材料力学实验三四指导书

1材料力学实验指导书机电工程学院二O一四年十二2实验三金属材料扭转实验实验项目性质：验证性所涉及课程：材料力学计划学时：2学时【实验目的】1、测定低碳钢的屈服点（剪切屈服极限）τeL、抗扭强度（剪切强度极限）τm。2、测定铸铁的抗扭强度τm。3、观察、比较和分析上述两种典型材料在受到扭转载荷时的变形和破坏形式，并对试件断口进行分析。【实验设备】1.LCJ材料力学教学实验机，型号WDD-LCJ-150；2.游标卡尺；3.记号笔；4.低碳钢（Q235）、铸铁（HT）试件；【实验原理】低碳钢试件在发生扭转变形时，其T－φ曲线如图3所示，类似低碳钢拉伸实验，可分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和断裂阶段，相应地有三个强度特征值：剪切比例极限τe、剪切屈服极限τeL和剪切强度极限τm。对应这三个强度特征值的扭矩依次为Te、TeL、Tm。图3低碳钢扭转图在比例极限内，T与φ成线性关系，材料完全处于弹性状态，试件横截面上的剪应力沿半径线性分布。如图4(a)所示，随着T的增大，开始进入屈服阶段，TφOTeTeLTm3横截面边缘处的剪应力首先到达剪切屈服极限，而且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环塑性区，如图4(b)所示，但中心部分仍然是弹性的，所以T仍可增加，T－φ的关系成为曲线。直到整个截面几乎都是塑性区，如图4(c)所示。(a)(b)(c)图4低碳钢圆轴试件扭转时的应力分布示意图在T－φ出现屈服平台，示力度盘的指针基本不动或有轻微回摆，由此可读出屈服扭矩TeL，低碳钢扭转的剪切屈服极限值可由下式求出：tsWT43eL式中为试件的抗扭截面系数。屈服阶段过后，进入强化阶段，材料的强化使扭矩又有缓慢的上升，但变形非常明显，试件的纵向画线变成螺旋线，直至扭矩到达极限扭矩值Tm进入断裂阶段，试件被剪断，由示力度盘的从动针可读出，则低碳钢扭转的剪切强度极限τm可同下式求出：tmWT43m2．铸铁扭转实验：铸铁在扭转实验时，变形很小就突然断裂，其T－φ曲线如图2－10所示。图4铸铁扭转图从开始受扭，直到破坏，近似为一直线。没有屈服阶段和强化阶段，唯一的s3td16WττmτeLTOφTm4强度特征值是剪切强度极限τm可按线弹性公式计算求出，即：tmWTm3．试件的破坏现象分析：试件受扭，材料处于纯剪切应力状态，在试件的横截面上作用有剪应力，同时在与轴线成±45°的斜截面上，会出现与剪应力等值的主拉应力和主压应力，如图2－11(a)所示。(a)(b)(c)图5纯剪应力状态与扭转断口示意图低碳钢的抗剪能力比抗拉和抗压能力差，试件将会从最外层开始，沿横截面发生剪断破坏，如图5(b)所示，而铸铁的抗拉能力比抗剪和抗压能力差，则试件将会在与杆轴成45°的螺旋面上发生拉断破坏，如图5(c)所示。【实验步骤及内容】1、试样准备①量取试件标距：采用标准圆截面拉伸试样（长试件或短试件），试样的形状及尺寸见图（1）。取0010dl，0d=10mm,0l=100mm。首先用细砂布打磨光亮低碳钢试样表面，然后在试样的等值段内量取100mm，确定原始标距长度0l的两端点，用划线机（或铁钻子）轻轻打上印记，用粉笔（或金属笔）画一至两条纵向线。②量取试样直径：应用游标卡尺在标距长度的中央和两端的截面处，按两个垂直的方向测量直径，取其算术平均值，选用三处截面中最小值为0d值，并立即记入实验12τ45°45°σ2σ15报告。2、准备数据采集系统①启动微机。②启动“材料力学实验”软件。3．试样安装①安装扭转夹头。②安装扭转试样：将准备好的标准扭转试样，装入两夹头之间。方法是：首先将试样长度与实验机两夹头间距离比较一下，然后，点击程序操作板上的“允许加载”，点击集中力加载下的“上升”或“下降”按钮，使动力加载梁上下移动，直到两夹头距离适合装入试样。点击“扭转夹头复位”按钮，等待扭转上夹头转到零点位置，再将试样装入。图7扭转试验加载图4．设置扭转实验参数：按程序的实验步骤进行试验（具体操作参见程序中的提示）。5．试件加载①按下软件中操作板上的扭矩力“加载”按钮，加载开始。6②低碳钢这类塑性材料试件，调速一般在50~200即可；铸铁类脆性材料的试件调速应慢些，以4-50为宜。6、数据采集过程①一边观察实验机上试样标距范围内沿轴向变形的情况，一边注意显示器显示的实验曲线的变化情况。②低碳钢试样扭断需时较长，铸铁试样扭断需时较短，试件断裂后程序设置有自动停机，如若自动停机没有抓到，只需尽快点击扭矩力下的“停机”按钮即可停机。③停机后，存储XY曲线数据，存储实时数据。④取下断裂试样：a.观察试样的断口形状；b.对上茬口后，观察并测量标距及直径的尺寸变化。⑤填写实验报告，回放实验数据。7、实验完毕后①退出数据采集软件系统。②关闭微机。③关闭实验机电源。④清理现场。【实验数据记录及处理】试件材料低碳钢实验前截面直径mmd/0测量部位上中下121212测量数值平均值0d截面面积20/mmS7标距长度mmL/0屈服扭矩MkNTeL/铸铁拉伸扭转屈服极限kNeL/无最大扭矩MkNTm/扭转强度极限kNs/【实验注意事项】1、试件装夹前后，别忘了沿试件纵向用彩笔在试件上画线条，以利观察。2、塑性材料（如低碳钢）在扭转时的角位移很大，一般要转2-5圈，需稍长时间。3、脆性材料试件扭转到破断，时间较短，故应将速度调慢一些，慢慢加载。【实验结论】1.利用MATLAB软件绘制低碳钢、铸铁扭转曲线图，并打印。2.分析低碳钢、铸铁扭转断口特点与形状，拍照并打印。3.提交实验报告。【思考问题】1、根据试验记录，分析低碳钢与铸铁的扭转断裂原因。2、铸铁的压缩与扭转实验，试样断口都与试样轴线成45度左右，请分析不同的破坏原因。3、根据拉伸、压缩和扭转实验结果,总结低碳钢与铸铁的力学性能。8实验四纯弯曲梁实验实验项目性质：验证性所涉及课程：材料力学计划学时：2学时【实验目的】1．测定梁在纯弯曲时横截面上正应力大小和分布规律。2．验证纯弯曲梁的正应力公式。【实验设备】1、力尔公司材料力学教学试验机；2、游标卡尺、钢尺；3、弯曲试验装置力尔材料力学教学试验机配备的纯弯曲试验装置如图1所示，由上下两根梁叠放构成，上梁称为加载梁（或称为辅梁：2#梁），其作用是将加载头垂直加于附梁的中点处传来的载荷F，分为两个分力各为F/2，加载到下梁上，下梁称为纯弯曲试验梁（也称为主梁：3#梁），该梁接受了加载梁传来的两个支座反力，主梁在这两力作用点之间的部分，主梁成纯弯曲状态，故称为纯弯曲梁。纯弯曲梁为矩形截面。图1.纯弯曲试验装置图BH载荷P加载梁纯弯曲梁L2SL1CDAB9梁的各部分尺寸如下：L1=200mm，L2=400mm，S=50mm，B=30mm，H=50mm。其它尺寸见图2。【实验原理】纯弯曲主梁的中间段是纯弯曲变形，根据纯弯曲变形时，沿梁高各纵向纤维之间无挤压应力的假设，各纵向纤维是单向应力状态，故可用虎克定律ER，计算出各点处的理论应力，相应的贴片方案如下：贴片方案：1、使用如图3所示的惠斯登电桥43214UkeU—输出端电压；e—工作电压；k—应变片灵敏系数。R1、R2、R3、R4—桥臂电阻（应变片）；ε1、ε2、ε3、ε4—全桥时相应桥臂的应变值。2、纯弯曲试验梁的截面尺寸和应变片贴片方案如图2所示。纯弯梁测截面正应力，图2中，在纯弯曲段内，自上而下平均分布五个应变片，每个片的轴线与梁的轴线平行，温度补偿片贴在梁的端头接线盒内。图2中五个应变片各自组成1/4桥路，桥中R1为工作片，R2为温度补偿片；可测得各σi，形成纯弯梁横截面沿梁高的正应力分布规律，如图4所示。5个桥路顺次图2纯弯曲梁尺寸图40ABUeR1R2R3R4CD图3惠斯登电桥10接入1、2、3、4、5通道。通道分配如下：Ch1单臂桥Ch2单臂桥Ch3单臂桥Ch4单臂桥Ch5单臂桥主梁正应力ε1主梁正应力ε2主梁正应力ε3主梁正应力ε4主梁正应力ε5，试验时，弯曲试验装置的纯弯曲梁沿梁横截面高各点均为单臂桥，则有：keU4，或Uek4，主梁自上而下1、2、3、4、5点的实测应力为：iiER。（i=1、2、3、4、5；注意此时1、2应变为负值4、5应变为正值，3应变为0。）将试验值与相应点的理论计算值进行比较，以验证纯弯曲梁横截面上的理论弯曲正应力公式或正应力分布规律。比较梁截面上弯曲切应力的理论计算值和试验测得的实际值。在纯弯曲条件下，根据平面假设和纵向纤维间无挤压的假设，可得到梁横截面上任一点的正应力，梁的理论弯曲正应力公式：ZIMy式中：M——弯矩；ZI——横截面对中性轴的惯性；y——中性层到所求应力点的距离。【实验步骤及内容】1、量测弯曲试验装置的所有有关尺寸图2中所标注尺寸均为理论设计尺寸，因为有一定的加工误差和装配误差，故所有实际尺寸必须用游标卡尺及钢尺实测得到，测得的各个实际尺寸要记录于试验报告里。50R1R2R3R4R5图4主梁理论正应力分布规律图图112、按图5所示方式放置好纯弯曲试验装置并调试各通道平衡。图5纯弯曲梁加载图①启动微机；启动力尔试验系统；②首先取出主梁和附梁，放在台面上。③接通电缆，查看程序中菜单：系统/通道页面，观察1-5到信号，调整好各通道零点。④按图2所示方式先放主梁，再放副梁，梁之间垫放两个金属圆滚，注意对齐标记，放正位置。放置后如图5所示，放置时，如果动力加载梁的碍事，就请先调整加载梁高度，然后再试着放置。3、进入试验程序，设置试验参数（具体操作参见程序中的提示）。启动采集准备的过程（跳过零点之前）使用0.5~1mm/min，采集状态后，使用0.3或者0.5mm/min的加载速度加载。4、试验完毕后①在采集程序中存储XY数据曲线，停止数据采集；②选择“自动卸载”系统自动卸除载荷；③填写试验报告；查看分析数据与曲线；④退出数据采集软件系统，取下弯曲试验装置并放置好；⑤关闭微机；关闭试验机电源；清理现场。12【实验数据记录及处理】附表1（试件相关参考数据）附表2（实验数据）载荷（P-N）测量值（με）y1=-25y2=-12.5y3=0y4=12.5y5=25通道1通道2通道3通道4通道5读数增量读数增量读数增量读数增量读数增量读数增量00500500100050015005002000500平均值实i【实验注意事项】1、弯曲试验装置较重，取出、安装、放回时都要小心操作，双手抓牢，操作时千万不要脱手，以免砸伤手脚。同时要注意所带电线的顺畅，不要纠缠打结。2、加载时要求非常缓慢。①一边观察弯曲试验装置的变化情况，一边注意电脑显示器显示的试验曲线的变化情况；②弯曲试验装置的最大加载量为35kN，超载可能损坏装置。程序中设置有加载条件停机；但使用时，如果载荷超过35KN没有自动停机，必须立即手动停机，且要注意加载预紧力的情况下，一定要保证整个过程中，预紧力加上采集载荷，不要超过35kN.【实验结论】绘出实验应力值和理论应力值的分布图以横坐标表示各测点的应力R实和R理，以纵坐标表示各测点距梁中性层的位置。将各点用直线连接，实测用实线，理论用虚线。应变片至中性层距离（mm）梁的尺寸和有关参数y1-25宽度b=30mmy2-12.5高度h=50mmy30跨度L2=400mmy412.5载荷距离L1/2=100mmy525弹性模量E=70GPa泊松比μ=0.3惯性矩Iz=bh3/1213yR实验值与理论值比较，验证纯弯曲梁的正应力公式：测点理论值R实测值R相对误差12345注：相对误差=|R实−R理𝑅理|【思考问题】（1）电阻应变计是布设在梁的表面上，为什么把测得的表面上的应变看做梁截面的应变，其依据是什么？（2）如果梁采用的是拉压不等强度的材料（即压拉EE），其弯曲正应力在整个截面上的分布曲线较拉压强度相等材料梁将会有何变化？说出你的理由。