材料力学指导书和实验报告单

昆明理工大学《材料力学》实验指导书工程力学实验中心二〇一一年一月前言材料力学实验是材料力学课程教学中的一个重要环节。通过这一环节，不仅丰富了同学的书本知识，使同学们学到测定材料力学性能的基本知识和技能，初步掌握验证材料力学理论的方法，而且对培养同学的实践技能和科学习惯十分重要。材料力学实验的主要目的在于：1．测定代表各种材料力学性能的力学参数，如屈服极限、强度极限、弹性模量等。2．验证材料力学的一些理论公式和结论，如梁受纯弯曲时截面上的正应力分布规律，各种受力情况下的变形规律等。3．对不便于或无法用理论公式进行计算和分析的受力情况，如形状和受力均较复杂的构件，可用实验应力分析的方法解决。4．通过实验掌握材料力学实验的基本方法和测试技术。材料力学实验是工程技术人员和各类工科专业的学生所必须掌握的基本技能，在进行实验时同学们应注意以下几点：1．注意了解实验条件和观察实验中的各种现象，因为各种现象和实验条件都与材料的性能和实验结果有着密切的关系。2．尽可能将观察到的实验现象与学过的理论知识相结合，用理论解释实验现象，以实验结果验证理论。这样才能对材料力学中的公式、理论理解得更深刻、更巩固。3．了解机器及仪表的使用方法和工作原理，以便正确地操作和使用。4．在填写实验报告及回答思考题时，要真正通过自己的思考，以求得对问题的深入理解。5．根据教学安排，实验前先复习教材并预习实验指导书中有关内容，使实验有较大收获。目录§1金属材料的拉伸实验..........................................1§2金属材料的压缩实验..........................................5§3钢的弹性模量和泊松比测定实验................................8§4金属材料的扭转实验..........................................10§5梁的弯曲正应力实验..........................................14§6弯扭组合变形的应力电测实验..................................18§7附录一电子万能试验机......................................21§8附录二液压式万能材料试验机................................23§9附录三电阻应变测量简介....................................26附：实验报告单...................................第1～14页共14页§1金属材料的拉伸实验一、实验目的1．观察与分析低碳钢、灰铸铁在拉伸过程中的力学现象并绘制拉伸图。2．测定低碳钢的σs、σb、δ、ψ和灰铸铁的σb。3．比较低碳钢与灰铸铁的机械性能。二、实验仪器和设备1．CSS-44100电子万能试验机；2．游标卡尺。三、试件实验表明，试件的尺寸和形状对试验结果有影响，为了使各种材料的试验结果具有通用性、可比性，必须将试件尺寸、形状和试验方法统一规定，使试验标准化。本实验所用的试件参照国家标准《力学性能试验取样位置和试样制备》（GB/T2975-1998）制备；实验方法参照国家标准《金属材料室温拉伸试验方法》（GB/T228-2002）进行。试件形状如图1-1：标距L0Ld0图1-1L—平行长度，L≥L＋d00；L0—试件平行长度部分两条刻线间的距离，称为原始标距；d0—平行长度部分之原始直径。圆形比例试件分两种：L0=10d，称为长试件；0L0=5d，称为短试件。0本实验试件采用d0=10mm，L0=100mm的长试件。-1-四、实验原理(一)低碳钢拉伸实验材料的机械性能指标σs、σb、δ和ψ由常温、静载下的轴向拉伸破坏试验测定。整个试验过程中，力与变形的关系可由拉伸图表示，被测材料试件的拉伸图由试验机自动记录显示。低碳钢的拉伸图比较典型，可分为四个阶段：1．直线阶段0A——此阶段拉力与变形成正比，所以也称为线弹性变形阶段，A点对应的载荷为比例极限载荷F；p2．屈服阶段BC——曲线常呈锯齿形，此阶段拉力的变化不大，但变形迅速增加，此段内曲线上的最高点称为上屈服点B，，最低点称为下屈服点B，因下屈服点B比较稳定，工程上一般以B点对应的力值作为屈服载荷F；s3．强化阶段CD——此阶段拉力增加变形也继续增加，但它们不再是线性关系，其最高点D对应的力值为最大载荷F；b4．颈缩阶段DE——过了D点，试件开始出现局部收缩（颈缩），直至试件被拉断。图1-2为低碳钢拉伸图。FbFsFp0ΔLAB´DEBFΔLCFbF图1-2图1-3（二）灰铸铁拉伸实验对于灰铸铁，由于拉伸时的塑性变形极小，在变形很小时就达到最大载荷而突然断裂，没有明显的屈服和颈缩现象，其强度极限即为试件断裂时的名义应力。图1-3为铸铁拉伸图。五、实验步骤(详见CSS-44100型电子万能试验机操作指南)（一）实验准备1．打开计算机，双击计算机桌面上的TestExpert图标，试验软件启动。-2-2．打开控制系统电源，系统进行自检后自动进入PC-CONTROL状态。3．软件联机并启动控制系统：（1）点击“联机”按钮.出现联机窗口，当此窗口消失证明联机成功。（2）按下启动按钮，控制系统“ON”灯亮后，软件操作按钮有效。4．测量并记录试件的尺寸：在刻线长度内的两端和中部测量三个截面的直径d，取直径最小者为计算直径，并量取标距长度L。005．调节横梁位置并安装试样。（二）进行实验1．设置试验条件。2．开始试验：（1）按下“试验”按钮，试验机开始按试验程序对试件进行拉伸。仔细观察试件和计算机屏幕上的拉伸曲线在拉伸过程中的对应情况，特别注意观察屈服阶段的特点、颈缩阶段的发生和发展，直至试件拉断，取下试件并观察断口。（2）对灰铸铁试件，则装夹后按下“试验”按钮，试验机开始按试验程序对试件进行拉伸，仔细观察试件和计算机屏幕上的拉伸曲线在拉伸过程中的对应情况，直至拉断，取下试件并观察断口。3．浏览拉伸曲线，记录屈服载荷F（F）和最大载荷F（Fselbm），或打印试验报告。（三）断后延伸率δ和截面收缩率ψ的测定（1）试件拉断后，将其断裂试件紧密对接在一起，在断口（颈缩）处沿两个互相垂直方向各测量一次直径，取其平均值为d1，用来计算断口处横截面面积A。1（2）将断裂试件的两段紧密对接在一起，尽量使其轴线位于一直线上，若断口到邻近标距端点的距离大于L0/3，则用游标卡尺测量断裂后两端刻线之间的标距长度即为L。1（3）若断口到邻近标距端点的距离小于或等于L0/3，要求用断口移中法计算L的长度。则应按下述方法来测量拉断后试件标距部分的长度L。11利用在试验前将试件标距部分等分成10个小格，即以断口O（图1-4a）为起点，在长段上量取基本等于短段的格数得B点。当长段所余格数为偶数时，则由所余格数的一半得C点，将BC段长度移到标距的左端，则移位后的L1为：BCOBAOL21++=如果在长段取B点后所余下的格数为奇数（图1-4b），则取所余格数加1之半得C点，减1之半得C点，则移中（即将BC或BC移到试件左侧）后的L111为：11BCBCOBAOL+++=-3-DCBOA移位移位L0（实际的）L1（移位后的）图1-4aDC1CBOA移位移位L0（实际的）L1（移位后的）图1-4b六、实验结果处理、F1．根据测得的低碳钢拉伸载荷F计算屈服极限σsbs和强度极限σb。2．根据测得的灰铸铁拉伸最大载荷F计算强度极限σbb。0AFbb=σ0AFss=σ4200dA⋅=π3．根据拉断前后的试件标距长度和横截面面积，计算出低碳钢的延伸率δ和截面收缩率ψ；由于灰铸铁拉伸塑性变形量很小，断后延伸率和截面收缩率一般就不必测定。%100001×−=LLLδ%100010×−=AAAψ4．绘制两种材料的拉抻图（F-ΔL图）。5．绘图表示两种材料的断口形状。-4-§2金属材料的压缩实验一、实验目的1.观察与分析低碳钢、灰铸铁在压缩过程中的力学现象并绘制压缩图。2.测定压缩时低碳钢的的σs，灰铸铁的σb。3.比较低碳钢与灰铸铁的机械性能。二、实验仪器和设备1．液压式万能材料试验机；2．游标卡尺。三、压缩试件为了能对各种材料的试验结果作比较，金属材料压缩试样一般采用圆柱形标准试样（图2-1）。1.试样高度和直径的比例要适宜。试件太高，容易产生纵向不稳定现象；试件太短，试验机垫板与试件两端面间的摩擦力（图2-2）对试件实际的承载能力产生影响。为保证试样在试验过程中均匀单向压缩，且端部不在试验结束之前损坏，国标GB/T7314-2005推荐无约束压缩试样尺寸为：2100≤≤dh2．试件置于试验机的球形承垫中心位置处（图2-3），以防试件两端面稍不平时，起调节作用，使压力均匀分布，其合力应通过试件轴线。3．试件两端的平面应加工光滑以减小摩擦力的影响，实验时通常还在两端部加适量的润滑油。h0d0FF摩擦力球形承垫试件图2-1图2-2图2-3-5-四、实验原理1．低碳钢压缩实验低碳钢受压时与受拉时一样有比例极限和屈服极限，但不象拉伸时那样有明显的屈服现象。因此，测定压缩的屈服载荷Fs时要特别细心观察。在缓慢匀速加载下，试验机的测力指针会突然停留、或倒退、或指针转速突然减慢。如果指针停留，则以指针所指载荷作为屈服载荷Fs；如果指针倒退，则以指针所指最低载荷作为屈服载荷Fs；如果指针转速突然减慢，此时主动指针所指载荷即作为屈服载荷F。s过了屈服点，塑性变形迅速增加，试件横截面面积也随之增大。而增大的面积能承受更大的载荷，因此，压缩曲线迅速上升，见自动绘图仪绘出低碳钢压缩图（图2-4）。ΔLFbFFFsΔL图2-4图2-5低碳钢试件最后可压成饼状而不破坏，所以无法测定最大载荷F。b2．灰铸铁压缩实验灰铸铁试件受压缩时，在达到最大载荷Fb前会出现较大的弹性变形才发生破裂，此时测力指针迅速倒退，由随动指针可读出最大载荷Fb，自动绘图仪绘出铸铁压缩图（图2-5）。灰铸铁试件最后被压成腰鼓形，表面出现与试件轴线大约成45°左右的倾斜裂纹。五、实验步骤1．测量并记录试件高度及横截面直径。2．根据估计的最大载荷选择测力盘刻度档，配以相应摆锤，调整指针使对准零点，调整绘图装置。3．将试件两端涂上润滑剂，然后放在试验机活动台支承垫中心处。4．开动试验机，使活动台上升，当试件与上支承垫接近时应把油门关小减慢活动台上升速度，以免上升速度太快引起冲击载荷。当试件与上支承垫接触受力后，要控制加载速度，使载荷缓慢均匀增加，注意观察测力指针和绘图装置所绘的压缩曲线，从而判断试件是否已达屈服阶段，及时记录屈服载荷F，s-6-超过屈服载荷后，继续加载，低碳钢试件被压成腰鼓形即可停止。5.铸铁试件加压至试件破坏为止，记录最大载荷F。b六、实验结果处理1．根据所测低碳钢的压缩屈服载荷F计算压缩屈服极限σss。0AFss=σ2．根据所测铸铁的压缩最大载荷F计算压缩强度极限σbb。0AFbb=σ式中：4200dA⋅=π-7-§3钢的弹性模量和泊松比测定实验一、实验目的1.用中碳钢试样验证拉伸时的虎克定律,并测定其弹性模量和泊松比。2.初步了解电测测量方法。二、实验仪器和设备1.电子万能试验机；2.静态电阻应变仪。三、试件1．测E、μ拉伸板一块；2．补偿块一块（如图3-1）。四、实验原理1.拉伸时的钢材弹性模量E：轴向拉伸时，金属材料在比例极限范围内，力与变形的关系服从虎克定律,即正应力与线应变成正比,其比例系数即为弹性模量E。εσ=E2.拉伸时的钢材泊松比μ：试件在轴向伸长的同时，还引起试件横向收缩，同时测出试件的纵向应变ε1和横向应变ε2，代入下式即可得到泊松比μ。12εεμ=图3-1FR1R2补偿块R补R1R2R补UADCEBK图3-2bh-8-实验时，在比例极限范围内采用增量逐级加载法，分别测量在相同载荷增量ΔF作用下对应的纵向应变Δε1ι和横向应变Δε2ι，若各级应变增量大致相同，这就验证了虎克定律。试件材