秦立平-工程力学实验-教案.doc

实验项目一：铸铁的拉伸与压缩实验一、实验目的 1、测定铸铁的抗拉强度和抗压强度。2、观察铸铁拉伸和压缩时的变形和破坏现象。二、实验设备万能材料实验机、游标卡尺、计算机、画图仪。三、实验原理根据国标GB228-99金属拉伸实验方法中的规定，进行试件的加工和测量。金属材料拉伸实验常用的试件形状同实验项目一低碳钢拉伸试样。按国标GB7314-87金属压缩实验方法的规定，金属的压缩试样多采用圆柱体，试样的长度L一般为直径d0的2.5 3.5倍，如图3所示。试样的两端面加工应尽量光滑，以减少摩擦力对横向变形的影响。图3金属压缩试件图铸铁试件的拉伸图如图4，整个拉伸过程中的变形很小，无屈服、颈缩现象，拉伸图无直线段，曲线很快达到最大拉力，试件突然断裂，断裂载荷为Pb，抗拉强度为: b= （2-1）以铸铁为代表的脆性材料，由于塑性变形很小，所以尽管有端面摩擦，鼓胀效应确不明显。而是当应力达到一定的值后，试样在与轴线大约成450550的方向上发生破裂，其压缩曲线见图5。用使试样破坏的最大压力值Pmax除以原截面面积A0即得铸铁抗压强度： （2-2） 图4 铸铁拉伸-图 图5 铸铁压缩-图四、实验步骤1、用游标卡尺在试样两端及中间处两个相互垂直的方向上测量直径，并取其算术平均值，选用三处测量最小直径来计算横截面面积A0。 2、根据铸铁的抗拉、抗压强度估计值选择实验机的示力盘，按照实验机的要求调整测力指针对“零”。3、 调整好绘图仪。4、 将试样两端涂上润滑剂后，把试样准确地放在实验机的支撑板中心处。5、 调整好实验机夹头间距，按国标GB7314-87规定中的加载速度进行加载。6、 对于铸铁压缩实验，加载到试样破坏时（可听见响声）立即停止实验，以免试样进一步被压碎和实验机发生碰撞事故。7、 按照规定将实验机复原。五、实验记录及结果1、修正拉伸图：应该指出，绘图器所绘制的拉伸图其变形L是整个试件的伸长，并包括试件在夹具中的滑动，试件在开始受力时在夹具中有滑动现象，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，次交点即为原点。2、修正压缩图，类似于拉伸图的修正。3、记录铸铁在实验过程中的现象，比较拉伸和压缩曲线。4、记录并计算铸铁破坏时的强度即抗拉强度和抗压强度。六、实验报告要求1、根据实验报告要求填写实验目的、实验设备。2、根据实验记录计算铸铁的抗拉强度和抗压强度。3、根据拉伸和压缩实验过程中材料的变形及破坏现象，绘制拉伸和压缩曲线图及断口示意图，分析铸铁断口破坏原因。实验项目二：扭转破坏实验一、实验目的 1、测定低碳钢和铸铁的剪切强度，并绘制低碳钢和铸铁的扭转曲线。2、观察断口情况，比较两种材料的机械性能特点。二、实验设备扭转实验机，如图10；游标卡尺。图10 扭转实验机三、实验原理1、试件采用圆形截面试件，如图11所示，在试件表面画上一条纵线，以便观察试件的扭转变形。图11 扭转实验试件示意图2、扭转实验机的工作原理扭转实验机如图5-1。在机体上有一个基本固定的夹头，用两平面和夹紧螺栓固定扭转试样的一端。基座上有一个能水平移动的电动减速装置，其左端是一个可旋转的夹头，以夹持试样的另一端。当电动减速器转动时，带动活动夹头转动，而使试样的一端相对于另一端发生了转动，故试件受扭而产生变形。活动夹头的转动量代表了试样一端相对于另一端的转动，即扭转角。扭转角的大小由活动夹头上的刻度线来指示。同时还通过转动传感器将转角信号输入到微机中，采集数据信息并绘扭转曲线图。3、扭转实验原理试件承受扭矩时，材料处于纯剪切应力状态，是拉伸以外的又一重要应力状态，常用扭转实验来研究不同材料在纯剪切应力状态下的机械性质。低碳钢试件在发生扭转变形时，其T曲线如图12所示，类似低碳钢拉伸实验，可分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和断裂阶段，相应地有三个强度特征值：剪切比例极限、剪切屈服极限和剪切强度极限。对应这三个强度特征值的扭矩依次为Tp、Ts、Tb。图12 低碳钢扭转曲线在比例极限内，T与成线性关系，材料完全处于弹性状态，试件横截面上的剪应力沿半径线性分布。在T出现屈服平台，可读出屈服扭矩Ts，低碳钢扭转的剪切屈服极限值可由下式求出： （5-1） 屈服阶段过后，进入强化阶段，材料的强化使扭矩又有缓慢的上升，但变形非常明显，试件的纵向画线变成螺旋线，直至扭矩到达极限扭矩值Mb进入断裂阶段，试件被剪断，由示力度盘的从动针可读出，则低碳钢扭转的剪切强度极限可同下式求出： （5-2）四、实验步骤1、试件准备测量试件等截面范围两端及中间共三处截面的直径。为保证精确度，每一截面均取互相垂直的两个方向各测量一次，并计算平均值，以三截面中最小处的平均值来计算初始横截面面积A0。2、实验机准备1）根据试件的剪切强度极限估算极限扭矩Tb，并选择合适的量程，最好使Tb大约为量程的80%，对于直径为10的低碳钢和铸铁试件，取0200Nm。2）选定转速范围，并把调速变档开关扳到所需的速度档。3、安装试件：1）将试样的一端安装于活动夹头中，并夹紧。2）慢慢移动减速器，使试样的未夹持端移动至固定夹头的近旁。开电机转动试样，使试样端部截面形状转动到与固定夹头处的形状正对上时就停机。推动减速器，使试样插入固定夹头之中，并夹紧。4、进行实验：启动电机（正转或反转），并打开控制软件，设置好数据信息后就开始实验。钢试件在弹性范围内和铸铁试样的全过程的变形较小，应用较低的速度，钢试样在塑性范围内应用较高一点的速度。用慢速逐渐加载，加载时按下正转按扭，以顺时针方向缓慢转动调速电位器进行无级调速，使之按要求的速度对试件加载，开始加载时就适时采集数据并显示扭转曲线，观察曲线并对照试件，比较两种材料扭转过程中变形特征，直至试件发生扭转破坏。5、取下试件，清理设备。6、整理数据，完成实验报告。五、实验记录及结果1、记录实验前试样基本尺寸。2、观察实验现象，并绘制低碳钢和铸铁扭转破坏曲线。3、记录两种金属材料扭转破坏时的切应力大小，并进行比较分析。六、实验报告要求1、按照实验报告格式认真填写实验目的、实验设备，画出低碳钢和铸铁扭转破坏曲线。2、整理实验数据，得到低碳钢和铸铁扭转破坏时的切应力。3、分析比较两种金属材料扭转破坏实验现象。实验项目三：纯弯梁的弯曲实验一、实验目的 1、用电测法测量受纯弯曲梁的正应力的分布，验证弯曲应力的理论计算公式的正确性。2、学习电阻应变仪使用操作方法。二、实验设备全数字式智能静态电阻应变仪、游标卡尺、钢卷尺；实验装置及试样尺寸及弯矩见图8及图9。图8 简支梁弯曲实验装置示意图 图9 纯弯曲梁尺寸及弯矩三、实验原理理论上已知梁承受纯弯曲时的正应力公式为： （4-1）式中：L为正应力，M 为作用在横截面上的弯矩，I 为梁横截面对中性轴的惯性矩，y 为由中性轴到欲求应力点的距离。实验应力根据虎克定律：C=E式中：C 为实验所测正应力，E 为试样材料的弹性模量，为实验所测得的应变。本实验采用低碳钢的矩形截面梁，弹性模量E=200GPa，为了实现梁的纯弯曲，采用图4-1所示装置（四点弯曲实验法）。四、实验步骤1、把拉压力传感器的输出引线接到应变仪上的对应的接线柱上。2、把已粘贴在纯弯曲矩形截面梁的电阻应变计的输出引线接到应变仪的接线柱上，根据半桥接法：工作片接到应变仪上的A、B两接线柱上，补偿片接到B、C接线柱上。3、测量好梁的截面尺寸及有关数据，按要求将梁定位。4、将应变仪进行调试，首先将应变仪的灵敏系数调整与应变计的灵敏系数一致（调试方法见应变仪的使用说明书），然后将应变仪上的两个窗口显示的数字调零。以上工作自认为完好后，请指导教师检查同意后，开始进行实验。5、每次只能进行一个点的测试，当一个点测试完毕后，拆除第一个点的引线，同时安装好另一个点的引线，按同样的步骤进行下一个点的测试，直到实验结束。6、所有点测试完毕后，将所测试的实验数据交实验指导教师检查，经教师允许方可清理现场，结束实验。7、注意事项1）实验中注意工作片及补偿片的安装条件（材料及环境温度）。2）应变计的引线应牢固地安装在应变仪的接线柱上，测试过程不得晃动引线，否则将影响测试数据的正确性。五、实验记录及结果1、记录分级加载荷载下横向应变和纵向应变，并计算平均值，根据测得的试件尺寸计算横截面积，以及提供的材料弹性模量应用胡克定律计算纯弯梁最上边一点和最下边一点处正应力大小。2、根据梁承受纯弯曲时的正应力公式（