材料力学实验指导书.doc

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1、一 拉伸试验一、目的1、测定低碳钢的流动极限（屈服极限），强度极限，延伸率和面积收缩率。2、测定铸铁的强度极限。3、观察拉伸过程中的各种现象，并绘制拉伸图（曲线）。4、比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）机械性质的特点。二、设备1、液压式万能试验机。2、游标卡尺。三、试样试件可制成圆形或矩形截面。常用试样为圆形截面的。如图17所示。试件中段用于测量拉伸变形，此段的长度称为“标矩”，两端较粗部分是装入试验夹头中的，便于承受拉力，端部的形状视试验机夹头的要求而定，可制成圆柱形（17），螺纹形（图18）或阶梯形（图19）。试验表明，试件的尺寸和形状对试验结果会有所影响，为了避免此各种影响，使各种

2、材料的力学性质的数值能互相比较，所以对试件的尺寸和形状都有统一规定。目前我国规定的试样有标准试件和比例试件两种，具体尺寸见表11，是圆形或矩形截面面积。试件标距截面面积圆形试件延伸率表示符号标准试件长10078.510短5078.510比例试件长任意任意短任意任意四、原理材料的力学性质、和是由拉伸破坏试验来确定的，试验时，利用试验机的自动绘图器绘出低碳钢拉伸图（图10）和铸铁拉伸图（图111）。对于低碳材料，图110上的BC为流动阶段，B点所对应的应力值称为流动极限。确定流动载荷时，必须缓慢而均匀地使试件产生变形，同时还需要注意观察。测力盘主针回转后所指示的最小载荷（第一次下降的最小载荷）即为

3、流动载荷，继续加载，测得最大载荷。试件在达到最大载荷前，伸长变形在标距范围内均匀分布的。从最大载荷开始，产生局部伸长和颈缩。颈缩出现后，截面面积迅速减小，继续拉伸所需的载荷也变小了，直至E点断裂。铸铁试件在变形极小时，就达到最大载荷，而突然发生断裂。没有流动和颈缩现象，如图111所示。其强度极限远低于碳钢的强度极限。五、试验步骤（一）低碳钢试验（1）用游标卡尺在试件的标距范围内测量三个截面的直径，每个截面测量互相垂直两个方向，取其平均值，填入记录表内。取三处中最小的平均值作为计算试件横截面积的直径。（2）根据低碳钢的强度极限，估计试件的最大载荷。（3）根据最大载荷选择合适的测力盘并配置相应的摆

4、锤。（4）调整零点，并拨动测力度盘上的辅针使之与主动指针靠拢。（5）调整自动绘图器。（6）安装试件。（7）经教师检查后进行试验，缓慢而均匀加载，直到断裂，并仔细观察拉伸过程。记下流动时载荷及最大载荷，停机。（8）试验结束，取下试件，将断裂两段尽量对紧在一起，用游标卡尺测量拉断后的标距和颈缩处的直径（测量互相垂直的两个方向，取其平均值）填入记录表内。从自动绘图器上取下拉伸图。（二）铸铁试验与低碳钢同样方法做好试验前的准备工作，经教师检查后进行试验，直至试件断裂为止。停机，记录最大载荷，取下试件和拉伸图，整理现场。六、记录格式1）试验前测量试件记录于表12材料截面I截面II截面III（1）（2）平

5、均（1）（2）平均（1）（2）平均低碳钢铸铁低碳钢，最小直径 mm 横截面积 mm2 标 距 mm铸 铁：最小直径 mm 横截面积 mm22）试验后测量低碳钢试件记录于表13表13 标距断裂处直径断裂处横截面积（1）（2）平均七、整理试验结果1）、修正拉伸图。应该指出，绘图器绘出的拉伸变形是整个试件的伸长，并且包括试件在夹具中的滑动，试件开始受力时，试件在夹具中的滑动很大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线，必须加以修正，即将拉伸图直线部分向下延长，使它与横坐标相交，此交点即为坐标原点。然后将修正后的拉伸图按比例复制在试验报告上。2）、根据流动载荷及最大载荷计算流动极限及强度极限： 3）、根据试验前

6、后的标距长度和面积，计算延伸率和截面收缩率：这里应该指出，从破坏后的低碳钢试件上可以看到，各处的残余伸长不是均匀分布的，愈接近断口（颈缩）处伸长愈多（见图112）。因此测得的数值与断口的部位有关。根据国家标准GB22876中规定，当断口不在标距长度的中央区段内时，需要采用断口移中的方法来测量试件断后的标距。具体方法如下。试验前用刻线机将试样标距等分（一般5mm或10mm为一格），试样拉断后，在长段（如图112（a）的右段）上，从断口O起数出若干段，使它等于短段上的格数（如图112（a），则取一半，得C点，移位后的；如果长段上所余的段数为奇数（图112（b），则取所余格数减1和加1之半，分别得C

7、和C1点，移位后的。当断口非常靠近试样两端，而与其头部之距离等于或小于直径的两倍时，一般认为试验结果无效，必须重做。4）、根据试验结果，比较两种材料的力学性能。实验二材料弹性模量的测定一、目的1、测定材料的弹性模量E。2、在比例极限内，验证虎克定律。3、了解引伸仪的构造原理，学习它的使用方法。二、设备1、自制多功能试验台或万能试验机。2、引伸仪（球铰式、蝶式或其他形式的引伸仪）。3、游标卡尺，标准试样等。三、原理一般采用在比例极限内的拉伸试验来测定材料的弹性模量E。测量标距内微小变形的方法较多，可以用各种引伸仪来测定，也可以用电测方法（见25）来测得。本节采用引伸仪来测量弹性模量E。试件一般采

8、用圆形截面的标准试样。为了验证载荷P与变形之间的正比关系，在比例极限内采用增量法，逐级加载，每次增加同样大小的载荷，在引伸仪上读出相应的伸长变形，若每次伸长变形增量也大致相等，说明载荷P与变形成正比，即验证了虎克定律。设试样的横截面为A，引伸仪的标距为，则弹性范围内的虎克定律为，由此可知，试样材料的弹性模量E为：利用增量法进行试验，还可以排除试验中偶然误差，对不符合变化规律的读数，应及时检查，找出原因、或重做试验。为了夹牢试件和消除试验机机构之间的间隙，必须施加一定数量的初载荷。装夹引伸仪后，再加载至适当数值（如两倍的初载荷），然后卸载至初载荷，考察引伸仪工作是否正常。当确认仪表工作正常之后，

9、正式自初载开始，逐级加载，测量其伸长。试验时，应注意下面几点：（1）试验应在比例极限内进行，故最大应力不能超过比例极限，但也不宜低于它的一半。（2）最大载荷值要与试验机测力范围相适应。（3）最大变形要与引伸仪量程相适应。（4）至少应有56级加载，每级载荷要使引伸仪刻度值有明显变化。四、试验步骤1、试件准备在标距长度范围内，测量试件两端及中间三处的截面尺寸，取三处尺寸的平均值作为试件的计算直径。2、拟定加载方案。3、试验机准备。首先复习试验机操作规程。另外，根据最大载荷数值，选用适当的测力度盘和相应的摆锤，调整测力指针，使其对准零点。4、安装试件并施加初载荷。5、安装引伸仪复习引伸仪操作规程，小

10、心正确地安装引伸仪。6、检查及试件试验机开动前，必须请指导教师检查以上步骤完成情况。然后开启试验机，预加载荷至两倍初载荷，以检查试验机及引伸仪是否正常工作。7、进行试验自初载荷起，缓慢地逐级加载至最终载荷，并将和引伸仪读数记入记录表中。及时算出引伸仪前后两次读数的差值，以判断试验是否正常。加载至最大值后、再卸载至初载荷。以上试验过程，应重复进行23次。直至几次测量结果基本一致为止。五、实验数据的记录与计算1、测量记录如表14试样直径截面面积引伸仪标距引伸仪每格示值序号载荷左引伸仪右引伸仪读数（kN）增量（kN）读数（格）增量N（格）读数（格）增量N（格）123452、计算公式平均增量实际增量载

11、荷增量弹性模量实验三扭转试验一、 目的1、在比例极限内验证剪切虎克定律，测定剪切弹性模量。2、测定低碳钢的剪切流动极限及剪切强度极限。3、测定铸铁的剪切强度极限。4、观察低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）的扭转破坏特点，并比较其断口形状。二、设备1、扭转试验机或自制综合试验台。2、扭角仪。3、游标卡尺等。三、原理和装置扭转试验的试样采用圆形横截面，其形状及尺寸随试验机而定。图119（a）、（b）分别为K-50型扭转试验机和NN100型扭力试验机试样。为了验证弹性范围内的虎克定律和测定剪切弹性模量G，将扭角仪安装在低碳钢试样上，如图120所示。调整扭角仪A、B环的间距，使其等于测量标距，然后将

12、A、B环分别固定。若A、B截面发生相对转动时，千分表的示值就表示A、B截面上距试样轴线为b的两点的相对位移。则A、B截面的相对扭转角。在弹性范围内，相对扭转角与扭矩的关系为：式中为标距，G为材料的剪切弹性模量，为极惯性矩。若采用“增量法“逐级加载，每增加同样大小的扭矩时，扭转角的增量大致相等。这样就验证了虎克定律。根据各次测得的扭转角增量的平均值，可以算出剪切弹性模量G为：（a）上述扭转仪只能测量较小的扭转角，因此，材料流动前必须将其卸下。利用试验机的自动绘图装置，可以自动绘制扭矩和扭转角之间的关系曲线，即曲线，如图121所示，它与拉伸图相似。曲线上，OA段为直线，表示与与正比，材料服从剪切虎

13、克定律。若继续增加扭矩，转角增加很快，即达到了流动阶段，由曲线AB表示。B点的扭矩为流动的载荷。对低碳钢，可以近似地假设为理想塑性材料。当最大剪应力超过屈服极限后，试样横截面上的应力分布规律如图1-22所示。图1-22（a）、（b）分别表示局部和全部进入 塑性区的应力分布规律。当截面上各点的剪应力同时达到屈服极限时，剪应力合成的扭矩为：利用弹性范围内的抗扭截面系数（式中D、R分别表示试样的外径和外半径）代入上式，则 即 （b）继续加载将达到强化阶段，由线段BC表示，试件在C点破坏，破坏时（即C点）的扭矩为最大扭矩，由此，可算出剪切强度极限。 （c）铸铁的曲线如图123所示。从开始受扭直到破坏，

14、近似直线，其剪切强度极限。 （d）铸铁扭转试样直到破坏其扭转角都很小，一般不需测量。试件受扭时，材料处于纯剪切应力状态（图124）。在45斜面上，产生最大法向应力，其值都等于剪应力。低碳钢的抗拉能力强于抗剪能力，故从横截面剪断（图25（a），而铸铁的抗拉能力比抗剪能力弱，故沿45方向拉断（图125（b）。四、试验步骤1）、低碳钢（1）用游标卡尺测量试样直径。（2）根据低碳钢的剪切强度极限估计最大扭矩，选择合适的测矩盘。（3）调整试验机测矩指针到“零”点。（4）安装试样，调整扭角仪。（5）为验证剪切虎克定律和测量剪切弹性模量G，拟订加载方案。（6）在弹性范围内，缓慢地逐级加载，将载荷和扭角仪的千

15、分表读数逐级加以记录。重复进行以上试验，直至几次测得结果基本一致为止。（7）卸下扭角仪。（8）进行破坏试验，首先用手动慢速加载（K50型扭转机），或者选用7/min的转速电动加载（NN100型扭转机），注意观察试验机扭矩盘上的指针，若停止转动，而扭转变形继续增加时，说明材料发生流动，记下此时的扭矩为，经流动阶段后，即可快速加载，直到断裂为止。试样一断裂，立即停机，记下最大扭矩。2）铸铁试样（1）、（2）、（3）同低碳钢。（4）进行破坏试验。采用慢速加载，直到断裂，立即停机，记下最大扭矩。铸铁试样扭转时，不存在流动阶段。五、记录表格1）测量记录如表19（材料：低碳钢）试样直径扭角仪标距极惯性矩表

16、头至轴线距离序号扭矩N m扭角仪示值m m读 数增 量读 数增 量123456782）计算公式 3）测量、时的记录数据（1）低碳钢：试样直径（2）铸铁：试样直径。六、整理试验结果1）按公式（a）计算低碳钢的剪切弹性模量G。2）按公式（b）、（c）计算低碳钢的剪切流动极限和剪切强度极限。3）按公式（d）计算铸铁的剪切强度极限。4）比较两种材料的断口形状，并分析其破坏原因。实验四 梁的弯曲应力测量一、目的1、学习静态多点应变测量的方法。2、测定梁纯弯曲时的正应力分布规律，并与理论计算结果进行比较，以验证弯曲正应力公式。二、设备1、纯弯曲梁及其加载装置。2、静态电阻应变仪与预调平衡箱。3、游标卡尽、

17、钢尺。三、原理已知梁受纯弯曲的正应力公式为式中M为作用在截面上的弯矩，为梁横截面对中性轴z的惯矩，y为由中性轴到欲测点的距离。本试验采用碳钢制成的矩形截面梁，在梁承受纯弯曲的某一横截面上，沿轴向贴上五个电阻应变片，如图229所示，分别贴在梁的顶部和底部，贴的位置，在中性层上，当梁受弯曲时，即可测出各点处的轴向应变（i1、2、3、4、5），由于梁的各层纤维之间无挤压，根据单向应力状态的虎克定律，求出各点的实验应力为： （ i 1、2、3、4、5）式中E是所测梁材料的弹性模量。这里采用增量法加载，每增加等量的载荷测得各点相应的应变增量为，求出的平均值，依次求出各点的应力增量为： （a）把与理论公式

18、算出的应力增量： （b）加以比较，从而验证理论公式的正确性。从图229的试验装置可知，应为： （c）四、试验步骤1、根据材料的屈服极限拟定加载方案。2、将各工作片、补偿片接入预调平衡箱、各点预调平衡。3、进行实验。再次预调平衡，分级加载，逐点进行测量，记下读数，直至最大载荷。测量完毕后，卸载。上述过程重复两次，以获得具有重复性的可靠试验结果。五、记录表格1、试样尺寸及材料常数：宽度B mm；高度H mm；a mm；E Gpa； 200N2、实验记录如表22。载荷(N)应变()点号测 点 编 号12345读数()差值()读数()差值()读数()差值()读数()差值()读数()差值()P1P2P3

19、P4P5差值的平均应变()六、实验结果的处理1、根据实验结果，逐点算出应变增量平均值，代入公式（a），求出。2、用公式（c）、（b）计算各点的理论弯曲应力值。3、实验值与理论值进行比较，求出百分误差。实验五 主应力测定一、目的1、学会用电阻应力花测定一点主应力和主方向的一般方法。2、测定弯扭组合变形的薄壁圆筒表面任意一点的主应力和主方向，并与理论值进行比较。二、设备1、主应力试验台。2、静态电阻应变仪（附预调平衡箱）。3、游标卡尺等。三、原理平面应力状态时，任一点的应力有三个未知数（主应力大小及方向）。应用电阻应变仪及应变花可测得一点沿不同方向的三个应变值，例如图230所示的三个已知方向的应变

20、及。再由应变分析（见黄燕主编“材料力学”74节）知道，根据这三个应变值就可以通过计算得出此点任意方向的线应变和剪应变，也可以由计算得出主应变的大小和方向。因而主应力的方向亦可决定（与主应变方向重合）。主应力的大小可从各向同性材料的广义虎克定律求得： （a）为了方便起见，把三个已知方向的应变和间隔一定的角度，组成所谓“应变花”图231即为常见的“直角应变花”，所测得的应变分别为，即可由下式计算出应变（b） （c）若所测部位主应力的方向已知，则只须用两个电阻片，使其方向与已知主应力方向重合，即可测出主应变，如图232所示。再用公式（a）计算出主应力的大小。本试验采用弯扭组合的薄壁圆筒如图233（a

21、）所示，圆筒表面任意一点为主方向未知的两向应力状态，如图233（b）所示。用实验的方法来测定，则应在该点贴上应变花（这里采用45应变花），分别测取后，再代入公式（b）、（a）、（c）即可求出主应力和主方向。如果实验中采用60应变花（即等角应变花），同样可以得到结果。由应变花测试结果求解主应力的计算，也可编制程序在计算机上进行，只需输入测量数据，即可打印输出主应变，主应力和主应力方向。四、试验装置薄壁圆筒的安装筒图及贴片方式如图233所示，载荷P147N，扇形加载梁臂长，载荷距圆筒上贴片处距离，圆筒外径，内径，材料的弹性模量，材料的剪切弹性模量，泊松比。五、实验步骤1、按半桥测量方法，逐点将应变花的三片接入电阻应变仪预调平衡箱A、B接线柱上，补偿片接在B、C接线柱上。2、按应变仪使用方法，将仪器预热后，逐点预调平衡。3、测试时分级加载，逐点进行测量，记下读数，直到最大载荷。测量完毕后，卸载。上述过程重复两次，以获得具有重复性的可靠试验结果。六、实验记录1、试样尺寸圆筒内径圆筒外径扇形板半径2、读数记录如表2-4表2-4载荷(N)点号应变()应变片编号读数()差值()读数()差值()读数()差值()P1P2P3P4P5差值的平均应变()七、整理试验结果将实验测得数值代入公式（b）、（a）、（c），求得主应力和主方向a值。16