材料力学实验指导书

材料力学实验指导书工程力学教研中心编2前言材料力学实验是材料力学课程的重要组成部分。科学史上许多重大发明是依靠科学实验而得到的，材料力学中的一些理论和公式也是建立在实验、观察、推理、假设的基础上，它们的正确性还必须由实验来验证。学生通过做实验，用理论来解释、分析实验结果，又以实验结果来证明理论，互相印证，以达到巩固理论知识和学会实验方法的双重目的。材料力学实验包括以下三个方面的内容。一、测定材料的力学性质。材料的力学性质通常是通过拉伸、压缩、扭转、断裂韧性测试等试验来测定的。通过这些试验，学会测量材料力学性能的基本方法。在工程上，各种材料的力学性能是设计构件时不可缺少的依据。二、验证理论公式的正确性。在理论分析中，将实际问题抽象为理想模型，并做出某些科学假设（如弯曲中的平截面假定等），使问题简化，从而推出一般性结论和公式，这是理论研究中常用的方法。但是这些假设和结论是否正确，理论公式能否应用于实际之中，必须通过实验来验证。三、实验应力分析。在工程实践中，很多构件的形状和受载情况比较复杂，单纯依靠理论计算不易得到正确的结果，必须用实验的方法来了解构件的应力分布规律，从而解决强度问题，这种办法称为实验应力分析。目前实验应力分析的方法很多，这里只介绍应用较广的电测法。3实验须知1．实验前必须预习实验指导书中相关的内容，了解本次实验的目的、要求及注意事项。2．按预约实验时间准时进入实验室，不得无故迟到、早退、缺席。3．进入实验室后，不得高声喧哗和擅自乱动仪器设备，损坏仪器要赔偿。4．保持实验室整洁，不准在机器、仪器及桌面上涂写，不准乱丢纸屑，不准随地吐痰。5．实验时应严格遵守操作步骤和注意事项。实验中，若遇仪器设备发生故障，应立即向教师报告，及时检查，排除故障后，方能继续实验。6．实验过程中，若未按操作规程操作仪器，导致仪器损坏者，将按学校有关规定进行处理。7．实验过程中，同组同学要相互配合，认真测取和记录实验数据；8．实验结束后，将仪器、工具清理摆正。不得将实验室的工具、仪器、材料等物品携带出实验室。9．实验完毕，实验数据经教师认可后方能离开实验室。10．实验报告要求字迹端正、绘图清晰、表格简明、实验结果正确。4目录一、基础实验……………………………………………………………………………4实验一低碳钢和铸铁拉伸实验………………………………………………….4实验二低碳钢和铸铁压缩实验………………………………………………….13实验三扭转试验…………………………………………………………………..16实验四切变模量G的测定…………………………………………………………24实验五梁的弯曲正应力实验……………………………………………………..27实验六主应力实验………………………………………………………………..30实验七压杆稳定实验……………………………………………………………..33二、综合实验…………………………………………………………………………37实验一低碳钢和铸铁拉伸实验……………………………………………….37实验二低碳钢和铸铁压缩实验………………………………………………….39实验三扭转试验…………………………………………………………………..42实验四切变模量G的测定…………………………………………………………44实验五梁的弯曲正应力实验……………………………………………………..45实验六主应力实验………………………………………………………………..52实验七压杆稳定实验……………………………………………………………..56实验报告……………………………………………………………………………575一、基础实验实验一拉伸实验拉伸实验是检验材料机械性能的最基本的实验。一、实验目的1．了解试验设备——万能材料试验机的构造和工作原理，掌握其操作规程及使用时的注意事项。2．测定低碳钢的屈服极限(流动极限)σs,强度极限σb、伸长率、断面收缩率。3．测定铸铁的强度极限b。4．观察以上两种材料在拉伸过程中的各种现象，并利用自动绘图装置绘制拉伸图（P一L曲线）。5．比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）拉伸时的机械性质。二、实验设备和量具1．量具：游标卡尺、钢尺、分规。2．设备：万能材料试验机。图1-1液压式万能材料试验机外形图下面将万能材料试验机的构造、工作原理及操作规程介绍如下：在材料力学实验中，最常用的机器是万能材料试验机。它可以做拉伸、压缩、6剪切、弯曲等试验，故习惯上称它为万能材料试验机，简称为全能机。全能机有多种类型。这里仅对常用的两种类型介绍如下：1）WE——10型液压摆式万能材料试验机WE—10型液压摆式万能材料试验机的外形如图1—1，它的构造原理示意图如图图1-2液压摆式万能材料试验机原理示意图（1）加力部分在试验机的底座上，装有两根固定立柱2，立柱支承着固定横梁3及工作油缸4。当开动油泵电动机后，电动机带动油泵5，将油箱里的油，经送油阀23送至工作油缸4，推动其工作活塞6，使上横梁7、活动立柱8和活动平台9向上移动。如将拉伸样装于上夹头10和下夹头11内，当活动平台向上移动时，因下夹头不动，而上夹头随着平台向上移动，则试样受到拉伸；如将试样装于平台的承压座12内，平台上升时，则试样受到压缩。做拉伸实验时，为了适应不同长度的试样，可开动下夹头的电动机使之带动蜗杆、蜗杆带动蜗轮、蜗轮再带动丝杆，可控制下夹头上、下移动，调整适当的拉伸空间。（2）测力部分装在试验机上的试样受力后，它受力大小，可在测力盘上直接读出。试样受了载荷的作用，工作油缸内的油就具有一定的压力。这压力的大小与试样所受载荷的大小成比例。而测力油管将工作油缸与测力油缸14联通，则测力油缸就受到与工作油缸相等的油压。此油压推动测力活塞15，带动测力拉杆，使摆杆21和摆锤16绕支点转动。试样受力愈大，摆的转角也愈大。摆杆转动时，7它上面的推杆便推动水平齿条17，从而使齿轮带动测力指针旋转，这样便可从测力度盘上读出试样受力的大小。摆锤的重量可以调换，一般试验机可以更换三种锤重，故测力度盘上也相应有三种刻度，这三种刻度对应着机器的三种不同的量程。WE—10型万能试验机有0～20KN、0～60KN、0～100KN三种测量量程。（3）操作步骤①加载前，测力指针应指在度盘的“零”点，否则必须加以调整。调整时，先开动油泵电动机，将活动平台升起3～5mm左右，然后稍旋动摆杆上的平衡铊20，使摆杆保持铅直位置，再转动水平齿条使指针对准“零”点。其所以先升起活动平台才调整零点的原因，是由于上横梁、活动立柱8和活动平台等有相当大的质量，要有一定的油压才能将它升起。但是这部分油压并未用来给试样加载，不应反映到试样载荷的读数中去。②选择量程，装上相应的锤重。再一次按①方法，校准“零”点。调好回油缓冲器的旋钮，使之与所选的量程相同。③安装试样。压缩试样必须放置垫板。拉伸试样则须调整下夹头位置，使拉伸区间与试样长短适应。注意：试样夹紧后，绝对不允许再调整下夹头，否则会造成烧毁下夹头电动机的严重事故。④调整好自动绘图仪的传动装置和笔、纸等。⑤检查送油、回油阀，一定要注意它们均应在关闭位置。③开动油泵电动机，缓缓打开送油阀，用慢速均匀加载。③实验完毕，立即停车取下试样。这时关闭送油阀，缓慢打开回油阀，使油液泄回油箱，于是活动平台到原始位置。最后将一切机构复原，并清理机器。（4）注意事项①开车前和停车后，送油阀、回油阀一定要在关闭位置。加载、卸载和回油均应缓慢进行。加载时要求测力指针匀速平稳地走动，应严防送油阀开得过大，测力指针走动太快，致使试样受到冲击作用。②拉伸试样夹住后，不得再调整下夹头的位置，以使带动下夹头升降的电动机烧坏。③机器运转时，操纵者必须集中注意力，中途不得离开，以免发生安全事故。④试验时，不得触动摆锤，以免影响试验读数。8⑤在使用机器的过程中，如果听到异声或发生任何故障应立即停车（切断电源），进行检查和修复。三、实验原理1．为了检验低碳钢拉伸时的机械性质，应使试样轴向受拉直到断裂，在拉伸过程中以及试样断裂后，测读出必要的特征数据（如；PS、Pb、L1、dl）经过计算，便可得到表示材料力学性能的四大指标：s、b、、。2．铸铁属脆性材料，轴向拉伸时，在变形很小的情况下就断裂，故一般测定其抗拉强度极限b。四、实验试样试样的各部分名称如图l—4。夹持部分用来装入试验机夹具中以便夹紧试样，过渡部分用来保证标距部分能均匀受力，这两部分的形状和尺寸，决定于试样的截面形状和尺寸以及机器夹具类型。标距10是待试部分，也是试样的主体，其长度通常简称为标距，也称为计算长度。试样的尺寸和形状对材料的塑性性质影响很大。为了能正确地比较材料的机械性质，国家对试样尺寸作了标准化规定。拉伸试样分比例试样和非比例试样两种。比例试样系按公式001AK计算而得。式中10为标距，A0为标距部分原始截面积，系数K通常为5.65和11.3（前者称为短试样，后者称为长试样）。据此，短、长圆形试样的标距长度10分别等于5d010d0。非比例试样的标距与其原横截面间无上述一定的关系。根据国家标准（GB228—76）将比例试样尺寸列表如下：试样标距长度L0（mm）横截面积A0（mm）圆形试样直径表示伸长率的符号比长03.11A10d0任意的任意的10图1-4圆形截面试件9例短065.5A5d05表中d0表示试样标距部分的原始直径，10，5分别表示标距长度L0为d0的10倍或5倍的试样伸长率。常用试样的形状尺寸、光洁度等可查国家标准GB228—76中的附录一、二。五、实验方法及步骤1．低碳钢试样的拉伸实验1）测定试样的截面尺寸——圆试样测定其直径d0的方法是：在试样标距长度的两端和中间三处予以测量，每处在两个相互垂直的方向上各测一次，取其算术平均值，然后取这三个平均数的最小值作为d0；矩形试样测三个截面的宽度b与厚度a，求出相应的三个A0，取最小的值作为A0。A0的计算精确度：当A0≤100mm2时A0取小数点后面一位，当A0＞100mm2时A0取整数。所需位数以后的数字按四舍五入处理。2）试样标距长度10除了要根据圆试样的直径d0或矩形试样的截面积A0来确定外，还应将其化整到5mm或10mm的倍数。小于1.5mm的数值舍去之；等于或大于2.5mm但小于7.5者化整为5mm；等于或大于7.5mm者进为10mm。在标距长度的两端各打一小标点，此二点的位置，应做到使其联线平行于试样的轴线。两标点之间用分划器等分10格或20格，并刻出分格线，以便观察变形分布情况，测定延伸率。3）根据低碳钢的强度极限，估计加在试样上的最大载荷，据此选择适当的机器量程（也称载荷级）。每台全能机都有几个载荷级，其刻度范围均自零至该级载荷的最大值。由于机器测力部分本身精确度的限制，每级载荷的刻度范围只有一部分是有效的。有效部分的规律如下：下限不小于该载荷级最大值的10％，且不小于整机最大载荷的4％。上限不大于该载荷级最大值的90％。实验时应保证全部待测载荷均在此范围之内。就本次实验来说，也就是须保证屈服载荷Ps和极限载荷Pb均在该范围之内。假使机器有两个载荷级都能满足要求，则应取较小的载荷级以提高载荷测读精度。选定好机器量程，挂好相应摆锤之后就可按一般程序调整试验机，安装试样，10并试车一次，即预加少量载荷然后卸载，至零点附近。试车的目的是检查包括自动绘图装置在内的试验机工作是否正常。4）试车正常后，正式实验即可开始。用慢速加载，使试样的变形匀速增长。国家标准规定的拉伸速度是：屈服前，应力增加速度为10N／mm2／s（1kgf／mm2／s），屈服后，试验机活动夹头在负荷下的移动速度不大于0.510／min。在试样匀速变形的过程中，测力盘上的指针起初也是匀速前进的，但是，当指针停止前进或来回摆时就表明试样进入屈服阶段，读出此时的最小载荷Ps。借助于试验机上自动绘出的载荷——变形曲线可以帮助我们更好的判断屈服阶段的到达。对于A3钢来说，屈服时的曲线如图1—5(a)所示，其中PS上叫做上屈服载荷，与锯齿状曲线段最低点相应的