材料力学实验指导书(机自)

1实验一拉伸实验一、实验目的1．测定低碳钢(Q235)的屈服点s，强度极限b，延伸率，断面收缩率。2．测定铸铁的强度极限b。3．观察低碳钢拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化、颈缩等），并绘制拉伸曲线。4．熟悉试验机和其它有关仪器的使用。二、实验设备1．电子万能试验机；2．游标卡尺；3．试样刻线机。三、试件试件可制成圆形或矩形截面，圆形试件如图1-1所示。5--+试件中段用于测量拉伸变形，此段长度称为“标距”L0，两端较粗部分是夹持部分，为装入试验机夹头用。试件的形状和尺寸对试验结果有所影响，为了使各种材料的机械性能可以互相比较。所以《国家标准》对试件的形状和尺寸作了统一的规定（见GB6394-86）。四、试验方法1．低碳钢拉伸实验（1）在画线器上对试件画上标距L0=10d0（或5d0）两端打上冲眼，并在其内分若L0d00.8图1-1圆形试件2干等分格，刻上不深的线纹。（2）量试件直径。在标距范围内取中间及两端三个截面位置按两个相互垂直方向用游标卡尺各测一次，计算每个位置所测结果的平均值，并取其中最小数作为直径d0。并将测量结果填入表1-1。（3）根据低碳钢的强度极限b，估计所需要的最大载荷，选择测力度盘。（4）调整试验机。将试件夹于上夹头中，开动油泵电机，使横梁上升10mm左右，然后关闭油门，但电机不停，调整平衡锤使摆杆上的刻线对准机座上的横线。转动螺杆使指针对零，这样可补偿工作台重量造成的误差。开动下夹头的电机，使下夹头处于适当的位置，然后关闭电机，把试件夹好。调整自动绘图装置。（5）加载适当打开进油阀，缓慢加载，自动绘图装置绘出外力和变形的关系曲线。低碳钢的拉伸图如图1-2所示。试件在开始受力时，由于夹头和试件之间的空隙，随着加载试件的慢慢夹紧，在拉伸图上出现了0O’曲线段。当完全夹紧之后，出现O'A直线段，表明变形与载荷是成比例增加的。当载荷继续增加时，指针倒退一下，并作小的摆动时，图上出现锯齿形，说明材料到达屈服极限。习惯上称B为上屈服点，B’为下屈服点，因下屈服点较稳定，故取下屈服点所对应的载荷为屈服载荷Fs,继续增加载荷，曲线上升至D点达最大值Fb，记录Fb的数值。DEFBO'FSOB'AΔLFbΔL图1-2低碳钢拉伸曲线3图1-3铸铁拉伸曲线试件断口呈凸凹状，即韧性杯状断口。在试件加载时，（测力指针又称主动针）随载荷的增加向前移动，同时还推动另一个被动针前进。当达到最大载荷时，测力指针开始后退，而被动针则停留在载荷最大值刻度上。此时读数即为破坏载荷Fb。（6）关闭送油阀，关闭油泵电机。将描绘笔抬起取下拉伸曲线图。（7）打开回油阀，将工作油缸中的油放回油箱。注意当油将要放尽时，速度要缓慢，以免活塞受到冲击。（8）取下试件。测量拉断后的标距长L1，颈缩处最小直径d1。并将测量结果填入表1-2。2．铸铁的拉伸其方法步骤完全与低碳钢相同。因为材料是脆性材料，观察不到屈服现象。在很小的变形下试件就突然断裂（图1-3），只需记录下最大载荷Fb即可。b的计算与低碳钢的计算方法相同。六、试验结果及数据处理根据试验记录，计算应力值。屈服点0AFss强度极限0AFbb断面收缩率%100010AAA延伸率%100001LLL1表1-1试验前试样尺寸材料原始标距L0/mm原始直径d0/mm原始横截面面积A0/mm2截面Ⅰ截面Ⅱ截面Ⅲ(1)(2)平均(1)(2)平均(1)(2)平均低碳钢铸铁表1-2试验后试样尺寸和形状断裂后标距长度L1/mm断口（颈缩处最小直径d1/mm）断口处最小横截面面积A1/mm2（1）（2）平均试样断裂后简图低碳钢铸铁七、试验报告要求材料力学实验报告中应写明专业、班级、姓名、试验日期和试验环境条件等。其具体内容应有：（1）试验名称；（2）试验目的；（3）试验设备和仪器；（4）试验原理和方法的简述；（5）试验数据记录（如表格、F-△L曲线）、试验数据处理和试样断口形貌图；（6）试验误差和试验结果的讨论分析，回答本书中列出的思考题。采用统一的实验报告纸。八、思考题1．根据实验画出低碳钢和铸铁的拉伸曲线。2．根据实验时发生的现象和实验结果比较低碳钢和铸铁的机械性能有什么不同?3．低碳钢试样在最大载荷D点不断裂，在载荷下降至E点时反而断裂，为什么？2实验二压缩实验一、实验目的1．测定低碳钢的压缩屈服极限和铸铁的压缩强度极限。2．观察和比较两种材料在压缩过程中的各种现象。二、实验设备电子万能材料试验机、游标卡尺。三、实验试件金属材料压缩试件一般制成圆柱形，高与直径的比是3：1。具体规定见国家标准GB6394-86。四、实验方法1．用游标卡尺量出试件的直径d和高度h。2．根据低碳钢或铸铁的压缩极限b估计所需最大载荷，选择相应的测力度盘。3．调整试验机，将试件置于活动中央的垫板上，并在试件与上下压头接触处涂少量腊油，以减少磨擦。4．开动试验机，当工作台上升5mm左右时，指针调零。然后使工作台继续上升，当试件接近于上压头时，速度应该放慢，以免造成冲击。对低碳钢试件应注意观察屈服现象，并记录下屈服载荷Fs。其越压越扁，压到一定程度即可停止试验。对于铸铁试件，应压到破坏为止，记下最大载荷Fb。5．卸下试件，观察试样的变形和破坏情况。从图2-1a可以看出，低碳钢的压缩曲线与拉伸曲线在屈服以前是重合的。所以在实用上可以认为低碳钢是拉压等强度材料。低碳钢在受压过屈服点以后，愈压愈扁横截面面积逐渐增大，因此试件不可能压断。由于变形大认为已失去工作能力，即等于破坏。从图2-1b可以看出，铸铁的压缩曲线与拉伸曲线相似，但压缩的强度极限是拉伸的4~5倍。一般脆性材料抗压能力都高于抗拉能力。铸铁压缩时的断口与轴线约成45角，在45的斜截面上作用着最大的切应力，故其破坏方式是剪断。3五、试验结果及数据处理表2-1压缩实验结果材料直径mm屈服载荷kN最大载荷kN屈服极限MPa强度极限MPa碳钢铸铁低碳钢压缩屈服点0AFss铸铁压缩强度极限0AFbb五、试验报告要求材料力学实验报告中应写明专业、班级、姓名、试验日期和试验环境条件等。其具体内容应有：(1)简述实验名称、目的要求和实验过程。（2）根据两种典型材料的压缩曲线，比较它们在压缩过程中的变形和破坏现象，给出强度指标和试样破坏简图。（3）分析试验误差原因，对试验结果进行讨论。回答本书中列出的思考题。采用统一的实验报告纸。七、思考题1.分析铸铁破坏的原因，并与其拉伸作比较。FSF△L图2-1低碳钢和铸铁压缩曲线42.放置压缩试样的支承垫板底部都制作成球形，为什么？3.为什么铸铁试样被压缩时，破坏面常发生在与轴线大致成55~45的方向上？4.试比较塑性材料和脆性材料在压缩时的变形及破坏形式有什么不同？5.低碳钢和铸铁在拉伸与压缩时的力学性质有什么不同？5电测应力实验方法简介（此节供实验三、四预习用，不必写入报告）构件在外力作用下，其内部出现应力，并产生一定的变形，电测应力是利用电阻应变片，把非电量——应变量换成电量——电阻的变化来测得应力的方法。这种实验方法具有准确性较高，稳定性好，能用于高温、高压下等优点，还能测量动态应力，实现自动记录、快速测量遥控，并能与电子计算机配合。因此，在实验应力分析中获得了广泛的应用。电测应力的主要特点是，只能测量试件表面的近似于一点上的应变。在大应变下，误差较大。电测应力系统一般分为应变片、应变仪和显示器三部分。一、应变片把一段细的金属丝，夹贴在两张绝缘纸之间，就构成一个最简单的应变片,如图3-1所示。应变片用特制的胶水，贴在构件的测点上。当构件在外力的作用下伸长或缩短，应变片相应变形，其电阻也随着增加或减少。在一定条件下，电阻的改变量RR与应变LL成正比，即KLLKRR式中：R是应变片的原始电阻；图3-1应变片的构造6ΔR是变形后R的改变量；L是应变片的长度；ΔL是变形后L的改变量；LL称为应变；K是应变片的灵敏系数；显然，如测出应变片电阻的改变量，就可得到该点的应变，进而推算出应力。应变片上RR的数值是很微小的，另外，我们最终要求的是ε，而不是RR，电阻应变仪是把微弱的信号放大，并直接读出ε读数的仪器。电阻应变仪的基本原理，是采用惠斯登电桥作为测量电路(如图3-2)。当四个桥臂满足下述条件：4231RRRR时电桥平衡，检流计G中无电流通过。当R1（应变片）由于变形而使电阻变化时，电桥就失去平衡，用偏位法读数时，可直接从G上读取ε,用平衡法读数时，需将电桥调回平衡，然后从调节钮上读取ε读数。二、温度补偿片实验时不仅受力使应变片的电阻发生变化，当温度变化时，也会使应变片的电阻变化，从而引起测量上的误差。为此，要采取下述措施：设R1为贴在构件上的应变片，R2应选用与R1规格型号完全相同的应变片，贴在与R1相同材料的构件上，只是R1受力的作用，R2不受力。当温度变化时，由于温度变化而引起的电阻变化在R1和R2上相同。由惠斯登电桥原理可知，这时读数ε就不再受温度变化的影响，故R2就叫做补偿片。三、横向效应应变片是沿着长度方向工作的，当垂直于长度的方向有变形时，也会使应变片输出读数，从而引起误差，这种现象叫做横向效应。产生横向效应的原因，是因为应变片系由许多金属丝并联而成的。在并联处，也就是沿横向也出现了“工作段”。横向效应越小越好，但不可能全无。在精密的测量中，要根据应变片的横向效应系图3-2惠斯登电桥7数，用指定的公式对读数进行修正。四、半桥和全桥当用两个贴在测点上的应变片代替电桥上的两个桥臂，另两个桥臂由仪器内部的固定电阻来担任时，称为半桥接法。当贴在四个测点上的应变片，组成测量电桥时，称为全桥接法。五、应变片和应变花1．在单向应力场中，可贴一片应变片。应变片的长度方向与应力方向一致。可用单向拉压胡克定律求出应力，即σ=Eε。2．在平面应力场中，若主应力方向已知，可贴两片应变片，分别与两个主应力方向重合。如图3-3a所示。注意，此时分别输出的ε1和ε2，每一个读数都是由应变片长度方向应变和另一个主应力作用于横向效应而产生的应变的代数和。因此，还需要用一定的公式换算，才能得到真正的ε1和ε2。3．在平面应力中，若主应力方向亦未知，可按一定的角度贴三个应变片。如图3-3b、c、d所示通常把三个应变片做在一个基底上，叫应变花。根据应变花输出三个读数，可用一定的公式算出主应力的大小和方向。六、电阻应变仪介绍（一）YJ-28-P10R静态数字应变仪。1．用途和概述YJ-28-P10R型静态数字应变仪是在静力强度研究中测量结构材料任意点变形的应图3-3应变花8力分析仪器，配合相应的传感器，可以测力、压力、扭矩、位移、温度等物理量变化，它是机械、土建、水利、车辆、船舶、桥梁、铁路、矿井等专业的科研机构、工矿企业和高等院校在科研、设计、生产和施工中进行非破坏性的静态应变测量的一种精密仪器。YJ-28-P10R型静态数字应变仪采用直流电桥，低漂移放大器和大规模集成电路。具有数字显示，测量精度高，稳定性好，测试简便，速度快，准确可靠，体积小，重量轻，维护方便等优点。YJ-28-P10R型静态数字应变仪本身带有10点预调平衡装置可作多点测量。2．主要技术指标1）应变测量范围：0~19999με2）主辨率：1με/每个字3）基本误差：不大于测量值的±0.1%（±2个字）4）稳定性：（1）静稳定性（零点漂移）：4小时内不大于±2με（2）动稳定性（灵敏度变化）：2小时内不大于测量上限值的±0.1%5）灵敏系数：K=2，使用不同应变片K值，可根据表3-1在测量前进行校正。6）电阻平衡范围：±0.6Ω(应变片阻值为120Ω时)7）供桥电质：约2.5V8）电源：仪表供电电源频率为50Hz，电质为220V的交流电9）外形尺寸：300×280×12010）质量：约3.5kg3．仪器面板结构仪器前、后面板结构见图3-4。4．测量桥接法测量桥接法，分全桥接法和半桥接法二种。在一般测量中，多数采用半桥接法，在半桥接法时必须把前面板上D1DD2接线柱旋紧，并且短接好。后面板上每一路测量点和前面转换开点位置必须对应，