材料力学、工程力学实验指导书

《材料力学》《工程力学》实验指导书东北大学理学院力学实验中心二○○五年九月一日力学实验中心学生实验细则根据教学大纲要求和教务处的相关规定，学生应遵守如下实验细则：1．学生必须按照网上选课（或课表）指定时间到实验室上课，并由指导教师负责考勤。迟到5分钟以上者，不许参加本次实验。2．学生应对实验内容做充分预习，完成预习报告，并在上课前交给指导教师。无预习报告者不准参加此次实验。3．学生要认真完成实验要求的内容，遵守实验室的规章制度和仪器设备的操作规程，不许做与本次实验无关的事情。4．实验过程中，每人要记录一份原始数据，由实验指导教师签字后方可生效，附在实验报告中，无原始记录，实验报告无效。5．学生必须认真完成实验报告，若发现抄袭者，双方实验成绩均以0分计。6．每次实验课前要完成上次的实验报告，并交给指导教师。7．实验课的成绩占本门课程总成绩的百分之十，实验课成绩不及格者，不准参加本门课程的期末考试。8．要注意保持实验室卫生，不许随地吐痰、乱扔杂物。实验结束后要整理现场。力学实验中心目录实验一拉伸实验……………………………………………………1实验二压缩实验……………………………………………………5实验三扭转实验………………………………………………………9实验四电阻应变测量基本原理………………………………………14实验五弹性模量及泊松比的测定………………………………………………18实验六梁弯曲正应力测定…………………………………………………21实验七复合梁实验……………………………………………………25实验八薄壁圆筒在弯扭组合作用下的应力测定……………………29实验九静定和静不定组合变形实验………………………………………33实验十薄壁开口截面梁的弯曲中心测定………………………………40实验十一功的互等定理实验………………………………………………………43实验十二压杆稳定实验………………………………………………45实验十三动荷框架实验……………………………………………………48实验十四等强度梁冲击动应力及动荷系数测试实验……………………50实验十五复合材料力学性能分析实验……………………………………………53实验十六硬度实验……………………………………………………………55实验十七冲击实验……………………………………………………………581实验一拉伸实验常温静载拉伸实验是基本的材料力学性能实验。一些主要的力学性能通过拉伸实验来测定。实验中要了解低碳钢（典型塑性材料）和铸铁（典型脆性材料）拉伸过程。一、实验目的1．测定低碳钢在拉伸过程中的几个主要力学性能指标；屈服极限sσ、强度极限bσ、延伸率δ和截面收缩率ψ。测定铸铁的强度极限bσ。2．观察这两种材料的拉伸过程和破坏现象、绘制拉伸时的FlΔ曲线。二、实验设备及仪器1.WDW-100电子式万能试验机2.游标卡尺三、实验原理为了使试验数据可以互相比较。应按国家标准GB6397-86的规定，做成标准试件。如因材料尺寸限制等原因不能做成标准试件时，按此规定也可做成比例试件。表1-1为圆形截面标准试件和比例试件的国标规定。对于板材，可制成矩形截面。圆形试件标距0010dl=和短试件005dl=，矩形试件截面面积和标距0l之间的关系为0l=11.30A或0l=5.60A。试件两端为夹紧部分，因夹具类型不同圆形试件端部可做成圆柱形、阶梯形或螺纹形（图1-1）塑性材料在拉伸过程中的力学现象和脆性材料有明显的不同。图1-2（a）表示低碳钢静拉伸试验FlΔ曲线。整个过程主要包括线弹性变形阶段，（OA），塑性屈服阶段（BC），强化阶段（CD），局部颈缩阶段(DE)。在塑性屈服阶段金属材料的塑性变形是由于晶面间产生滑移的结果，在抛光试件表面可以观察到沿最大剪应力方向的滑移线。直到最后断裂。图1-2(b)表示铸铁的拉伸过程，在经过不大的塑性变形后即脆性断裂。实验中要测定的强度指标为屈服极限sσ和强度极限bσ。屈服极限sσ定义为屈服时载荷sF和初始截面积0A之比，低碳钢屈服时FlΔ曲线有波动，抗拉强度bσ定义为最大载荷bF与初始截面面积0A之比。于是0/AFss=σ0/AFbb=σ国标GB228-87规定，屈服点sσ：出现屈服现象的金属材料，试样在试验过程中不增250d6.10l6.16.1图1-12加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力。如力发生下降，应区分上、下屈服点。上屈服点suσ：试件发生屈服而力首次下降前的最大应力，下屈服点slσ：当不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小应力。图1–2(a)图1–2(b)表1-1试件尺寸和允许偏差标距长度0l（mm）横截面面积0A（2mm）圆形试件直径0d（mm）试件延伸率表示记录长8010δ标准的短5053.485δ长11．30A10δ比例的短5.60A任意任意5δ试件标距部分尺寸偏差(mm)试件直径(mm)0dl标距内（minmaxdd−）允许偏差(mm)0d10±0.1±0.10.02≥0d10±0.2±0.10.05表征材料塑性大小的两个指标为延伸率δ和截面收缩率ψ，分别为%100001×−=lllδ%100010×−=AAAψ式中0l，0A分别为试验前的标距和截面面积。标样lΔ0FbFlΔ0FbFsFpFABCDE31l，1A分别为拉断后的标距和截面面积。四、试验步骤1．用游标卡尺在试件标距内取三处，测每一处截面两个互相垂直方向的直径，取平均值。因在计算材料强度时，一般考虑试件从最薄弱处的截面破坏。故取三处中最小的平均直径用作计算截面面积。2．将试件安装在试验机的上下夹头内。3．将原始数据输入计算机内,用鼠标按《上升》按钮。实验结束后自动结束。4．实验结束后，取下试件，对准断口、测量试件断后的断口处最细部位的直径1d。五、实验数据记录专业班级姓名实验日期试验前直径0d(mm)截面I截面II截面III材料标距0l(mm)（1））（2）平均（1）（2）平均（1）（2）平均横截面面积0A（2mm）低碳钢80.00铸铁试验后断口直径1d(mm)材料标距1l(mm)（1）（2）平均断口横截面面积低碳钢低碳钢：=sFKN，=bFKN铸铁：=bFKN六、思考题1．比较低碳钢和铸铁的拉伸力学性能。2．在金属材料拉伸时的力学性能指标中哪些是材料的强度指标？哪些是材料的塑性指标？3．低碳钢拉伸图大致可分几个阶段？各阶段有何特征？七、实验报告要求专业班级姓名实验日期1．实验目的：42．实验设备：3．实验步骤4．实验数据记录：1)试件尺寸试验前直径0d(mm)截面I截面II截面III材料标距0l(mm)（1））（2）平均（1）（2）平均（1）（2）平均横截面面积0A（2mm）低碳钢80.00铸铁试验后断口直径1d(mm)材料标距1l(mm)（1）（2）平均断口横截面面积低碳钢2)计算结果：低碳钢：==0AFssσMpa==0AFbbσMPa=×−=%10000110lllδ%=×−=%100010AAAψ%铸铁：==0AFbbσMPa3）绘制低碳钢和铸铁试件的FlΔ曲线及断口形貌。5．回答思考题6．对实验的建议和感想。5实验二压缩实验一、实验目的1．测定低碳钢压缩时的屈服极限sσ。2．铸铁压缩强度极限bσ。3．观察断口特征，分析破坏原因。二、实验设备及仪器万能材料实验机（结构图2—4）、游标卡尺、低碳钢和铸铁压缩试件。三、实验原理金属材料的压缩试件制成圆柱形（图2--1）。规定31≤≤dh。试件太细长容易压弯，太短时，试件端面和试验机垫板之间的摩擦约束力对试件的承载能力将产生影响，因而要求端部加工光洁度为97∇−∇，试验时接触面适当润滑。试件和机器平台加球形垫板，使压力自动调中。低碳钢试件压缩有较短的屈服阶段（图2–2a），测力盘指针停顿或稍后退时记下屈服极限载荷sF屈服强度:0AFss=σ因为低碳钢没有压缩强度极限，故屈服后即停止试验。铸铁压缩时只有强度极限载荷bF（图sFFlΔ0bFFlΔ0图2–2a7∇dh图2–1压缩试件图2–2b62-2b），故压缩强度极限0AFbb=σ铸铁试件的断裂面接近于45斜面（图2-3）。试件dh越大断口越接近45，这与端面摩擦约束的影响有关。45面为最大剪应力平面，故铸铁试件压缩的断口为剪切破坏。四、实验步骤1．测量试件直径。估计最大载荷和选测力盘及相应摆锤，测力盘指针调零。2．安放试件，注意载荷对中。3．打开总开关，接通电源，开动油泵电机。打开进油阀使上夹头（工作台）上升到距压头上端30mm时，关闭进油阀，将试件放于压缩平台上。4．缓慢拧开送油阀进行加载实验，记下低碳钢试件屈服载荷sF值，过屈服后停止试验。铸铁试件压断为止，记下强度载荷bF值。5．试件断裂后，关闭油阀，并停止油泵电机。取下断裂试样，观察断口。6．打开回油阀，卸载后关闭油阀，并将从动针拨回零点。7．切断电源。摩擦力图2-37图2–41---测力活塞杆2---测力液压缸3---摆锤4---摆杆5---平衡轮6---推杆7---指针8---拉杆9---测力油管10---油箱11---油泵12、18---送油管13---送油阀14---回油阀15---回油管16---齿杆17---测力刻度盘19---上横梁20---工作活塞21---工作油缸22---活动立柱23---固定横头24---上垫板25---压缩试样26---下垫板27---活动台28---弯曲支座29---上夹头30---下夹头31---螺柱32---固定立柱33---底座34---下夹头驱动电动机五、实验数据记录直径0d（mm）sF或bFKN材料(1)(2)低碳钢铸铁8六、思考题1．铸铁试件断口平面有何特征？是什么应力引起的？2．比较低碳钢拉伸与压缩的屈服极限sσ是否相近。3．比较铸铁拉伸与压缩的强度极限bσ。4．分析铸铁试件压缩时沿轴线声呈°45破坏原因。5．试分别比较低碳钢和铸铁在压缩过程中的异同点及力学性能。七、实验报告要求专业班级姓名实验日期实验报告格式（见附页）是参考性的，同学们完全可以比照上述原则，自拟一份报告。在实验报告的最后部分，可以提出自己的见解、讨论存在的问题，并回答教师布置的思考题。专业班级姓名实验日期1．实验目的：2．实验设备：3．实验数据记录：材料低碳钢屈服极限:0AFss=σ铸铁压缩强度极限：0AFbb=σ4.回答思考题。5.对实验的建议和感想。实验前实验结果直径0d（mm）(1)(2)平均截面面积0A(2mm)sF或bFKNsσ或bσMPa低碳钢铸铁9实验三扭转实验一、实验目的1．测定低碳钢的剪切屈服极限sτ，剪切强度极限bτ。2．测定铸铁的剪切强度极限bτ。二、实验设备及仪器NJ-50B型扭转试验机，游标卡尺，低碳钢与铸铁扭转试件。三、实验原理遵照国家标准（GB/T10128-1988）采用圆截面试样的扭转试样，可以测定各种工程材料在纯剪切情况的力学性能。如材料剪切屈服点sτ和抗剪强度bτ等。圆截面试样须按上述国家标准制成（如图3-1所示）。试样两端的夹持段铣平，这样可以有效防止试验时在试验机卡头中打滑。.0.48Ou0.5R10图3–1图3–21–电流表2---记录器开关3---停止按钮4---扭转速度表5---调III-I记录器停反正电源10速电位器6---速度换档开关7---电源开关8---复位按钮9---记录器指示灯10---电源指示灯试件承受的扭矩在剪切比例极限以内时，处于线弹性阶段OA（图3-3a），切应力和切应变服从虎克定律，即γτG=图3-3当扭矩超过pM，试件表面开始形成塑性区，转角越大，塑性区越深入到中心，ϕ−M曲线开始平坦，一直到B点，这时snMM=，可以近似的认为整个截面切应力都达到屈服极限sτ（图3–3b）.则∫∫===AAnssssWdAdAMτρτρτ34或nssWM43=τ其中163dWnπ=变形过B点后材料开始强化，一直到C点时剪断，bτ近似值为:nbbWM43=τ铸铁因抗拉能力弱，故扭转破坏时断口呈°45螺旋曲面，被°45方向上的主应力所拉断nMϕ0bM•••nMϕABbMsM0pMC（b）铸铁(a)低碳钢11（图3-5）。部颁标准YB36—64