材料力学实验指导书

材料力学实验指导书目录序言0实验一金属材料拉伸实验2实验二金属材料扭转实验9实验三纯弯曲梁正应力电测实验16附件：1、实验报告册封面2、材料力学实验要求3、实验报告要求0序言材料力学实验是材料力学的重要支柱之一。材料力学从理论上研究工程结构构件的应力分析和计算，并对构件的强度、刚度和稳定性进行设计或校核其可靠性。材料力学实验从实验角度为材料力学理论和应用提供实验支持。一、材料力学实验由三部分组成：1、材料的力学性能测定。材料的力学性能是指在力的作用下，材料的变形、强度等方面表现出的一些特征，如弹性模量、弹性极限、屈服极限、强度极限、疲劳极限、冲击韧度等。这些强度指标或参数是构件强度、刚度和稳定性计算的依据，而他们一般通过实验来测定。此外，材料的力学性能测定又是检验材质、评定材料热处理工艺、焊接工艺的重要手段。随着材料科学的发展，各种新型材料不断涌现，力学性能测定是研究新型材料的重要手段。材料的力学性能测定一般是通过对标准试样加载至破坏，记录其应力-应变关系曲线（扭转破坏时记录其扭矩-扭转角或剪应力-剪应变曲线），测定材料的一些力学性能特征指标，如弹性模量、弹性极限、屈服极限、强度极限、冲击韧度等；因此，学会记录材料的应力-应变关系曲线成为材料力学性能实验的一项重要任务。2、验证已建立的理论。材料力学的一些理论是以某些假设为基础的，例如杆件的弯曲理论是以平面假设为基础。用实验验证这些理论的正确性和适用范围，有助于加深对理论的认识和理解。实验是验证、修正、发展理论的必要手段，是揭示材料受力、变形过程本质的重要方法。3、应力分析实验。某些情况下，如因构件形状不规则、受力复杂或精确地边界条件难以确定等，应力分析计算难以获得准确结果。这时，采用如电测实验应力分析方法可以直接测定构件的应力。应力分析实验主要是对构件形状不规则、受力复杂或边界条件很难确定、计算法难以得到准确结果的情况，用实验方法测定构件的应力。二、材料力学实验的标准、方法材料的强度指标如屈服极限、强度极限等，虽然是材料的固有属性，但往往与试样的形状、尺寸、表面加工精度、加载速度、周围温度湿度环境等有关。为使试验结果能相互比较，国家标准对试样的取材、形状、尺寸、加工精度、试验手段和方法，以及数据处理等都做了统一规定。我国国家标准的代号是GB，国际标准的代号为ISO。1一般实验前根据实验要求精度，选择不同的试验方法，同时为减小试验误差，需多次重复试验，综合多次测量的数据得到所需结果。在整理实验结果时，应剔除明显不合理的数据，以表格或图线表明实验结果。2实验一金属材料拉伸实验一、实验目的1、了解低碳钢和铸铁试样拉伸曲线（力-变形、应力-应变关系），观察试件破坏现象。2、测定低碳钢的拉伸屈服极限σs、强度极限σb、弹性模量E、伸长率δ、断面收缩率ψ。3、测定铸铁拉伸时的强度极限σb。二、实验设备及试样1、微机控制电子万能试验机。2、游标卡尺、钢板尺。3、实心圆截面低碳钢、铸铁试样。三、实验原理拉伸实验是用拉力沿试样轴线方向拉伸直至断裂，测定材料的力学性能。常温下的拉伸实验（金属室温拉伸实验）是测定材料力学性能的基本实验，可以测定金属材料的弹性模量E、屈服极限σs、强度极限σb、伸长率δ和断面收缩率ψ等，这些指标是工程设计的重要依据。为了便于比较不同材料的试验结果，对试样的形状、加工精度、加载速度、试验环境等，国家标准(GB/T228-2010)都作了统一规定。如短比例试样要求l0=5d0，长比例试样l0=10d0，d0为试样直径，l0为试样标距。金属室温拉伸实验遵照国家标准在微机控制电子万能试验机上进行，实验试样形状如图1-1所示，分为夹持部分、过渡段、待测部分。图1-1夹持部分过渡段待测部分标距3（一）拉伸曲线在实验过程中，微机控制电子万能试验机配套的实验软件上实时绘出试样的拉伸曲线。1、低碳钢试样：拉伸曲线分为四个阶段，弹性、屈服、强化、局部变形阶段，如图1-2所示。a）低碳钢力-变形曲线图b）低碳钢应力-应变曲线图图1-2（1）弹性阶段。弹性范围内大多数材料服从胡克定律，应力与应变成线性关系：E直线斜率为弹性模量E，也叫杨氏模量，直线部分最高点对应的应力称为比例极限σp。因lAFlE00，则00EAFll即变形和力成正比关系，若已知载荷F及试样尺寸，只要测得试样标距内的伸长量Δl和轴向应变即可求出弹性模量E。弹性模量的测定：为检查载荷与变形关系是否符合胡克定律，减少测量误差，实验一般采用等增量加载。为保证应力不超出比例极限，加载前先估算试样的屈服载荷，以屈服载荷的80%作为等量加载的最大载荷，以屈服载荷的10%最为初始载荷。逐级加载过程中，若得到各级Δl基本相等，则表明变形与力呈线性关系。（2）屈服阶段。过了弹性阶段，应力增加到某一数值时，然后先是下降，再做微小波动，在应力-应变曲线上出现接近水平线的小锯齿形线段，将屈服阶段不计初始瞬时效应的最低应力（下屈服点的屈服强度）定义为屈服极限σs。4（3）强化阶段。过屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力，拉力增加材料继续变形。强度阶段中最高点对应的应力称为强度极限σb。如果在强化阶段卸载，F―Δl曲线会从卸载点开始向下绘出平行于初始加载弹性阶段直线的一条斜直线，表明它服从弹性规律。如若重新加载，F―Δl曲线将沿此斜直线重新回到卸载点，并从卸载点接续原强化阶段曲线继续向前绘制。强化阶段这种卸载使弹性阶段加长、弹性极限提高，塑性下降的现象，工程中称为冷作硬化现象。（4）局部变形阶段。过强化阶段后，试样某一局部范围内，横向尺寸突然急剧缩小，形成缩颈现象。随着拉力增加，缩颈部位断裂，断口成杯状。2、铸铁试样的拉伸曲线比较简单，如图1-3所示。既没有明显的弹性阶段，也没有屈服阶段，拉力很小时试样就突然断裂，断裂时最大应力称为强度极限或抗拉强度σb。断口与横截面重合，断口形貌粗糙，无明显塑性变形。a)铸铁力-变形曲线图b)铸铁应力-应变曲线图图1-3（二）拉伸断后尺寸测量实验前在试样标距范围内划十个等分格子，确定初始标距l0。试样拉断后，取下试样对接在一起，测量试样断口最小直径d1和断后标距l1。从破坏后的低碳钢试样可以看到，长度方向各处的残余变形不是均匀分布的，愈近断口（颈缩）处伸长愈多。因此测得l1的数值与断口的部位有关。当断口发生于l0的两端标距点之外，认为试验结果无效，需要重新试验；若断口到最近标距端点的距离大于l0/3，则直接测量两标距端点间的长度为l1；若断口到最近标距端点的距离小于l0/3，应按国家标准的规定采用5断口移中法，计算l1长度。试验后，将试件对接在一起，从断口为起点O，在长段上取基本等于短段的格数得B点。断口移中法计算l1如下：1、当长段所余格数为偶数时，如图1-4（a）所示，则量取长段所余格数之一半，得C点，移位后的l1为:l1=AO+OB+2BC。图1-4（a）余格为偶数2、当在长段上所余格为奇数时，如图1-4（b）所示，则在长段上所余格数减1取半，得C点，再由C点向后移一格得C1点。则移位后的标距l1为：l1=AO+OB+BC+BC1。图1-4（b）余格为奇数（三）数据计算1、低碳钢的拉伸屈服极限σs、强度极限σb、伸长率δ，断面收缩率ψ，由公式计算：屈服极限：AFss0强度极限：AFb0b伸长率：lll001端面收缩率：%100-010AAA62、铸铁的强度极限σb由公式计算：强度极限：AFb0b综上，只要能测得低碳钢试样的屈服载荷Fs、最大载荷Fb、断裂前后直径、断裂前后标距，铸铁试样的最大载荷Fb，即可求得相应的性能指标。应当指出，上述所测定的力学性能均为名义值，工程应用较为方便，称为工程应力和工程应变。由于试样受力后其直径和长度都随载荷变化而改变，真实应力和真实应变须用试样瞬时截面积和瞬时标距长度进行计算。需注意：试样在屈服前，其直径和标距变化很小，真实应力和真实应变与工程应力和工程应变差别不大；试样屈服以后，其直径和标距都有较大的改变，此时的真实应力和真实应变与工程应力和工程应变会有较大的差别。四、实验步骤1、小组成员任务分工。开启计算机、微机控制电子万能试验机主机、液压油控制系统电源，预热10分钟。2、测量试样的初始直径d0和初始标距l0：在试样标距段的两端和中间选三个截面测量试样直径，每个截面直径取相互垂直两个方向的平均值，做好记录。三个平均直径的最小值取作试样的初始直径d0。用钢板尺测量低碳钢试样的初始标距长度l0。3、根据试样直径选用合适型号夹具钳口并固定。在试验机上装夹试样：根据夹具装夹方式不同，分为液压楔形夹具和机械楔形夹具。1）液压楔形夹具：手持试样将夹持段竖直放入上夹头V形钳口中（装夹夹持段3/4），点击液压手动控制器“加压”、“上紧”夹紧试样，然后移动试验机活动横梁，使试样下端缓慢插入下夹头的V形钳口中（装夹夹持段3/4处），点击液压手动控制器“加压”、“下紧”夹紧试样。2）机械楔形夹具：手持试样将夹持段放入上夹头V形钳口中（装夹夹持段3/4），手动旋紧机械手柄夹紧试样，然后移动试验机活动横梁，使试样下端缓慢插入下夹头的V形钳口中（装夹夹持段3/4处），再手动旋紧机械手柄夹紧试样。4、在计算机实验程序界面中执行以下操作：1）点主界面“联机”按钮，然后编辑实验方案，主要设置基本参数（引用标准“GB/T228-2010”、类型选择“拉向”、试样形状“棒材”、自动判断断裂、实验控制），7速度设置（位移方式、位移速度、程控方式），曲线设置（主画面、单位选择），用户参数设置（试样编号、原始标距、试样直径、规定塑形延伸0.2%）、结果参数设置等。若速度选择位移控制方式，则试验机从0N加载开始到试样拉断自动结束；若选择程控方式，则试验机根据程序设定内容进行实验。观察低碳钢冷作硬化现象可如下设置程控方式：设定“力控制”从0加载至屈服点结束，在屈服点后卸载至约10KN，然后重新加载。2）参数设置完毕后可自定义文件名并确定工作目录存盘，然后点击程序主界面“力、位移、变形、速度”清零或主机手动控制器上“清零”。3）单击界面“运行”按钮或主机手动控制盒上“运行”键，开始实验。5、注意观察试样的变形情况，观察低碳钢(F―Δl)曲线进入强化阶段后材料的变形和“缩颈”现象，试样断裂后试验主机自动停止。6、移动活动横梁上移，一手抓住上夹头试样，一手点击液压油手动控制器“上松”按钮，取下上部试样，然后一手抓住下夹头试样，一手点击液压油手动控制器“下松”按钮，取下下部试样。测量断口最小直径d1，断后标距长度l1。7、测量铸铁试样的初始直径d0和初始标距l0(与低碳钢试样测量方法相同)，按低碳钢试样装夹方法将试样装夹在试验机的夹头钳口中。设定实验方案，合理选择结果参数，进行铸铁试样拉伸实验。8、在实验教师指导下读取实验数据（曲线、断口形貌图片等），进行实验曲线分析、标注并描述特征点，然后保存实验报告文档。9、经实验指导教师检查实验原始数据并签认后，结束实验关闭电源，整理实验现场。五、实验注意事项1、为避免损伤试验机的钳口与夹头，装卡试样时横梁移动速度缓慢，使试样下端缓慢插入下夹头的钳口中，不要顶撞钳口顶部；试样下端不要装卡过长，以免顶撞夹头内部装配钳口用的平台。2、操作者不要站立于试验机正前方，以免装夹不牢固试样断裂飞溅伤人。3、为保证实验数据全面，学生实验前列好低碳钢、铸铁不同材料所需实验数据清单，对照清单设置实验方案的结果参数，否则易造成结果数据记录不全。8六、思考题1、为什么拉伸实验必须采用标准试样或定标距试样?2、什么是低碳钢卸载规律和冷作硬化现象?3、比较低碳钢和铸铁试样拉伸实验力-变形曲线的区别。4、就个人实验操作情况，谈一谈对金属材料拉伸实验的认识和收获。七、实验报告实验报告包含以下内容：1、实验报告封面（统一格式）。4分2、报告正文：简述实验目的、实验设备及试样、实验原理、实验步骤。16分3、实验数据原始记录及处理。50分A、试样尺寸测量表（原始记录表）B、实验原始数据记录（原始记录表）C、数据计算（列式计算）（1）低碳钢：弹性模量E=屈服极限