Transcript 材料力学实验
张青霞 讲师 博士 实验项目 实验一 实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七 金属材料的拉伸实验 金属材料的压缩实验 金属材料的扭转实验 弯曲正应力实验 测定材料的剪切弹性模量 弯扭组合变形主应力测试实验 测定材料的弹性模量E实验 实验一 金属材料的拉伸实验 一、实验目的 1．了解万能材料试验机的工作原理，并初步掌握试验 机的操作规程。 2．测定低碳钢的屈服极限、强度极限、伸长率、断面 收缩率。 3．测定铸铁的强度极限。 4．比较两种典型材料的机械性能和断口形式。 实验一 金属材料的拉伸实验 二、实验设备和量具 WE—100微机控制电液伺服液压式万能试验机、标距打 印机、游标卡尺。 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。 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，故测定其抗拉强度极限。 实验一 金属材料的拉伸实验 实验一 金属材料的拉伸实验 四、实验试样 五、实验方法及步骤 1．低碳钢试样的拉伸实验 1）测标样直径 实验一 金属材料的拉伸实验 1）测标样直径 为了避免试件加工的锥度和椭圆度影响，选取3个卡点测量 试件直径，3个卡点的位置分别选在标样中间和距平行长 度两端的约a⁄2处（a＝Lc－L0 ，Lc为标样的平行长度， L0 为标距的总长度）。对每个卡点，用游标卡尺在两个 相互垂直方向上卡其直径（两个卡值，精度≤0.02mm）， 取其算术平均值（精度0.1mm）。选择3个卡点中最小值 的直径（d0）进行横截面积（A0）的计算（л＝3.1416， 面积精度0.01mm2 ）。将各卡值及计算值填入实验报告 的表中。 实验一 金属材料的拉伸实验 （2）打印试件标距（仅对低碳钢试件） 注意Lc与L0的关系，从平行长度某一端点的约a⁄2处开始打 印。对ф10的低碳钢试件打印出8个1cm标距，即9个点， 并涂黑色。再用游标卡尺测量9个点的总长度，即为总标 距L0 （精度0.1mm），将L0值填入实验报告的表中。 （3）设备操作 ①打开电源，开启微机，双击桌面“微机自动测量控制系统”， 进入微机操作系统。 ②在“试验方法”中选金属室温拉伸试验（GB/T228—2002）。 ③单击“新建试样”进入填单界面，根据界面内容填单。 实验一 金属材料的拉伸实验 低碳钢拉伸图 实验一 金属材料的拉伸实验 五、实验方法及步骤 2．灰铸铁试样的拉伸实验 灰铸铁试样是在非常微小的变形情况下突然断裂的， 断裂后几乎测不到残变形。对灰铸铁只需测定它的强 度极限。 实验一 金属材料的拉伸实验 六、注意事项 1．未经指导教师同意不得开动机器。 2．练习时要严格遵守操作规程。操作者不得擅自离开操 纵台。 3．要慢速均匀加载，使测力指针匀速缓慢转动。卸载时 也要用慢速。按规定将载荷卸到所需值。 4．试件安装必须正确、防止偏斜和夹入部分过短现象。 5．试验时听见异声或发生任何故障，应立即停车。 实验一 金属材料的拉伸实验 七、思考题 1．试比较低碳钢和铸铁的拉伸机械性质。 2. 低碳钢试件的拉伸变形在加力至破坏的过程中分哪几 个阶段？在各个阶段中你看到了哪些现象？ 3. 在试验前，为什么要测三个横截面的直径？为什么每 个横截面又要测两个相互垂直的直径？ 实验二 金属材料的压缩实验 一、实验目的 测定压缩时低碳钢的屈服极限和铸铁的强度极限。 观察低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏现象。 二、实验设备和量具 WE—300微机控制电液伺服液压式万能试验机、 游标卡尺。 实验二 金属材料的压缩实验 三、实验原理 当试件承受压缩时，其上下两端面与试验机支承垫之 间产生很大的摩擦力，这些摩擦力阻碍试件上部和下 部的横向变形。当试件的高度相对增加时，摩擦力对 试件中部的影响将有所减小，因此抗压能力与试件高 度和直径的比值有关。 低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试样一般制成圆柱形， 高与直径之比在1～3 的范围内。目前常用的压缩试 验方法是两端平压法。 实验二 金属材料的压缩实验 四、实验步骤 1、低碳钢试样的压缩实验 1）测定试样的截面尺寸 用游标卡尺测量试件两端及中部三处截面的直 径，取三处中最小一处的平均直径来计算截面面积。 2）试验机的准备。 选择测力度盘。调整指针，对准零点，并调整自 动绘图器。 实验二 金属材料的压缩实验 四、实验步骤 3）安装试件 将试件两端面涂以润滑剂，然后准确地放在试验 机球形承垫的中心处。 4）检查试件 5）进行试验 缓慢均匀地加载，注意观察测力指针的转动情况 和绘图纸上的压缩图，以便及时而正确地测定屈服载 荷，并记录下来。 实验二 金属材料的压缩实验 四、实验步骤 2、铸铁试样的压缩实验 铸铁试样压缩试验的步骤与低碳钢压缩试验基本相同， 但不测屈服载荷而测最大载荷。 实验二 金属材料的压缩实验 五、注意事项 1．未经指导教师同意不得开动机器。 2．练习时要严格要遵守操作规程。 操作者不得擅自离开 操纵台。 3．要慢速均匀加载，使测力指针匀速缓慢转动。 卸载时也要慢速，按规定将载荷卸到所需值。 4．试验时听见异声或发生任何故障，应立即停车。 实验二 金属材料的压缩实验 六、思考题 1．试分别比较低碳钢和铸铁在轴向拉伸和压缩下的力学 性质。 2．由低碳钢和铸铁的拉伸和压缩试验结果，比较塑性材 料和脆性材料的力学性质以及它们的破坏形式。 3．为什么铸铁试件在压缩时沿着与轴线大致成45°的 斜面破坏？ 实验三 金属材料的扭转实验 一、试验目的 1．测定低碳钢的屈服点(剪切屈服极限) ts、抗 扭强度(剪切强度极限) tb。 2．测定铸铁抗扭强度tb； 3．观察、比较和分析上述两种典型材料在受到扭 转载荷时的变形和破坏形式，并对试件断口进行 分析。 二、试验设备及量具 JNSG—144型扭转试验机、游标卡尺。 实验三 金属材料的扭转实验 三、试验原理 圆轴承受扭转时，材料完全处于纯剪切应力状态。 故常用扭转实验来研究不同材料在纯剪切作用下 的力学性质。 Ts ts Wp 低碳钢：扭矩T～扭角 φ关系曲线图 Tb tb Wp 实验三 金属材料的扭转实验 Tb tb Wp 铸铁：扭矩T～扭角 φ关系曲线图 试件受力分析图 试件受扭，材料处于纯剪切应力 状态。圆杆扭转时横截面上有最 大剪应力，而45°斜截面上有最 大拉应力，由此可以分析低碳钢 和铸铁扭转时的破坏原因。 实验三 金属材料的扭转实验 四、实验步骤 1、分别测量两种材料试样的直径（测量直径的方法与拉伸 试验一样）。 2、调试试验机，安装试样，用黑色笔沿试样轴线画一条直线， 以便观察试样受扭时的变形。 3、启动试验机上的电机，对试样进行破坏试验。在试验中， 应注意选择扭转速度。低碳钢试样在屈服前，扭转速度在 （15o—30o）/min范围内，屈服后的扭转速度不大于 360o/min，且速度的改变应无冲击产生。 4、记下试验中试样屈服时的扭矩Ts和破坏时的最大扭矩Tb。 5、试样扭断后，立即关机，取下试样，试验结束。 实验三 金属材料的扭转实验 五、思考题 1.铸铁试件扭转实验，从加载到破坏你看到哪些现象。 2.为什么铸铁试件在扭转时沿着与轴线大致成45°的斜 截面上破坏？ 3.低碳钢试件扭转实验，从加载到破坏你看到哪些现象。 4.分析两种材料的断口形状及产生原理。 5.铸铁在压缩和扭转破坏时，其断口方位均与轴线大致 成45°角，其破坏原因是否相同？ 实验四 弯曲正应力实验 一、试验目的 1. 用实验方法测定梁在纯弯曲时横截面上正应 力的分布规律。 2.验证梁在纯弯曲下的正应力公式。 3.掌握电测法的原理、方法及电阻应变仪的使用。 二、试验设备及量具 WSG—80型纯弯曲正应力试验台、电阻应变仪、 电源插座、螺刀。 实验四 弯曲正应力实验 三、试验原理 标准试件受力状况 1. 实验前，在试件矩形截面梁的纯弯曲区域内，离中性轴不 同高度处粘贴好五个间距相等的电阻应变片： 1片、5片贴在 距中性轴距离的h/2处（梁截面的上下边缘），2片、4片贴在 距中性轴距离的h/4处，3片贴在中性轴的位置上。 实验四 弯曲正应力实验 2.理论值计算 梁横截面上某点的正应力增量的理论值按公式 Fa yi 2 Iz 可计算。 3.实测值计算 按虎克定律计正应力的增量△σ实。根据横梁截面上各点 所测出的应变增量 计算△σ实=E· 实验四 弯曲正应力实验 四、实验步骤 1．粘贴应变片； 2．安装试件及接线； 3．对静态电阻应变仪进行参数设置； 4．拟定加载方案； 5．进行实验； 6．结束实验； 实验四 弯曲正应力实验 五、实验数据处理 1．测点距中性轴的距离； 2．完成实验记录表二； 3．数据处理； 4．实验结果分析； 5．根据实测应力描绘出应力沿截面高度的分布 图。 实验四 弯曲正应力实验 六、思考题 1.弯曲正应力的大小是否会受材料弹性模量E的 影响？ 2.影响实验结果准确性的主要原因是什么？ 实验五 测定材料的剪切弹性模量 一、试验目的 1.测定低碳钢的剪切弹性模量（G），基本掌握 测试塑性材料剪切弹性模量的实验设计、实验条 件、设备操作及试验结果分析。 2.验证圆轴扭转变形公式。 二、试验设备及量具 NY—4型扭转试验机、百分表、游标卡尺、钢板 尺等。 实验五 测定材料的剪切弹性模量 三、试验原理 1.验证虎克定律 选取已知屈服点的低碳钢材料。在比例极限内，利用设 备通过n次等增量加载荷，由百分表可测出每次产生相近 的位移增量值 (因设备误差，不可能完全相等)，即可验 证虎克定律的正确性。 2.剪切弹性模量求取 在剪切比例极限内，分四次加载荷，每次对试件施加相等的 载荷 ，求取所产生的四个极为相近的扭转角增量值,扭转变 形公式可得到剪切弹性模量 L0 G I p 实验五 测定材料的剪切弹性模量 四、实验步骤 1.卡取试件直径，为了避免试件加工的锥度和椭圆度 影响，在标距 内选取3个卡点，3个卡点的位置分别选 在标距中间和接近标距的两端。 2.将已卡取直径为 、长为260mm的试件安装在NY— 4型测G扭转试验机上，并固紧。 3.调整两悬臂杆的位置。 4.调整设备加码进行试验。 实验五 测定材料的剪切弹性模量 五、注意事项 1.加载过程中，要注意检查传力机构的零件是否受到干扰， 若受干扰，需卸载调整。 2.加、减砝码时要缓慢放手，以使之为静载，并防止失落 而砸伤人、物等。 3.加载荷前，要先加有一定重量的初载荷（一般指砝码 托），它的意义不仅在于其上可加载荷，主要是避免实 验开始时试件会因夹头不牢或设备机构间隙的存在而产 生松动，导致试件夹持表面上产生微小的滑动，这些均 影响数据的准确性，故必须加一定的初载荷。 实验五 测定材料的剪切弹性模量 六、思考题 1.试讨论影响测量误差的主要因素是什么？ 2.用实验结果验证圆轴扭转的剪应力公式。 实验六 弯扭组合变形主应力测试 实验 一、试验目的 1.利用电阻应变仪和应变花测定平面应力状态下一点的主 应力大小及方向，并与理论值进行比较。 2.测定弯扭组合变形杆件中的弯矩和扭矩分别引起的应变， 并确定内力分量弯矩和扭矩的实验值。 3.掌握电阻应变片花的应用。 二、实验设备及仪器 WNG—100型弯扭组合变形试验台、电阻应变仪、电 源插座及螺刀。 实验六 弯扭组合变形主应力测试 实验 三、实验原理 1．结构示意图 D d l I I a F I-I 截面 I-I截面 内力： T Fa M Fl FQ F 实验六 弯扭组合变形主应力测试 实验 利用已知参数的材料和专用设备，在标准试件 同时受到弯曲和扭转两种载荷作用下，用应变仪 测定已知点在不同方向上的应变值，并计算出实 验的正应力，从而验证理论计算值。 理论值计算主应力公式 1, 2 1 ( x ( x ) 2 4(t xy ) 2 ) 2 tg 2 2t xy x 实验六 弯扭组合变形主应力测试 实验 利用已知参数的材料和专用设备，在标准试件 同时受到弯曲和扭转两种载荷作用下，用应变仪 测定已知点在不同方向上的应变值，并计算出实 验的正应力，从而验证理论计算值。 实测值计算主应力公式 1, 2 E ( 0 90 ) E ( 0 45 )2 ( 45 90 )2 2(1 ) 2 (1 ) 2 45 0 90 tg 2 0 90 实验六 弯扭组合变形主应力测试 实验 四、实验步骤 1．粘贴应变花，将应变片按照实验要求接至应变仪上， 并进行参数设置； 2．拟定加载方案； 3．进行实验(填在记录表上) ； 4．结束实验(检查数据) 。 五、注意事项 1.加码或撤码时，要缓慢进行。 2.应变花的标距一定要短，一般是2×3，最好是1×2这样 测量的值才更接近于一点的应变。因为圆管比较细，曲率 大，如果应变花标距大就会有较大误差。 实验六 弯扭组合变形主应力测试 实验 六、思考题 1. 试分析本次实验的误差是由哪些主要原因造成的？ 2. 在粘贴应变花时，是否一定要有一片的方位与杆的 轴线平行？在选应变花及选择测点的位置时要注意些什 么？ 实验七 塑性材料弹性模量（E） 的测点 一、实验目的 1．在比例极限内，验证虎克定律。 2．测定低碳钢的弹性模量E。 3．了解电阻应变仪的原理及使用方法。 二、实验设备及仪器 CEG—4K型测E试验机、Qy—1球铰式引伸仪、千分表、 游标卡尺。 实验七 塑性材料弹性模量（E） 的测点 三、实验原理 （1）验证虎克定律 选取已知屈服点的低碳钢材料。在比例极限内，利用设 备通过n次等增量加载荷，由千分表可测出每次产生 相近的位移增量值 (因设备误差，不可能完全相等)， 即验证虎克定律的正确性。 （2）拉伸弹性模量求取 分四次加荷，每加一次载荷产生一个伸长增量，对 每个伸长增量值可由千分表读出。求取4个拉伸增量 的算术平均值，由虎克定律可计算弹性模量。 实验七 塑性材料弹性模量（E） 的测点 四、实验步骤 1.卡取试件直径，为了避免试件加工的锥度和椭圆度 影响，在标距 内选取3个卡点，3个卡点的位置分别选 在标距中间和接近标距的两端。 2.将已卡取直径为 、长为380mm的试件安装在测E试 验机上，并固紧。 3.在试件上安装球铰式引伸仪，使试件与引伸仪充分 接触。 4 ．将千分表安装在引伸仪上。 5.调整设备加码进行试验。 实验七 塑性材料弹性模量（E） 的测点 五、注意事项 1．未经指导教师同意不得开动机器。 2．练习时要严格要遵守操作规程。操作者不得擅自离 开操纵台。 3．要慢速均匀加载，使测力指针匀速缓慢转动。卸载 时也林用慢速。按规定将载荷卸到所需值。 实验七 塑性材料弹性模量（E） 的测点 五、注意事项 4．试件安装必须正确、防止偏斜和夹入部分过短现象。 5．试验时听见异声或发生任何故障，应立即停车。 六、思考题 1．试件的尺寸和形状对测定弹性模量有无影响？ 2．试验时为什么要加初载荷？