上、下端面与试验机支承垫之间会产生很大的摩擦力(参看图2-2)，这些摩擦力将阻碍试样上部和下部产生横向变形，致使测量得到的抗压强度偏高。因而应采取措施(磨光或加润滑剂)减少上述摩擦力。注意到试样的高度也会影响实验结果，当试样高度h0增加时，摩擦力对试样中段的影响减少，对测试结果影响较小。此外，如若试样高度直径比(h0/d0)较大，极易发生压弯现象，抗压强度测量值也不会准确。所以压缩试样的高度与直径的比值(h0/d0)一般规定为1h0/d03。此外，还须设法消除压缩载荷偏心的影响。进行低碳钢压缩试验时，为测取材料的压缩屈服点，应缓慢加载，同时仔细观察Fl曲线的发展情况，曲线由直线变为曲线的拐点处所对应的载荷即为屈服载荷Fs。材料屈服之后开始强化，由于压缩变形使试样的横截面积不断增大，尽管载荷不断增大，但是，直至将试样压成饼形也不会发生断裂破坏，如图2-3所示。因此无法测量低碳钢的抗压强度Fb，压缩试验载荷变形曲线如图2-3所示。铸铁压缩试验时，由压缩试验载荷变形曲线(图2-4)可看出，随着载荷的增加，破坏前试样也会产生较大的变形，直至被压成“微鼓形”之后才发生断裂破坏，破坏的最大载荷即为断裂载荷。破坏断口与试样加载轴线约成45角(如图2-4)。由于单向拉伸、压缩时的最大切应力作用面与最大正应力作用面约成角，因此，可知上述破坏是由最大切应力引起的。仔细观察试样断口的表面，可以清晰地看到材料受剪切错动的痕迹。图 2-3.图 2-4四、实验步骤1在试件上用游标卡尺量取试样两端和中间三处测量试样直径，每处直径取两个相互垂直方向的平均值，做好记录，取三处直径的最小值作为试样的初始直径，并用其计算截面初始面积A0。2打开计算机电源,双击桌面上的TestExpert图标启动试验程序,或从WINDOWS菜单中点击“开始”“程序”“CCSS”“TestExpert”。接着显示程序启动画面,点击该画面或等待数秒钟可直接进入程序主界面。3打开EDC系统,移动主菜单进入到PC-CONTROL状态。4把低碳钢试样放置在试验机球形支承座的中心位置上，试样上下一般都要放置坚硬平整的垫块，用以保护试验机压头及支承座，并可调整试验区间的高度，减少空行程。5通道清零。6在微型电子计算机测试应用程序界面中设置实验条件(所有试验条件以.CON作为扩展名)，主要有试验形式(如压缩)、载荷、变形量程、加载速度、试样编号、尺寸、材料等。设置完毕，可自定义文件名并确定工作目录后存盘。7单击界面左侧“试验”按钮，开始实验。8注意观察载荷变形(F-l)曲线，找出压缩屈服点，进入强化阶段后，观察试样变形，由于试样为塑性材料，试样压成饼形也不会发生断裂破坏，因此无法测量低碳钢的抗压强度，试样发生较明显变形后，可以卸载。9铸铁压缩试验的步骤与低碳钢压缩相同。但因铸铁破坏是脆断，试样发生一定变后，会发生断裂破坏，为防止试样压断时可能有碎屑崩出，试验前应在试样周围加设有机玻璃防护罩。铸铁压缩试验只能测得试样的断裂载荷Fb。注意观察试样断裂后的变形和断口的表面形貌。10根据实验中测得数据，由式=Fs/A0计算低碳钢的压缩屈服点，由式=Fb/A0计算铸铁的抗压强度，其中A0为试样截面原始面积。11经实验指导教师检查实验结果后，结束实验并整理实验现场。五、实验注意事项1为保证实验顺利进行，试验时要读取正确的试验条件，严禁随意改动计算机的软件配置。2铸铁压缩实验加载前要设置好试验机的有机玻璃防护罩，以免金属碎屑飞出发生危险。六、思考题1为什么无法测取低碳钢的抗压强度?2观察铸铁试样的破坏断口，分析为什么铸铁试样压缩时沿着斜截面破坏?3分析比较两种材料拉伸和压缩性质的异同。4比较铸铁的抗拉强度和抗压强度并分析脆性材料的力学性能特点。5由低碳钢和铸铁的拉伸、压缩试验结果，比较塑性材料与脆性材料的力学性质。实验五 低碳钢弯曲实验一、实验目的和要求1学习使用应变片和电阻应变仪测定静态应力的基本原理和方法。2用电测法测定纯弯曲钢梁横截面不同位置的正应力。3. 绘制正应力沿其横截面高度的的分布图，观察正应变（正应力）分布规律，验证纯弯曲梁的正应力计算公式。二实验设备、仪器和试件1多功能组合实验装置。2静态电阻应变仪。3游标卡尺。4电阻应变片。5矩形截面钢梁（弹性模量，b=18.5；h=38；c=127）。三、实验原理和方法（1）理论公式：本实验的测试对象为低碳钢制矩形截面简支梁，加载方式如图4-1所示。h 图4-1由材料力学可知，钢梁中段将产生纯弯曲，其弯矩大小为 （1）横截面上弯曲正应力公式为 （2）式中y为被测点到中性轴z的距离，Iz为梁截面对z轴的惯性矩。 （3）横截面上各点正应力沿截面高度按线性规律变化，沿截面宽度均匀分布，中性轴上各点的正应力为零。截面的上、下边缘上各点正应力为最大，最大值为。（2）实测公式：实验采用螺旋推进和机械加载方法，可以连续加载，荷载大小可由电子测力仪读出。当增加压力时，梁的四个点受力分别增加作用力，如图4-1所示。为了测量梁纯弯曲时横截面上应变分布规律，在梁的纯弯曲段侧面布置了5片应变片，如4-1所示，各应变片的粘贴高度见梁上各点标注。此外，在梁的上表面沿横向粘贴了第6片应变片，用以测定材料的泊松比；在梁的端部上表面零应力处粘贴了第7片温度补偿应变片，可对以上各应变片进行温度补偿。在弹性范围内，如果测得纯弯曲梁在纯弯曲时沿横截面高度上的轴向应变，则由单向应力状态的胡克定律，即： （4）由上式可求出各点处的应力实验值。将应力实验值与理论值进行比较，以验证弯曲正应力公式。如果测得应变片4和6的应变满足则证明梁弯曲时近似为单向应力状态，即梁的纵向纤维间无挤压的假设成立。实验采用增量法。每增加等量载荷P，测得各点相应得应变增量一次。因每次P相同，故应是基本上按比例增加。四实验步骤1检查矩形截面梁的宽度b和高度h，荷载作用点到梁支点距离c和各应变片到中性层的距离。2检查应力传感器的引出线和电子秤的连接是否良好，接通电子秤的电源线。检查应变仪工作状态是否良好。然后把梁上的应变片按序号接在应变仪不同的通道A、B上，公共温度补偿片接在接线柱B、C上，即采用应变仪上所示的半桥接法。3实验时的初始荷载，170，相当于分四次加载。实验时逐级加载，并记录下各应变片在各级荷载下的读数应变。五注意事项认真观察、调整实验装置，确保两侧横力弯曲段长度相等。六实验数据及处理1 按实验记录数据求出各点的应力实验值，并计算各点的应力理论值，计算相对误差。对每一测点求出应变增量的平均值 （5）由（4）式可知 （6）由（2）式可知，与载荷增量P相应的应力增量理论值为 （7） （8）对每一测点，列表比较与，并计算相对误差 （9）2按同一比例分别画出各点应力的实验值和理论值沿截面高度的分布曲线，将两者进行比较，如果两者接近，说明弯曲正应力的理论分析是可行的。 3若计算，则说明梁为单向应力状态。七、思考题1尺寸、加载方式完全相同的钢梁和木梁，如果与中性层等距离处纤维的应变相等，问两梁相应位置的应力是否相等，载荷是否相等?2采用等增量加载法的目的是什么?3沿梁截面高度，应变怎样分布？随载荷逐级增加，应变分布按什么规律变化？中性轴在横截面的什么位置？