材料力学实验指导书(20140903)

1目录实验一金属材料的拉伸试验…………………………………（2）实验二金属材料的压缩试验…………………………………（5）实验三纯弯梁的正应力试验…………………………………（7）实验四等强度梁试验………………………………………（11）实验五同心拉杆试验…………………………………………（16）实验六弯扭组合变形试验……………………………………(18)2实验一金属材料的拉伸试验一、实验目的1．测定低碳钢的拉伸时的屈服极限s、强度极限b、延伸率和断面收缩率。2．测定铸铁的拉伸强度极限b。3．观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中所出现的各种变形现象，并根据断口情况分析材料的破坏原因。二、实验设备和仪表1.电子万能试验机或液压万能试验机2.游标卡尺三、试件标准拉伸试件一般由工作部分、过渡部分和夹持部分三部分组成，如图1-1所示。图中工作部分的长度0l称为标距，cl称为平行长度。为得到合理的实验结果，试样各部分有一定的加工要求，一般地，工作部分必须有一定的光滑度，以使之受均匀分布的轴向应力作用；过渡部分必须有适当的倒角以降低由于截面的变化而导致的应力集中；两端较粗的夹持部分应有适当的粗造度以便夹紧试件。图1-1圆截面试件考虑到试件尺寸和形状对材料塑性性质的影响，国标GB6397-86对试件的尺寸和形状分别作了标准化规定：对于圆形截面的试件，加工成0010dl或005dl；对于矩形截面试件，加工成003.11Al或0056.5Al的标准试件或比例试件。此外，对于圆截面试件其平行长度加工尺寸cl还应不小于00dl；矩形截面试件的l不小于005.0dl。四、实验原理及方法低碳钢属塑性材料，在拉伸实验过程中，其lP曲线如图1-2所示，大致可分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。实验刚开始，由于试件和卡头之间存在空隙，因而曲线的开始阶段为一曲线（图1-2OO段），这一阶段的曲线形状只与试件的装载情况有关，在数据处理时一般将其剔除。（1）弹性阶段随载荷缓慢增加，测力指针匀速移动，曲线呈现一段斜直线AO，直线的斜率反映了材料单位长度的抗拉性能（lEAlP）该阶段的变形与载荷呈线性关系。（2）屈服阶段弹性阶段过后，进入屈服阶段BC，以初始瞬时效应之后测力指针无规则波动时所指向的最小载荷作为材料的屈服极限sP。此阶段曲线呈3接近水平线的小锯齿形线段，表明载荷有小的波动但变形加快，材料进入塑性阶段。此时，如果试件表面光洁度较高，还可看见45°方向的滑移线。图1-2低碳钢拉伸曲线（3）强化阶段屈服阶段BC过后，进入强化阶段CD。此阶段材料因塑性变形使其内部的晶粒结构，恢复了对变形的抵抗能力，载荷又会有所上升，变形量也随之加大。（4）颈缩阶段在载荷达到最大载荷bP以前，变形在试件标距范围内基本上是沿长度均匀变化的。当载荷达到材料的极限载荷bP时，试件的某一局部会发生显著变形，出现“颈缩”现象，主动针迅速倒退，试件被拉断。材料的极限载荷bP可由从动针位置读出。铸铁属脆性材料，拉伸时P-Δl曲线（图1-3）没有直线部分，变形小，无屈服和颈缩现象，试件很快达到最大载荷而突出断裂，其拉伸强度极限远小于低碳钢的强度极限。断口平直、粗糙、且垂直于轴线。图1-3铸铁拉伸曲线五、实验步骤1．打标距l0:（1）低碳钢：在试件中段取l0=5d0或10d0（d0为名义直径），用冲子打两个标记。（2）铸铁：不打标距。2．用游标卡尺在试件中和两端三个地方互相垂直的两个方向各测量一次，以其各点平均走私的最小值计算初始横截面面积A0。3．根据试件横截面面积和材料的大致强度极限，估算出实验所需的最大载荷，选择相应的液压式试验机测力度盘和摆铊。44．安装试件。先将试件安装在上夹头上，调节下夹头使之移动到合适位置，再把试件下端夹在下夹头中夹紧。缓慢加载，观察测力指针转动的情况，以检查试件是否已夹牢，如打滑应重新安装。5．开动试验机使试件缓慢匀速加载，随时观察测力指针的移动情况及拉伸过程中各种物理现象。对于低碳钢试件，当测力指针不动或倒退时，说明材料开始屈服，记录初始瞬时效应之后指针各次摆动时的最低值，作为材料的屈服载荷sP。再继续加载，直至试件断裂后停机，由被动针读出最大载荷bP。对铸铁试件，拉断后记下最大载荷bP。6．试件拉断后，取下试件，观察断口。将断裂试件的两端靠紧、对齐，用游标卡尺测出低碳钢试件断裂后的标距长度1l及断口处的最小直径1d（一般从相互垂直方向测取两次，取平均值）。7．实验完毕，仪器设备恢复原状，清理现场，并检查实验记录是否齐全，请指导教师签字后离开。六、实验结果处理1．低碳钢拉伸：（1）根据测得的屈服载荷sP和极限载荷bP计算材料相应的屈服极限和强度极限：0APss0APbb式中0A为试件的初始横载面面积。（2）根据拉伸前后试件的标距长度0l、1l和横截面面积0A、1A，计算出低碳钢的延伸率和截面收缩率：%100001lll%100010AAA2．铸铁拉伸：根据测得的强度载荷Pb计算机铸铁的强度极限0APbb3．按规定格式写出实验报告。实验报告应书写工整，报告中各类曲线和简图应用铅笔绘制，线条和图注清晰、简洁。七、注意事项1．试件安装要仔细，防止偏斜或夹入部分过短。2．试件安装完毕后，不得再启动控制下夹头的按钮，以免使下夹头对试件加载，损坏试件或电机。八、思考题1．由实验现象和结果比较低碳钢和铸铁的力学性能有何不同？2．材料相同而标距不同的两种试件其s、b、、是否相同？为什么？3．低碳钢试件处于屈服阶段时，载荷为什么不能再增大？4．试从不同的断口特征说明金属的两种基本破坏形式。5实验二金属材料的压缩试验一、实验目的1．测定压缩时铸铁的强度极限b并与拉伸实验作比较。2．观察铸铁在压缩过程中所出现的各种变形和破坏现象，分析其破坏原因。二、实验设备和仪表1．电子万能试验机或液压万能试验机2．游标卡尺三、试件国标GB7314-87推荐了四种压缩试件；圆柱体、正方柱体、矩形板和带凸耳板。本实验采用图2-1所示的圆柱体试样。测定σs和σb时（即塑性材料），直径d0与高度h0应满足关系h0=2.5～3.5d0；只测定σb时（即脆性材料），图2-1圆柱体压缩试件可使用h0=1～2d0的试样。d0的大小为10～20mm。述因素，国标GB7314-87规定，压缩试件采用005.3~5.2dl的圆柱形试件（如图2-1）。四、实验原理及方法低碳钢是典型的塑性材料，其压缩时的lP曲线如图2－2所示。在屈服阶段以后，试样横截面面积会不断增大，抗压能力不断提高，因而测不到压缩强度极限。铸铁是典型的脆性材料，在压缩时并无屈服阶段，其lP曲线如图2－3所示，当对试件加至极限载荷bP时，试件在压缩变形很小时就突然发生剪断破坏，断面与试件轴线的夹角大约为45º～55º，这是由图2-2低碳钢压缩曲线于脆性材料的抗剪强度低于抗压强度。此时，测力主动针迅速回零，由从动针可读出bP值，于是即可确定铸铁的强度极限。一般地，铸铁受压与拉伸有明显的差别，压缩时lP曲线上虽然没有屈服阶段，但曲线明显变弯，断裂时有明显的塑性变形，且压缩强度极限远远大于拉伸时的强度极限。由于试件承受压缩时，上下两端面与压头之间有很大的摩擦力，使试件两端的横向变形受到阻碍，6故压缩后试件呈鼓形，且导致测得的抗压强度比实际的偏高，试件越短，这种影响越明显。但如果试件过长，又容易产生失稳现象，因此抗压能力与试件尺寸00/dl有关。由此可见，压缩试验是有条件性的，在相同条件下，才能对不同材图2-3铸铁压缩曲线料的性能进行比较。实验时，在试件两端面涂以润滑剂，以减少摩擦力的影响。当试件两端面稍有不平行时，利用试验机上球形垫板自动调节，保证压力通过试件的轴线。五、实验步骤1．用游标卡尺在试件中点和两端三个地方互相垂直的两个方向各测量一次，以其各点平均直径的最小值计算初始横截面面积0A，再测量试件高度0h。2．根据估计的最大载荷选择试验机量程。3．把压缩试件放置于试验机的两个承压垫板之间，并对准轴线进行安装。4．开动试验机，当试件与上支撑垫接近时，应减慢活动台上升的速度，以免突然加载。试件受力后，要控制加载速度，使载荷缓慢匀速增加。加载至试件断裂后卸载，记录极限载荷bP。5．实验完毕，仪器设备恢复原状，清理现场，检查实验记录是否齐全，并请指导教师签字后离开。六、实验结果处理1．根据实验记录，铸铁的压缩实验的强度极限b可由下式得到：0APbb式中0A为试件的初始横载面面积。2．画出试件的破坏形状图，并分析其破坏原因。3．按规定格式写出实验报告。实验报告应书写工整，报告中各类曲线和简图应用铅笔绘制，线条和图注清晰、简洁。4．实验后，试件上若有冶金缺陷（如分层、汽泡、夹渣及缩孔等），应在实验记录及报告中注明。七、注意事项1.压缩实验时必须加用垫块。2．压缩过程中，不要靠近试件观看，以防试件破坏时碎屑飞出伤人。试件破坏后，应及时卸载，以免压碎。八、思考题1.为什么铸铁试件沿着与轴线越成45º～55º的倾斜面破坏？2.铸铁压缩时应力—应变曲线和拉伸时有何不同？7实验三纯弯梁的正应力试验一、实验目的：1、测定梁在纯弯曲时某一截面上的应力及其分布情况。2、观察梁在纯弯曲情况下所表现的虎克定律，从而判断平面假设的正确性。3、实验结果与理论值比较,验证弯曲正应力公式σ=My/Iz的正确性4、。测定泊松比μ。二、实验梁的安装示意图1.纯弯梁的正应力的分布规律实验装置其装置如图3-1所示。2.纯弯梁的安装与调整：在如图3-1所示位置处，将9.拉压力传感器安装在8.蜗杆升降机构上拧紧，将2.支座(两个)放于如图所示的位置,并对于加力中心成对称放置,将纯弯梁置于支座上,也称对称放置,将4.加力杆接头(两对)与6.加力杆(两个)连接,分别用3.销子悬挂在纯弯梁上,再用销子把11.加载下梁固定于图上所示位置,调整加力杆的位置两杆都成铅垂状态并关于加力中心对称。摇动7.手轮使传感器升到适当位置，将10.压头放如图中所示位置,压头的尖端顶住加载下梁中部的凹槽,适当摇动手轮使传感器端部与压头稍稍接触。检查加载机构是否关于加载中心对称,如不对称应反复调整。3.纯弯梁的贴片：图3-1纯弯梁实验安装图85＃、4＃分别位于梁水平上、下平面的纵向轴对称中心线上，1＃片位于梁的中性层上,2＃、3＃片分别位于距中性层和梁的上下边缘相等的纵向轴线上,6＃片与5＃片垂直，如图3-2所示三、实验原理图3-3为试样受力图为了测量应变随试样截面高度的分布规律，应变片的粘贴位置如图3.2所示。这样可以测量试件上下边缘、中性层及其他中间点的应变，便于了解应变沿截面高度变化的规律。表3-1原始参数表材料弹模(GPa)几何参数应变片参数应变仪灵敏系数K仪b（cm）h（cm）a（cm）灵敏系数K片电阻值(Ω)碳钢2102.04.010.02.001202.0由材料力学可知，矩形截面梁受纯弯时的正应力公式为式中：M为弯矩；y为中性轴至欲求应力点的距离；)12(3bhIz为横截面对z轴的惯性矩。本实验采用逐级等量加载的方法，每次增加等量的载荷⊿P，测定各点相应的应变增量一次，即：初载荷为零，最大载荷为4kN，等量增加的载荷⊿P为500N。分别取应变增量的平均值(修正后的值)实，求出各点应力增量的平均值实。图3-2纯弯梁贴片图图3-3纯弯梁受力图zIyM理9把测量得到的应力增量实与理论公式计算出的应力增量理加以比较，从而可验证公式的正确性，上述理论公式中的M按下式求出：材料力学中还假设梁的纯弯曲段是单向应力状态，为此在梁上（或下）表面横向粘贴6＃应变片，可测出ε，可由（ε横/ε纵）计算得到μ，从而验证梁弯曲时近似于单向应力状态。四、实验步骤1.确认纯弯梁截面宽度b=20mm,高度h=40mm,载荷作用点到梁两侧支点距离c=100mm。2.将传感器连接到BZ2208-A测力部分的信号输入端，将梁上应变片的公共线接至应变仪任意通道的A端子上，其它接至相应序号通道的B端子上，公共补偿片接在公共补偿端子