工程力学实验指导书-孙凯

工程力学实验指导书编著：张功学陕西科技大学二00六年十二月3.1材料的拉伸实验拉伸实验是对塑性材料和脆性材料在常温静载作用下，测定其力学性能的试验。试验中测得的力学性能指标，是工程设计以及鉴定工程材料的主要依据。本试验采用低碳钢和铸铁作为塑性材料和脆性材料的代表，分别进行拉伸试验。一、实验目的：(1)了解材料受拉伸时，力与变形的关系，绘制拉伸图(F－Δl曲线)。(2)测定低碳钢的屈服极限σS、强度极限σb、延伸率δ和截面收缩率ψ。(3)测定铸铁的强度极限σb、延伸率δ和截面收缩率ψ(4)比较低碳钢与铸铁的力学性能、破环过程和现象。二、实验设备：万能试验机、游标卡尺。三、试件：实验表明，试件的尺寸和形状对实验结果有影响，为了避免这种影响和便于对各种材料力学性能的测试结果可进行比较，国家标准对试件的尺寸、形状作了统一规定，根据规定，拉伸试件可制成圆形或矩形截面，实验前、后的试件如图所示。图3-1低碳钢拉伸前后试件比较其中拉伸试件还可分为比例试件和非比例试件两种。比例试件应符合如下关系：0AKL式中L——为标距即计算长度；A0——为初始横截面面积；K——系数，通常为5．65和11．3，前者称短试件，后者称长试件。对圆形截面：长试件L＝10d0短试件L＝5d0对矩形截面：长试件L＝11．3√A0短试件L＝5．65√A0对于非比例试件，例如成品材料型材、板材、管材或细丝等，测试长度与横截面面积无一定比例关系。试件两端较粗部分是为装入试验机夹头中的夹持部分，该部分形状视试验机夹头的要求而定，可制成圆柱形、阶梯形或螺纹形，其长度至少应为试验机楔形夹具长度的三分之二。四、实验原理：1、低碳钢拉伸：金属材料拉伸时的力学性能指标，是由拉伸试验来确定的。为此，将试件按国标规定加工成标准试件，在万能试验机上进行加载试验。试验时，利用试验机的绘图装置可以绘出测试材料的拉伸曲线图，下图为低碳钢的拉伸曲线图（F-Δl）。图3-2低碳钢拉伸曲线图（F-Δl）应当指出，由于在加载的最初阶段，试件夹持部分在夹头内有滑动等因素，因此绘出的拉伸图的最初一段呈现曲线。但实际上最初这段线条应是直线，故应将直线部分延长使与Δl轴相交，交点O定为坐标原点。对于低碳钢屈服阶段的F-ΔL图是锯齿形。B点为上屈服点，即屈服阶段中力第一次下降前的最大载荷，用FSU来表示，对有明显屈服现象的材料，一般只需要测定下屈服点C，用FS来表示。由于下屈服点比较稳定，工程上均以此作为材料析屈服载荷。在屈服阶段中，指针无规则来回摆动，要准确判读屈服载荷读数有一定的难度，一般的判读是试验机测力指针第一次回转后所指示的最小载荷为下屈服点载荷。过了屈服阶段，继续加载曲线上升，至载荷达到最大值D点，此时也是试件的名义应力达到最大值。过了D点，拉伸曲线开如下降，测力指针开始倒退，这时可观察到试件在某一截面附近产生局部变形，即颈缩现象出现，直至E点试件断裂。2、铸铁拉伸图3-3铸铁拉伸曲线图（F-Δl）铸铁为脆性材料。试件受拉伸后、通过绘图器绘出的铸铁拉伸图如图所示。图中其拉伸的最初阶段也没有直线段，说明在载荷很小的情况下，弹性变形的增长也不与载荷成正比。铸铁试件在拉伸过程中变形很小，没有屈服现象和颈缩现象，当载荷达到最大值时，断裂突然发生。因此，对铸铁只测定其最大载荷，即可得到强度极限。五、实验步骤低碳钢拉伸：1、试件准备采用长试件(L＝10d)。用游标卡尺在试件标距两端和中间部位,分别沿相互垂直的两个方向各测量一次直径，并计算这三处的平均值，取其最小者作为试件直径d，并计算出试件的横截面面积A0。2、试验机准备根据低碳钢的强度极限σb和横截面面积A0，估算出试验所需的最大载荷Fb，选择合适的测力度盘，并配以相应的摆锤。将缓冲器调至适当位置，调整测力指针使其对准零点，调整好绘图装置。3、安装试件先把试件夹持在试机的上夹头内，再将下夹头移动至试件所需的夹持位置，并把试件下端夹紧。4、进行实验开动实验机，缓慢匀速加载，随时观察测力指针与绘图笔的移动情况。对低碳钢试件，分别判读出FSU，FSL并记录，继续加载，观察曲线变化规律，直至载荷达到最大值。这时测力指针倒退，则可由副针读取最大载荷Fb，仔细观察颈缩现象的发生和发展。试件拉断后，取出试件观察断口。5、延伸率和截面收缩率的测定为了测定延伸率，将拉断试件的两端对齐并尽量靠紧，由于断口附近塑性变形最大，所以拉断后的新长度L’的量取与断口的部位有关，L’可用下述方法之一测定。（1）直测法：如果断口到邻近标记点的距离大于L/3时可用时可用游标卡尺直接测量两端点间的距离。（2）移中法：如果断口到邻近标距离小于或等于L/3，则应按下述方法确定拉断后试件标距部分的长度L’。利用试验前将试件等分刻画的10个小格，在拉断后的长段上，由断口处取基本等于短段的格数，定出B点，若长段内所余格数为偶数时。接着取所余格数的一半得C点，则移动中后的新长度L’为：L’=l、+2l〞。当长段所余格数为奇数时，接着取所余格数减1后的一半得C点、加1后一半得C1点，如图2-4(C)所示，则移中后的新长度L’为：L1=l、+2l〞+a当断口非常靠近试件两端或在试件标距外时，认为试验结果无效需重作试验。为了测定截面收缩率，应将两段试件紧密地对接在一起，在断口颈缩处沿两个互相垂直方向各测量一次直径，算出平均值即为拉断后新直径d’，用来计算断口处横截面面积A’。铸铁拉伸(1)试件准备与尺寸测量；调整测力盘指针归零；装夹试件；准备好绘图装置等试验步骤均同低碳钢拉伸试验。(2)进行试验。开机，缓慢加载，直至试件拉断，读出并记录最大载荷值，此即为铸铁的强度极限载荷Fb。(3)取出试件，仔细观察断口并与低碳钢拉伸试件断口比较。(4)试验结束后，取下绘出的拉伸图纸，注明坐标及绘图比例。将试验机的机构，部件复原，清理试验现场。下图为脆性材料（铸铁）拉伸实验前后的试件图。它在拉伸过程中没有塑性破坏现象，所以它的断裂面是沿着横截面断裂的。图3-4铸铁拉伸前后试件比较六、实验结果处理(1)根据测得的屈服载荷Fs和最大载荷Fb计算屈服极限σS和强度极限σb屈服极限：）（MPaAFss0强度极限：）（MPaAFbb0(2)根据试验前后的试件标距长度和截面面积、计算出低碳钢的延伸率δ和截面收缩率ψ。延伸率：%100'LLL截面收缩率：%1000'0AAA(3)计算结果保留三位有效数字。七、实验报告实验报告建议采用表格或图形的形式表达，并附以必要的文字说明。拉伸试验报告推荐以下格式。材料力学实验报告(供参考)实验名称：实验目的：实验设备：1、实验记录及计算结果(1)试件尺寸(2)实验数据及计算结果低碳钢实验屈服点载荷：Fs=（T）=（N）最大载荷：Fb=（T）=（N）屈服极限：）（MPaAFss0=强度极限：）（MPaAFbb0=延伸率：%100'LLL=截面收缩率：%1000'0AAA=铸铁实验最大载荷：Fb=（T）=（N）强度极限：）（MPaAFbb0=2.绘制F-ΔL曲线及断口形状(定性画出，但不能失真)3.必要的文字说明实验日期；试验温度及试验参照执行的标准等。八、分析与思考题⑴比较低碳钢和铸铁拉伸时的力学性能。⑵拉伸时低碳钢的屈服高、低点如何确定？⑶低碳钢拉断时的应力是否就是强度极限？(4)低碳钢拉伸时分为几个阶段?各是什么?各阶段有何特征?3.2材料的压缩实验有些工程材料在拉伸和压缩时所表现的力学性质并不相同，因此，有必要通过压缩试验来测定材料受压缩时的力学性能和破坏现象，并且多用于测定脆性材料，如铸铁、混凝土、砖、石等材料的力学性能。一、实验目的(1)测定低碳钢的压缩屈服极限σS和铸铁的抗压强度极限σb。(2)观察比较低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏现象，并进行比较。二、实验设备(1)万能试验机。(2)游标卡尺。三、实验原理低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试件一般制成圆柱形，如图2-5所示。试件受压时，两端面与试验机上、下支承垫间的摩擦力约束试件的横向变形，影响试件的强度。随着比值h0/d0的增加，端面摩擦力对试件中部的影响将会减弱，抗压强度降低。但h0/d0比值也不能过大，否则将引起失稳，因此，抗压能力与试件高度h0和直径d0的比值h0/d0有关。由此可见，压缩试件只有在相同的试验条件下，才能对不同材料的压缩性能进行比较。金属材料压缩试验所用试件，通常规定为1≤d/h≤3。低碳钢为塑性材料，受压后试件高度不断缩短，横截面面积增加，承载力随之增大，试件形成桶状如图（a）所示，直至压成饼状而不致断裂，因此不能测得其压缩强度极限，只能测得屈服极限。图3-5材料压缩破坏图铸铁为脆性材料，当试件受压后变形不大时即破裂[上图(b)]故仅能测得强度极限。一、实验方法及步骤低碳钢试件(1)用游标卡尺测量出试件的直径和高度，并做好记录。(2)将试件安装于试验机上、下支承垫之间(图2-5)，并注意使试件直立端正，保持球形支承垫的润滑、灵活。(3)装好自动绘图装置，选择压缩曲线纵横坐标比例尺。(4)打开进油阀、缓慢加载。注意观察测力指针的转动情况和绘图纸上的压缩图，当过比例极限荷载Fa后，开始出现变形增长较快的一小段，测力指针转动减慢，出现短时停顿或倒退现象，这时表示达到屈服荷载Fs，如图2-7(a)所示。此后，图形沿曲线断续上升，这是因为塑性变形迅速地增长，试件截面面积也随之增大，增大的面积能承受更大的荷载。因此，确定Fa时要特别小心地观察、判读。有时由于指针速度的减慢不十分明显，故常要借助绘出的F-ΔL曲线来判断Fb到达的时刻。图3-6低碳钢和铸铁的压缩曲线铸铁试件(1)试验机，试件准备同前。(2)安装试件同前。(3)加载。铸铁试件无屈服阶段，故只能测得其破坏荷载，如图2-7(b)所示。破坏主要是剪应力引起的，记录此时的最大荷载Fb。(4)取下试件进行观察比较。五、实验结果处理根据记录数据，计算出：低碳钢压缩屈服极限：）（MPaAFss0铸铁的抗压强度：）（MPaAFbb0式中A0——为试验前试件的横截面面积。六、实验报告材料力学实验报告实验名称：实验目的：实验设备：实验记录及计算结果：(1)试件尺寸(2)实验数据和计算结果七、分析与思考题⑴分析铸铁试件压缩时沿轴线约成45°角的破坏原因。⑵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质。⑶压缩时为什么必须将试件对准中心位置，如没有对中会产生什么影响？3.3材料的扭转实验研究不同材料的扭转力学性能，对于承受扭转载荷的构件，具有重要的实际意义。一、实验目的(1)测定低碳钢的剪切屈服极限τs，剪切强度极限τb。(2)测定铸铁的剪切强度极限τb。(3)比较低碳钢和铸铁试件受扭时的变形规律及其破坏特征。二、实验设备及试件⑴NJ——100B型或K——50型扭转试验机。⑵游标卡尺。⑶试件：按国标规定，扭转试件一般为圆截面如图3-8所示。推荐采用直径为10mm，标距L为100mm的圆形试件。三、实验原理圆轴扭转时，试件表面为纯剪应力状态。试件的断裂方式为分析材料的破坏原因和抗断能力提供了直接有效的依据。材料扭转过程可用试件的变形(扭转角ψ)和载荷(扭矩T)的关系，即T-ψ曲线来描述。图3-9为两种曲型材料的扭转曲线。从T-ψ曲线可见，低碳钢扭转在开始变形的直线段内，扭矩T与转角ψ之间成正比关系，为弹性阶段。横截面上的剪应力成线性分布，最大剪应力发生在横截面周边处，在圆心为零，如图所示。随着T的增大，试件将产生明显的屈服阶段，横截面边缘处的剪应力首先到达剪切屈服极限τs，剪应力的分布不再是线性的，而是发生屈服形成环形塑性区。随着扭转变形的增加，塑性区不断向圆心扩展，直至全截面几乎都是塑性区为止，即全面(理想)屈服。图3-8低碳钢、铸铁试件扭转前后比较图3-9低碳钢和铸铁的扭转曲线试件屈服过程中，在T-ψ曲线上出现屈服平台，扭矩度盘的指针基本不动或轻微摆动，则指针摆动回退的最小值即为屈服扭矩Ts。由T-ψ曲线可见，过屈服阶段后，材料的强化使扭矩又有缓慢的上长。而变形非常显著，试件的纵向画线逐渐变成了螺旋线。直至到达C点、