材料力学实验教案

第十三章材料力学第一节低碳钢的拉伸实验一、实验名称低碳钢的拉伸实验。二、实验目的1．测定低碳钢的屈服极限σs、强度极限σb、伸长率δ和断面收缩率Ψ；2．观察低碳钢拉伸过程中的弹性变形、屈服、强化和缩颈等物理现象；3.熟悉材料试验机和游标卡尺的使用。三、实验设备1．手动数显材料试验机2．MaxTC220试验机测试仪3．游标卡尺四、试样制备低碳钢试样如图所示，直径d=10mm，测量并记录试样的原始标距L0。五、实验原理1.材料达到屈服时，应力基本不变而应变增加，材料暂时失去了抵抗变形的能力，此时的应力即为屈服极限σs。2.材料在拉断前所能承受的最大应力，即为强度极限σb。3.试样的原始标距为L0，拉断后将两段试样紧密对接在一起。量出拉断后的长度L1，伸长率为拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比，即%100LLL0014.拉断后，断面处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比为断面收缩率，即%100AAA010式中A0—试样原始横截面积；A1—试样拉断后断口处最小横截面积。六、实验步骤1．调零。打开力仪开关，待示力仪自检停后，按清零按钮，使显示屏上的按钮显示为零。2．加载。用手握住手柄，顺时针转动施力使动轴通过传动装置带动千斤顶的丝杠上升，使试样受力，直至断裂。3．示力。在试样受力的同时，装在螺旋千斤顶和顶梁之间的压力传感器受压产生压力信号，通过回蕊电缆传给电子示力仪，电子示力仪的显示屏上即用数字显示出力值。4．关机。实验完毕，卸下试样，操作定载升降装置使移动挂梁降到最低时关闭力仪开关，断开电源。七、数据处理1.记录相关数据参数原始直径断口直径原始标距拉断后标距长度（mm）do=10mmd1=Lo=L1=2.计算伸长率δ和断面收缩率Ψ%100LLL001%100AAA0103.在应力应变图中标出屈服极限σs和强度极限σb八、应力应变图分析低碳钢的拉伸过程分为四个阶段，分别为弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段。1.弹性变形阶段：在拉伸的初始阶段，应力和应变的关系为直线，此阶段符合胡克定律，即应力和应变成正比；2.屈服阶段：超过弹性极限后，应力增加到某一数值时，应力应变曲线上出现接近水平线的小锯齿形线段，此时，应力基本保持不变，而应变显著增加，材料失去了抵抗变形的能力，锯齿线段对应的应力为屈服极限；3.强化阶段：经屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形，必须增加拉力，强化阶段中最高点对应的应力为材料所能承受的最大应力，即强度极限；4.缩颈阶段：当应力增大到最大值之后，试样某一局部出现显著收缩，产生缩颈，此后使试样继续伸长所需要的拉力减小，最终试样在缩颈处断裂。九、实验作业1．说明测定屈服极限σs、强度极限σb、伸长率δ和断面收缩率Ψ的实验原理及拉伸实验的实验步骤；2.根据实验过程中记录的数据，计算材料的伸长率δ和断面收缩率Ψ；3.在应力应变图中标出屈服极限σs和强度极限σb；4.对应力应变图进行分析。第二节测定材料弹性模量E一、实验名称测定材料的弹性模量。二、实验目的1．掌握测定Q235钢弹性模量E的实验方法；2．熟悉CEG-4K型测E试验台及其配套设备的使用方法。三、实验设备及仪器1．CEG-4K型测E试验台2．球铰式引伸仪四、主要技术指标1.试样：Q235钢，如图所示，直径d=10mm，标距L=100mm。2.载荷增重ΔF=1000N（砝码四级加载，每个砝码重25N，初载砝码一个，重16N，采用1：40杠杆比放大）五、实验原理实验时，从F0到F4逐级加载，载荷的每级增量为1000N。每次加载时，记录相应的长度变化量，即为ΔF引起的变形量。在逐级加载中，如果变形量ΔL基本相等，则表明ΔF与ΔL为线性关系，符合胡克定律。完成一次加载过程，将得到ΔL的一组数据，实验结束后，求ΔL1到ΔL4的平均值ΔL平，代入胡克定律计算弹性模量。即备注：引伸仪每格代表0.001mm。六、实验步骤及注意事项1．调节吊杆螺母，使杠杆尾部上翘一些，使之与满载时关于水平位置大致对称。2．把引伸仪装夹到试样上，必须使引伸仪不打滑。EAlFl001.0注意：对于容易打滑的引伸仪，要在试样被夹处用粗纱布沿圆周方向打磨一下。引伸仪为精密仪器，装夹时要特别小心，以免使其受损。采用球铰式引伸仪时，引伸仪的架体平面与试验台的架体平面需成45°左右的角度。3．挂上砝码托。4．加上初载砝码，记下引伸仪的初读数。5．分四次加等重砝码，每加一次记录一次引伸仪的读数。注意：加砝码时要缓慢放手，以使之为静载，防止砝码失落而砸伤人、物。6．实验完毕，先卸下砝码，再卸下引伸仪。七、数据记录及计算1.原始数据记录分级加载初载一次加载二次加载三次加载四次加载引伸仪读数L0=L1=L2=L3=L4=2.计算（1）各级形变量的计算分级加载一次加载二次加载三次加载四次加载平均值形变量ΔL1=ΔL2=ΔL3=ΔL4=ΔL平=（2）材料面积的计算4dA2（3）弹性模量的计算（弹性模量单位MPa）EAlFl001.0平八、实验作业1．说明测定弹性模量E的实验原理、步骤及注意事项；2．根据实验过程中记录的原始数据，计算材料的弹性模量E。第三节低碳钢和铸铁的扭转实验一、实验名称低碳钢和铸铁的扭转实验。二、实验目的1．测定低碳钢的剪切屈服极限S及剪切强度极限b；2．测定铸铁的剪切强度极限b；3．观察比较两种材料扭转变形过程中的各种现象及其破坏形式，并对试件断口进行分析。三、实验设备及仪器1．扭转试验机2．游标卡尺四、试样制备低碳钢和铸铁试样如图所示，直径d=10mm，分别测量并记录试样的原始标距L0。五、实验原理扭转实验是将材料制成一定形状和尺寸的标准试样，置于扭转试验机上进行的，利用扭转试验机上面的自动绘图装置可绘出扭转曲线，并能测出金属材料抵抗扭转时的屈服扭矩ST和最大扭矩bT。通过计算可求出屈服极限S及剪切强度极限b。tSSWTtbbWT其中：16dWt3六、实验步骤1．测量试件标距；2．选择试验机的加载范围，弄清所用测力刻度盘；3．安装试样，调整测力指针；4．实验测试。开机缓慢加载，注意观察试件、测力指针和记录图，记录主要数据，在低碳钢扭转时，有屈服现象，记录测力盘指针摆动的最小扭矩为屈服扭矩Ts，直至实验结束记录最大扭矩Tb；5．铸铁在扭转时无屈服现象，直至实验结束记录最大扭矩Tb；6．关机取下试件，将机器恢复原位。七、数据记录及处理1.原始数据记录材料直径d0(mm)标距L0(mm)屈服扭矩Ts(Nm)最大扭矩Tb(Nm)低碳钢10铸铁10——————2.计算（1）抗扭截面系数Wt的计算（单位mm3）16dWt3（2）低碳钢的屈服极限S及剪切强度极限b的计算（单位MPa）tSSWTtbbWT（3）铸铁剪切强度极限b的计算（单位MPa）tbbWT八、绘制断口示意图并分析破坏原因(a)低碳钢断口示意图(b)铸铁断口示意图破坏原因分析：低碳钢材料的抗剪能力低于抗拉（压）能力，低碳钢扭转时沿最大切应力的作用面发生断裂，为切应力作用而剪断，因此，其破坏断面与曲线垂直，见图(a)所示；铸铁材料的抗拉强度较低，铸铁扭转时沿最大拉应力的作用面发生断裂，由应力状态可知，纯剪切最大拉应力作用的主平面与X轴夹角为45°，因此，铸铁圆形试件破坏断面与轴线成45°螺旋面，如图(b)所示。九、实验作业1．说明测定低碳钢剪切屈服极限S、剪切强度极限b及铸铁剪切强度极限b的实验原理及步骤；2．根据实验过程中记录的原始数据，计算低碳钢的剪切屈服极限S、剪切强度极限b及铸铁的剪切强度极限b；3．绘制低碳钢和铸铁的断口示意图，并分析其破坏原因。ABCDLaa1Lb2F2F2F2Fh第四节矩形截面梁纯弯曲正应力的电测实验一、实验名称矩形截面梁纯弯曲正应力的电测实验二、实验目的1．学习使用电阻应变仪，初步掌握电测方法；2．测定矩形截面梁纯弯曲时的正应力分布规律，并与理论公式计算结果进行比较，验证弯曲正应力计算公式的正确性。三、实验设备1．WSG－80型纯弯曲正应力试验台2．静态电阻应变仪四、主要技术指标1．矩形截面梁试样图1试样受力情况材料：20号钢，E=208×109Pa；跨度：L=600mm，a=200mm，L1=200mm；横截面尺寸：高度h=28mm，宽度b=10mm。2．载荷增量载荷增量ΔF=200N（砝码四级加载，每个砝码重10N采用1：20杠杆比放大），砝码托作为初载荷，F0=26N。3．精度满足教学实验要求，误差一般在5%左右。五、实验原理如图1所示，CD段为纯弯曲段，其弯矩为Fa21M，则m6N.2M0，m20NM。根据弯曲理论，梁横截面上各点的正应力增量为：zIMy理（1）式中：y为点到中性轴的距离；Iz为横截面对中性轴z的惯性矩，对于矩形截面12bhI3z（2）由于CD段是纯弯曲的，纵向各纤维间不挤压，只产生伸长或缩短，所以各点均为单向应力状态。只要测出各点沿纵向的应变增量，即可按胡克定律计算出实际的正应力增量实。E实（3）在CD段任取一截面，沿不同高度贴五片应变片。1片、5片距中性轴z的距离为h/2，2片、4片距中性轴z的距离为h/4，3片就贴在中性轴的位置上。测出各点的应变后，即可按（3）式计算出实际的正应力增量实，并画出正应力实沿截面高度的分布规律图，从而可与（1）式计算出的正应力理论值理进行比较。六、实验步骤及注意事项1．开电源，使应变仪预热。2．在CD段的大致中间截面处贴五片应变片与轴线平行，各片相距h/4，作为工作片；另在一块与试样相同的材料上贴一片补偿片，放到试样被测截面附近。应变片要采用窄而长的较好，贴片时可把试样取下，贴好片，焊好固定导线，再小心装上。3．调动蝶形螺母，使杠杆尾端翘起一些。4．把工作片和补偿片用导线接到预调平衡箱的相应接线柱上，将预调平衡箱与应变仪联接，接通电源，调平应变仪。5．先挂砝码托，再分四次加砝码，记下每次应变仪测出的各点读数。注意加砝码时要缓慢放手。6．取四次测量的平均增量值作为测量的平均应变，代入（3）式计算可得各点的弯曲正应力，并画出测量的正应力分布图。7．加载过程中，要注意检查各传力零件是否受到卡、别等，受卡、别等应卸载调整。8．实验完毕将载荷卸为零，工具复原，经指导老师检查方可关闭应变仪电源。七、数据处理1．计算弯曲梁截面各点处的理论正应力增量（1）记录测点的位置测点编号12345测点至中性轴的距离y(mm)1470714（2）计算矩形横截面对中性轴z的惯性矩Iz12bhI3z（3）根据公式直接计算各点的理论正应力增量zIMy理测点编号12345理论正应力增量(MPa)2．计算弯曲梁截面各点处的实际正应力增量（1）各测点原始数据记录测点初载一次加载二次加载三次加载四次加载1应变仪读数ε0=ε1=ε2=ε3=ε4=2应变仪读数ε0=ε1=ε2=ε3=ε4=3应变仪读数ε0=ε1=ε2=ε3=ε4=4应变仪读数ε0=ε1=ε2=ε3=ε4=5应变仪读数ε0=ε1=ε2=ε3=ε4=（2）各测点应变增量的计算测点一次加载二次加载三次加载四次加载平均值1应变增量Δε1=Δε2=Δε3=Δε4=Δε平=2应变增量Δε1=Δε2=Δε3=Δε4=Δε平=3应变增量Δε1=Δε2=Δε3=Δε4=Δε平=4应变增量Δε1=Δε2=Δε3=Δε4=Δε平=5应变增量Δε1=Δε2=Δε3=Δε4=Δε平=（3）各测点实际正应力增量的计算E实测点编号12345实际正应力增量(MPa)3．计算各测点理论与实际正应力的误差e%100e理实理八、实验作业1．说明矩形梁纯弯曲正应力电测实验的原理、实验步骤及注意事项等；2．分别计算各测点的理论和实际弯曲正应力增量，验证弯曲正应力公式的正确性；3．绘制弯曲正应力沿截面高度的分布规律图。测点编号12345误差e第五节测定材料切变模量G一、实验名称测定材料切变模量G。二、实验目的1．掌握测定Q235钢切变模量G的实