工程力学试验指导书16K.doc

试验一 低碳钢和铸铁的拉伸试验一、试验内容和目的1、测定低碳钢的屈服极限s、强度极限b、延伸率和截面收缩率；测定铸铁的强度极限b。2、观察上述两种材料的拉伸和破坏现象，如低碳钢在屈服阶段试件表面产生的细小裂纹，颈缩现象及两种材料破坏时的断口。3、绘制拉伸时的（应力应变）曲线。二、试验设备和器材1、 屏显液压万能试验机。2、 游标卡尺。3、 低碳钢和铸铁的标准试件。金属材料的试样如图1所示。试样中间部分是工作长度l，称标距。规定圆形截面试样，标距l与直径d的比例为l=10d或l=5d；矩形截面试样标距l与截面面积A的比例为或。试件两端加粗的加紧部分，因试验夹具类型而不同，可作成圆柱形、阶梯形或螺纹形，如图1所示。三、试验原理塑性材料在拉伸过程中所表现的力学性能和脆性材料相比有明显的差异。图2（a）表示低碳钢拉伸试验的Fl曲线；图2（b）表示铸铁拉伸的Fl曲线。铸铁试件在变形很小的情况下即呈现脆性断裂，而低碳钢要经过沿直线上升到A点及B点，过B点后，进入锯齿形的屈服阶段（BC段）直到CDE段破坏。低碳钢拉伸试验中要测定的强度指标为屈服极限s和强度极限b。低碳钢屈服时拉伸图上出现平台或波动，国家规定首次下降的最小荷载值Ps与试件初始截面面积Ao之比为材料的屈服极限s；Fl曲线上的最大荷载值Pb与试件初始截面面积A0之比为材料的强度极限b。即： 图2铸铁在拉伸过程中没有屈服现象。当荷载到达最大值时突然发生断裂，且无颈缩现象。因此，对铸铁只测定其最大荷载Fb。衡量材料塑性大小的两个指标为延伸率和截面收缩率，分别表示为式中：l0、A0 试验前的标距和截面面积； l1、A1 试验后的标距和截面面积。 四、试验方法和步骤 1、在试件的标距长度l内每隔10mm用划线机分成10等份（或由试验室人员事先划好），以便观察变形分布和计算延伸率。2、在标距中央和两端分别沿互相垂直的两个方向各量一次直径，并分别计算这三处直径的平均值，取其中最小者作为试件直径d0，同时测量标距l0。3、估计拉伸试验的最大荷载Fb，Fb在测力度盘4085范围内较适宜（一般由试验室人员选定）。调整测力指针使其对准零点，并检查自动绘图装置，使笔与记录纸刚好接触。4、安装试件，作好描图准备，打开试验机，缓慢匀速加载。5、在实验过程中，要注意观察试件变形、拉伸图各阶段的变化和测力指针的走动情况，并及时记录有关数据。对于低碳钢测定力指针停止转动后的恒定荷载或第一次回转的最小值就是屈服荷载Fs，记录并观察是否出现滑移线。屈服后在强化阶段任一点处停止加载，然后卸载，再重新加载，以观察冷作硬化现象。注意观察颈缩现象，并记录最大荷载Fb。铸铁试验需记录最大荷载Fb并绘出拉伸图。6、测量低碳钢试件断裂后的标距长度l1，并在颈缩段的最小截面处沿互相垂直的两个方向各量一次直径，并取其平均值作为d1。若断口不在标距长度中央1/3区段内，则需要采用断口移中方法，以度量试件拉断后的标距l1。设两标点c至c1之间共划分n格（图143），拉伸前各格间距相等。在断裂试件较长的一段上（如右段），从邻近断口的一个刻线d起，向右取n/2个格，标记为a，作为标距l1的起点，这就相当于把断口放在中央，再看a点到标点c1有多少格，就由a点向左取相同的格数，标以记号b，由c点向左量取ab长度，记作，。用表示c至b的长度，用表示ab的长度。则的长度中包含的格数等于标距内的格数n，故。当断口非常接近试件两端，而与其头部的距离等于或小于直径的两倍时，需重作试验。图3五、预习要求1、复习课本中有关材料拉伸时的力学性能的内容；阅读本次试验内容及仪器的使用方法、注意事项。2、预习时思考下列问题：（1）实验目的和内容；（2）低碳钢拉伸时各阶段的特点；（3）需记录哪些数据。低碳钢和铸铁拉伸试验报告班级学号学生姓名成绩实验日期指导教师一、实验目的二、实验设备三、实验数据处理 1、低碳钢试验记录及数据处理（1）试件试验前试验后初始标距断裂后标距 (mm)直径（mm）上最小直径 （mm）中下初始截面面积（mm2）断口处截面面积 mm2（2）数据处理 屈服荷载 kN 极限荷载 kN 屈服极限 MPa 强度极限 MPa 延伸率 = 截面收缩率 =（3）绘制低碳钢拉伸试验的曲线2、铸铁试验记录及数据处理试验前试验后直径 横截面积 断裂后直径 最大载荷： kN强度极限： MPa试验二 低碳钢和铸铁的压缩试验一、试验内容和目的1、测定压缩时低碳钢的屈服极限s和铸铁的强度极限b。2、观察上述两种材料的压缩变形和破坏形式，并分析原因。二、试验验设备和器材1、屏显液压万能试验机。2、千分尺和卡尺。3、低碳钢和铸铁试件。（金属材料的压缩试件一般制成圆柱形，一般规定，高度h与直径d0的比值在1和3之间）。三、试验原理低碳钢试件压缩时，在屈服阶段以前，其FL曲线与拉伸时相同，继续加载，低碳钢试件出现较短的屈服阶段（图1a），可在测力度盘指针停顿或稍后退时记下屈服荷载Fs。其屈服极限为：（a）低碳钢压缩试验的应力应变曲线 （b）铸铁压缩图图1由于低碳钢试件可压得很扁而不破坏，所以无法求出压缩强度极限。加载过屈服点后，试件被压成扁鼓形时即应停止试验。铸铁试件压缩时达到最大荷载Pb就突然破裂，其强度极限为铸铁试件的断裂面接近45斜面（图1b），破坏主要由切应力引起。四、实验方法和步骤1、测量试件直径d0。2、选择试验机的加载范围。3、低碳钢试件测出屈服点荷载Ps后即停止试验；铸铁试件测出最大荷载Pb即停止试验。按照操作规程，安装试件，试验台上最好加球面垫板，以使压力自动调整，保证试件承受均匀的轴向力。注意铸铁试件需加保护罩，以防碎片飞出伤人。4、开始试验，注意缓慢均匀的加载。五、预习要求1、复习课本中有关材料压缩时力学性能的内容；阅读本次实验内容。2、拉伸和压缩时，低碳钢的屈服点是否相同？铸铁的强度极限是否相同？低碳钢和铸铁压缩试验报告班级学号学生姓名成绩实验日期指导教师一、实验目的二、实验设备三、实验结果处理1、 计算低碳钢的屈服极限s和铸铁的强度极限b。试验记录试 件低碳钢试件铸铁试件高 度h（mm）截面直径d0（mm）截面面积A0（mm2）低碳钢试件的屈服荷载 Fs= kN铸铁试件的最大荷载 Fb= kN低碳钢的屈服极限 = MPa铸铁的强度极限 = MPa2、表示两种材料的变形曲线（1）低碳钢试样压缩试验的应力应变曲线（2）铸铁试样压缩试验的应力应变曲线 3、回答问题 （1）拉伸和压缩时，低碳钢的屈服点是否相同？铸铁的强度极限是否相同？ （2）解释铸铁试样在压缩时，沿近45斜面破裂的原因。试验三 低碳钢和铸铁的扭转实验一、实验目的测定低碳钢（代表塑性材料）的扭转屈服点s及抗扭强度b。测定铸铁（代表脆性材料）的抗扭强度b。分析比较两种材料受扭时的变形规律及其破坏特征。二、实验设备、量具及试样1.教学用扭转试验机：型号 JNSG-144 1带线杆 2夹线杆3 夹线螺钉 4力臂5销轴 6座叉7测矩弹簧 8平衡锤9 锤杆 10缓冲器11固定夹头 12线轮I 13笔架螺钉 14笔架15画线笔 16绘图圆筒17转角线轮 18指针19度盘 20蜗杆21蜗轮箱 22封板固定螺钉 23夹头封板24转动夹头 25试样26弹簧吊环 27活塞杆28活塞 29油缸 图1 JNSG-144型教学用扭转试验机该试验机如图1和图2所示，采用蜗轮减速机手动加载，弹簧测矩装置测扭矩，自动绘图装置绘图，最大扭矩144 Nm。试样受到扭转作用，通过固定夹头11和力臂4使测矩弹簧7与扭矩成正比伸长，力臂4向上偏转，又通过各线轮带动指针18转动，在度盘19上示力，其中线轮12将测矩弹簧7的伸长量与度盘19的刻度按比例放大。在线轮带动指针18转动的同时，也带动画线笔15沿绘图圆筒16轴线方向移动，转角线轮17又同时带动绘图圆筒16转动，画线笔15即可在坐标纸上画出扭矩扭角曲线。 2.游标卡尺：规格200mm3.低碳钢、铸铁扭转试样各1件 图2 绕线示意图 图3 扭转试样加工图三、实验原理扭转实验是测定材料力学性能的又一基本实验。实验时，试验机可自动绘出试样所受扭矩和扭角关系的扭矩扭角曲线（T-图）。对于低碳钢，如图4所示，T-图包括较短的弹性直线段（OA段）、较明显的屈服台阶（AB段）和几乎占全曲线大部分的强化阶段（BC段）。屈服台阶即为屈服阶段，近似为一平台，其末点B所对应的扭矩就是屈服扭矩Ts。扭转屈服点s为： 图4 低碳钢的扭矩扭角曲线 （1）试样被扭断时，两端大约相对转过57圈。由测力度盘上从动针读出试样所受的最大扭矩Tb。抗扭强度b按式（2）计算： （2）式中Tb、Wn、b的单位分别为Nmm、mm3、MPa。对于铸铁，如图5所示，再扭转变形不大的情况下即被扭断，由测力度盘上读出最大扭矩Tb，同样由式（2）计算出抗扭强度b。低碳钢试样扭转时的塑性变形明显，扭断后断口大致位于横截面的位置并且较平齐（见图6），是由切应力引起的破坏。铸铁扭断后的断口为螺旋面（见图7），与试样的轴线大致成45。55。角，是由拉应力引起的破坏。比较这两种材料的断口，可以得出结论： 低碳钢的抗拉能力优于抗剪能力，而铸铁的抗剪能力优于抗拉能力。 图5铸铁的扭矩-扭角曲线 图6 低碳钢扭断断口 图7铸铁扭断断口四、实验步骤 （一）扭转试验机的准备工作（二）装夹试样、调零、放画线笔1试样25的尺寸按图3加工。2拧开固定夹头11和转动夹头24上的封板固定螺钉22，打开夹头封板23。3摇转蜗杆20，使两夹头的方孔对齐，放进试样25。4关上夹头封板23，拧紧封板固定螺钉22。5调零。松开笔架螺钉13在笔架14后面，稍提线坠松线，调整度盘19的指针18指零。6推动笔架14，使画线笔尖对准坐标纸零位，然后放下画线笔15，拧紧笔架螺钉13。（三） 加载实验1顺时针缓慢摇转蜗杆20加载，观察各种实验现象，记录所需测值。有明显屈服阶段的材料，过了屈服阶段加载可以快些。在线轮带动指针18转动的同时，也带动画线笔15沿绘图圆筒16的轴线方向移动，转角线轮17又同时带动绘图圆筒16转动，画线笔15即可在坐标纸上画出扭矩-扭角曲线（曲线）来。纵坐标表示扭矩测值，比例为0.995Nm/mm ；横坐标表示转角测值，选用大、小沟槽时分别表示为1.32o/mm和0.439o/mm ，开始时沿圆周方向的一段直线为系统间隙产生的变形，要略去不计。 注意在加载过程中，人身要离开平衡锤上方及力臂下方半米以上，以防在缓冲器失灵的情况下试样断时，平衡锤和力臂快速复位碰伤人身。2 验完毕，取下试样和坐标纸。五、思考题根据低碳钢和铸铁的拉伸、压缩、扭转实验结果，说明塑性材料与脆性材料的力学性能有何不同？铸铁在压缩和扭转破坏时，其断口方位都与轴线大致成45。角，其破坏原因是否相同？低碳钢和铸铁的扭转实验报告班级学号学生姓名成绩实验日期指导教师一、实验目的二、实验设备、仪器及量具三、实验记录和计算结果 试样原始尺寸记录材 料 直 径 d0/mm截面截面截面12平均12平均12平均低碳钢 铸铁 试样横截面几何参数计算及测试扭矩记录材 料各截面平均直径的最小值d0/mm抗扭截面系数WP/mm3屈服扭矩Ts/（Nm）最大扭矩Tb/（Nm）低碳钢 铸铁计算结果（1）低碳钢 扭转屈服点 MPa 抗扭强度 MPa（2）铸铁 抗扭强度 MPa实验四 等强度梁实验一、实验目的1、学习应用应变片组桥，检测应力的方法。图8 等强度梁安装图2、验证变截面等强度实验。3、掌握用等强度梁标定灵敏度的方法。4、学习静态电阻应变仪的使用方法。二、实验梁的安装示意图1等强度梁的正应力的分布规律实验装置如图8所示。2等强度梁的安装与调整：在如图8所示位置处，将拉压力传感器6安装在蜗杆升降机构5上拧紧，顶部装上压头7。摇动手轮4使之降到适当位置，以便不妨碍等强度梁的安装。将等强度梁如图放置，调整梁的位置使其端部与紧固盖板2对齐，转动手轮使压头6与梁的接触点落在实验梁的对称中心线上。调整完毕，将紧固螺钉1（共四个）用扳手全部拧紧。注意：实验梁端部未对齐或压头接触点不在实验梁的对称中心线上，将导致实验结果有误差，甚至错误。3等强度梁的贴片等强度梁贴片如图9所示。1#、2#、3#片分别位于梁水平上平面的纵向轴对称中心线上，1#、3#片关于2#片成左右对称分布。图9 等强度梁贴片图三、实验原理1、电阻应变测量原理电阻应变测试方法是用电阻应变片测定构件的表面应变，再根据应变一应力关系（即电阻一应变效应）确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。这种方法是以粘贴在被测构件表面上的电阻应变片作为传感元件，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，利用电阻应变仪将此电阻值的变化测定出来，并换算成应变值或输出与此应变值成正比的电压（或电流）信号，由记录仪记录下来，就可得到所测定的应变或应力。2、电阻应变片电阻应变片一般由敏感栅、引线、基底、覆盖层和粘结剂组成，图10所示为其构造简图。3、测量电路原理通过在试件上粘贴电阻应变片，可以将试件的应变转换为应变片的电阻变化，但是通常这种电阻变化是很小的。为了便于测量，需将应变片的电阻变化转换成电图10 电阻应变片基本构造图压（或电流）信号，再通过电子放大器将信号放大，然后由指示仪或记录仪指示出应变值。这一任务是由电阻应变仪来完成的。而电阻应变仪中电桥的作用是将应变片的电阻变化转换成电压（或电流）信号。四、实验步骤1把等强度梁安装于实验台上，注意加载点要位于等强度梁的轴对称中心。2将传感器连接到BZ 2208A测力部分的信号输入端，将梁上应变片的导线分别接至应变仪l3通道的A、B端子上，公共补偿片接在公共补偿端子上，检查并纪录各测点的顺序。3打开仪器，设置仪器的参数，测力仪的量程和灵敏度。4本实验取初始载荷P0=20N，：Pmax=100N，P=20N，以后每增加载荷20N，记录应变读数。，共加载五级，然后卸载。再重复测量，共测三次。取数值较好的一组，记录到数据列表中。5实验完毕，卸载。实验台和仪器恢复原状。五、实验记录载荷P（N）应变仪读数单位：（106）-20-40-60-80-100平均值灵敏度实验五 纯弯曲实验一、实验目的1、测定梁在纯弯曲时某一截面上的应力及其分布情况。2、观察梁在纯弯曲情况下所表现的虎克定律，从而判断平面假设的正确。3、进一步熟悉电测静应力实验的原理并掌握其操作方法。4、实验结果与理论值比较，验证弯曲正应力公式的正确性。5、测定泊松比。二、实验梁的安装示意图1纯弯梁的正应力的分布规律实验装置如图11所示。2纯弯梁的安装与调整在如图11所示位置处，将拉压力传感器9安装在蜗杆升降机构8上拧紧，将支座2（两个）放于如图所示的位置，并对于加力中心成对称放置，将纯弯梁置于支座上，也要对称放置，将加力杆接头4（两对）与加力杆6（两个）连接，分别用销子3悬挂在纯弯梁上，再用销子把加载下梁11固定于图上所示位置，调整加力杆的位置两杆都成铅垂状态并图11 纯弯曲梁安装图关于加力中心对称。摇动手轮7使传感器升到适当位置，将压头10放如图中所示位置，压头的尖端顶住加载下梁中部的凹槽，适当摇动手轮使传感器端部与压头稍稍接触。检查加载机构是否关于加载中心对称，如不对称应反复调整。注意：实验过程中应保证加载杆始终处于铅垂状态，并且整个加载机构关于中心对称，否则将导致实验结果有误差，甚至错误。3纯弯曲梁的贴片5#、4#片分别位于梁水平上、下平面的纵向轴对称中心线上；1#片位于梁的中性层上，2#、3#片分别位于距中性层和梁的上下边缘相等的纵向轴线上，6片与5片垂直，如图12所示。图12 纯弯曲梁贴片图三、实验原理图13为试样受力图图13 纯弯曲梁受力图为了测量应变随试样截面高度的分布规律，应变片的粘贴位置如图12所示。这样可以测量试件上下边缘、中性层及其他中间点的应变，便于了解应变沿截面高度变化的规律。材料弹模（GPa）几何参数应变片参数应变仪灵敏系数K仪b（cm）h（cm）a（cm）灵敏系数K片电阻值（）碳钢2102.04.01002.01202.0由材料力学可知，矩形截面梁受纯弯时的正应力公式为式中：M为弯矩；y为中性轴至欲求应力点的距离；Iz为横截面对z轴的惯性矩。本实验采用逐级等量加载的方法加载，每次增加等量的载荷，测定各点相应的应变增量一次，即：初载荷为零，最大载荷为4kN，等量增加的载荷为500N。分别取应变增量的平均值（修正后的值），求出各点应力增量的平均值。把测量得到的应力增量与理论公式计算出的应力增量加以比较，从而可验证公式的正确性，上述理论公式中的按下式求出：材料力学中还假设梁的纯弯曲段是单向应力状态，为此在梁上（或下）表面横向粘贴6#应变片，可测出，根据计算得到梁材料的泊松比，从而验证梁弯曲时近似于单向应力状态。材料的弹性模量E值按公式计算得到。四、实验步骤1确认纯弯梁截面宽度b=20mm，高度h=40mm，载荷作用点到梁两侧支点距离a100mm。2将传感器连接到BZ 2208A测力部分的信号输入端，将梁上应变片的公共线接至应变仪任意通道的A端子上，其它接至相应序号通道的B端子上，公共补偿片接在公共补偿端子上。检查并纪录各测点的顺序。3打开仪器，设置仪器的参数，测力仪的量程和灵敏度设为传感器量程、灵敏度。4本实验取初始载荷P0=0.5kN（500N），Pmax=2.5kN（2500N），P=0.5kN（500N），以后每增加载荷500N，记录应变读数，共加载五级，然后卸载。再重复测量，共测三次。取数值较好的一组，记录到数据列表中。 5实验完毕，卸载。实验台和仪器恢复原状。五、实验结果（1）求出各测量点在等量载荷作用下，应变增量的平均值。（2）以各测点位置为纵坐标，以修正后的应变增量平均值为横坐标，画出应变随试件截面高度变化曲线。（3）根据各测点应变增量的平均值，计算测量的应力值。（4）根据实验装置的受力图和截面尺寸，先计算横截面对z轴的惯性矩Iz，再应用弯曲应力的理论公式，计算在等增量载荷作用下，各测点的理论应力增量。（5）比较各测点应力的理论值和实验值，并按下式计算相对误差 在梁的中性层内，因，故只需计算绝对误差。（6）比较梁中性层的应力。由于电阻应变片是测量一个区域内的平均应变，粘贴时又不可能正好贴在中性层上，所以只要实测的应变值是一很小的数值，就可认为测试是可靠的。 六、实验记录表格表51 测点位置测点编号12345测点至中性层的距离y（mm）表52 实验记录载荷P（N）应变仪读数单位：（106）泊松比-500-1000-1500-2000-2500表53 实验结果测点编号12345应变修正值应力实验值（）应力理论值（）误差e（）实验六 弯扭组合梁实验一、实验目的1验证薄壁圆管在弯扭组合变形下主应力大小及方向的理论计算公式。2测定圆管在弯扭组合变形下的弯矩和扭矩。3实测剪切应力并计算剪切弹性模量。4掌握通过桥路的不同连接方案，消扭测弯、消弯测扭的方法。二、实验梁的安装示意图1弯扭组合梁的正应力的分布规律实验装置，如图14所示。2弯扭组合梁的安装与调整。该装置用的试件采用无缝钢管制成一空心轴，外径D40.5mm， 内径d=36.5mm，E=206GPa，如图12所示，根据设计要求初载P0.3kN，终载Pmax1.2kN。实验时将拉压力传感器7安装在蜗杆升降机构8上拧紧，顶部装上钢丝接头6。观察加载中心线是否与扇形加力架相切，如不相切调整坚固螺钉1（四个），调整好后用扳手将紧固螺钉拧紧。将钢丝5一端挂入扇形加力杆的凹槽内，摇动手轮4至适当位置，把钢丝的另一端插入传感器上方的钢丝接头内。图14 弯扭组合梁实验安装图3弯扭组合梁的贴片注意：1#片位于梁的上边缘弧面上，2#片位于梁中轴层上，均为45。应变花如图15所示。三、实验原理主应力的测量1应变片布置由图16可知，A点单元体承受由弯矩M产生的弯曲应力，和由扭矩产生的剪应力的作用。B点单元体处于纯剪切状态，其剪应力由扭矩和剪力Q两部分产生。这些应力可根据下列公式计算。，图15 弯扭组合梁贴片图从上面分析看来，在试件的A点、B点上分别粘贴一个三向应变片如图17，就可以测出各点的应变值，并进行主应力的计算。图17 应变片布置图图16 单元体图2主应力的计算电阻应变片的应变测量只能沿应变片轴线方向的线应变。能测得x方向、y方向和45方向的三个线应变、和。为了计算主应力还要利用平面应力状态下的胡克定律和主应力计算公式，计算中应注意应变片贴片的实际方向，灵活运用此公式。截面内力的分离测量在工程实践中应变片电测方法不仅广泛用于结构的应变、应力测量，而且也把它当作应变的敏感元件用于各种测力传感器中。有时测量某一种内力而舍去另一种内力就需要采用内力分离的方法。1弯矩的测量在弯扭组合的构件上，只想测量构件所受弯矩的大小，可利用应变片接桥方法的改变就可实现。利用图18的应变片布置，选用A点沿轴线方向的应变片接入电桥的测量桥臂，选用B点沿轴线方向的应变片接入电桥的温度补偿臂，这样组成仪器测量的外部半桥如图18。图18 测量弯矩的接桥方法此接桥方式，A片受弯曲拉应力，B片无弯曲应力作用，而测量结果与扭转内力无关。图19 测量扭转力矩的接桥方法这种接法可以满足温度补偿的要求，这样就可计算出弯矩的大小，然后将实测结果与理论计算相比较。2扭转力矩的测量在弯扭组合的构件上，只想测量构件所受的扭转力矩，也可利用应变片的接桥方式来实现。以图19中B点的应变片为例，将B点沿轴线呈45的两个应变片接入相邻的两个桥臂如图19。由于B点处于