上课用实验指导书及实验报告工程力学VIP

实验一低碳钢和铸铁的拉伸实验一、实验目的（1）测定低碳钢在拉伸过程中的几个力学性能指标屈服极限S、强度极限B、延伸率和断面收缩率。（2）测定铸铁的强度极限B。（3）观察低碳钢拉伸过程中的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象。（4）熟悉所用设备及其操作方法。二、实验设备（1）WE30型液压式万能试验机。（2）游标卡尺。（3）冲子。（4）锤子。三、实验原理及方法（一）低碳钢拉伸实验1试件由于试件的形状和尺寸对实验结果有一定的影响，为便于互相比较，应按统一规定加工成标准试件。按国家有关标准的规定，拉伸试件分为比例试件和非比例试件两种。在试件中部，用来测量试件伸长的长度，称为原始标距（简称标距）。比例试件的标距L0与原始横截面面积A0的关系规定为（11）ALK00式中系数K的取值为565时为短试件，取113时为长试件。对直径为D0的圆截面试件，短试件和长试件的标距L0分别为5D0和10D0。非比例试件的L0和A0不受上述关系限制。本实验采用圆截面的长试件，即L010D0。如图11。2拉伸的整个过程图11图12表示低碳钢拉伸PL（力变形）曲线。整个过程主要包括弹性阶段（OA），屈服阶段（BC），强化阶段（CD），局部变形阶段（DE）。在屈服阶段，由于金属的晶面间产生滑移，所以在抛光的试件表面可观察到与轴线成角的滑45移线。3屈服极限S持续加载使材料达到屈服阶段，进入屈服阶段时，载荷常有上下波动，其中较大的载荷称上屈服点，较小的称下屈服点。一般用第一个波峰的下屈服点表示材料的屈服载荷,它SP所对应的应力即为屈服极限。S（12）0APS4强度极限B屈服阶段过后，材料进入强化阶段，试件又恢复了承载能力。载荷达到最大值时,BP试件某一局部的截面明显缩小，出现“颈缩”现象。这时示力盘的从动针停留在位置，主动针迅速倒退，表明荷载迅速下降，试件即将被拉断。这时从动针所示的载荷即为破坏载荷，所对应的应力叫强度极限。BPB（13）0AP5断后塑性指标延伸率（14）10L式中试件原始标距，为100，试件拉断后标距长度。0L为了测定低碳钢的断面收缩率，试件拉断后，在断口处两端沿互相垂直的方向各测一次直径，取平均值计算断口处横截面面积，再按下式计算面积收缩率1D截面收缩率（15）100A式中A0试件原始横截面面积A1试件拉断后断口处最小面积（二）铸铁拉伸实验灰铸铁试件的形状和尺寸同低碳钢一样。图13表示铸铁的拉伸过程，在经过很小的图12塑性变形后呈脆性断裂。抗拉强度为（16）0APB它远小于低碳钢的强度极限。横截面面积也几乎没有变化。四、实验步骤（1）试验机准备。根据估算的最大载荷，选择合适的示力度盘（量程）和相应的摆锤，并按相应的操作规程进行操作。（2）画标距并测量试件的直径。（3）安装试件，准备开机。（4）加载。加载应保持匀速、缓慢。测出屈服载荷PS后，可稍加实验速率，最后直到将试件拉断，记录最大载荷PB。对铸铁试件，应缓慢匀速加载，直至试件被拉断，记录最大载荷PB。（5）取下试件，将试验机恢复原状。观察试件并测量有关数据。五、预习要求（1）阅读本实验讲义及“试验机介绍”（见附录A）（2）阅读教材中材料力学性能的有关部分。（3）写预习报告（要求实验目的、实验设备、实验原理、实验步骤以及记录表格）。图13实验报告一低碳钢和铸铁的拉伸实验班级姓名学号实验日期一、实验目的二、实验设备三、数据记录和处理低碳钢试件试验前试验后试件尺寸标距L0直径D0截面面积A0标距1L直径D截面面积A试件简图屈服荷载屈服极限SPAPS最大荷载强度极限BB延伸率10L截面收缩率01A评定教师签字批阅日期铸铁试件试验前试验后试件尺寸直径D0截面面积A0试件简图最大荷载强度极限BP0APB拉伸曲线（图上注明，）SB四、思考题由实验现象和结果比较低碳钢和铸铁的力学性能有何不同低碳钢LOP铸铁OLP实验二低碳钢和铸铁的压缩实验一、实验目的（1）比较低碳钢和铸铁压缩变形和破坏现象。（2）测定低碳钢的屈服极限S和铸铁的强度极限B。（3）比较铸铁在拉伸和压缩两种受力形式下的力学性能，分析其破坏原因。（4）熟悉万能实验机的使用方法。二、实验仪器和设备（1）WE30型液压式万能试验机。（2）游标卡尺。三、实验原理及方法压缩实验是研究材料性能常用的实验方法。对铸铁、铸造合金、建筑材料等脆性材料尤为合适。通过压缩实验观察材料的变形过程、破坏形式，并与拉伸实验进行比较，可以分析不同应力状态对材料强度、塑性的影响，从而对材料的机械性能有比较全面的认识。压缩试验在压力试验机上进行。当试件受压时，其上下两端面与试验机支撑之间产生很大的摩擦力，使试件两端的横向变形受到阻碍，故压缩后试件呈鼓形。摩擦力的存在会影响试件的抗压能力甚至破坏形式。为了尽量减少摩擦力的影响，实验时试件两端必须保证平行，并与轴线垂直，使试件受轴向压力。另外。端面加工应有较高的光洁度。1试件根据国家有关标准，低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试件一般制成圆柱形试件。低碳钢压缩试件的高度和直径的比例为32，铸铁压缩试件的高度和直径的比例为21。试件均为圆柱体。2低碳钢压缩实验低碳钢压缩时也会发生屈服，但并不象拉伸那样有明显的屈服阶段。因此，在测定PS时要特别注意观察。在缓慢均匀加载下，测力指针等速转动，当材料发生屈服时，测力指针转动将减慢，甚至倒退。这时对应的载荷即为屈服载荷PS。屈服之后加载到试件产生明显变形即停止加载。这是因为低碳钢受压时变形较大而不破裂，因此愈压愈扁。横截面增大时，其实际应力不随外载荷增加而增加，故不可能得到最大载荷PB,因此也得不到强度铸铁图21极限，所以在实验中是以变形来控制加载的。图22为低碳钢曲线图。B低碳钢的屈服极限S（21）0APS其中，为试件实验前最小直径。20041DA3铸铁压缩实验铸铁试件压缩时，在达到最大载荷PB前出现较明显的变形然后破裂，此时试验机测力指针迅速倒退，从动针读取最大载荷PB值，铸铁试件最后略呈故形，断裂面与试件轴线大约呈450。图23为铸铁曲线图。铸铁的强度极限B（22）0APB其中，为试件实验前最小直径。20041DA四、实验步骤（1）试验机准备。根据估算的最大载荷，选择合适的示力度盘（量程）和相应的摆锤，并图22图23按相应的操作规程进行操作。（2）测量试件的直径。测量试件两端及中部三处的截面直径，取三处中最小一处的平均直径计算横截面面积。（3）将试件放在试验机活动台球形支撑板中心处。（4）开动试验机，使活动台上升，对试件进行缓慢均匀加载。对于低碳钢，要及时记录其屈服载荷，超过屈服载荷后，继续加载，将试件压成鼓形即可停止加载。铸铁试件加压至试件破坏为止，记录最大载荷。（5）取出试件，将试验机恢复原状。观察试件。五、注意事项（1）加载要均匀缓慢，特别是当试件即将开始受力时，要注意控制好速度，否则易发生实验失败甚至损坏机器。（2）铸铁压缩时，不要靠近试件观看，以免试件破坏时有碎屑飞出伤眼。试件破坏后，应及时卸载，以免压碎。六、预习要求（1）阅读本实验讲义及材力有关的内容，阅读试验机介绍。（见附录一）（2）明确本实验的目的、实验设备、实验步骤及注意事项，写预习报告并准备好记录表格。实验报告二低碳钢和铸铁的压缩实验班级姓名学号实验日期一、实验目的二、实验设备三、数据记录和处理材料直径D0（MM）截面积A0（MM2）SP（KN）B（KN）S（MPA）B（MPA）低碳钢铸铁四、思考题（1）通过拉伸与压缩实验，比较低碳钢的屈服极限在拉伸和压缩时的差别（2）通过拉伸与压缩实验，比较铸铁的强度极限在拉伸和压缩时的差别（3）根据铸铁试件的压缩破坏形式分析其破坏原因，并与拉伸作比较评定教师签字批阅日期实验三低碳钢和铸铁的扭转实验一、实验目的（1）观察和比较低碳钢和铸铁的受扭过程及其破坏现象。（2）测定低碳钢的扭转屈服极限和扭转强度极限。SB（3）测定铸铁的扭转强度极限。B二、实验设备（1）NJ100B扭转试验机（2）游标卡尺三、实验原理及方法扭转试件为圆截面，两端部铣成六方形以便夹持。当把扭转试件装在扭力机上进行实验时，机器能自动绘出扭曲图如图31所示。图31（A）为低碳钢曲线图，图T31（B）为铸铁曲线图。T低碳钢在开始的扭转阶段，T和成线性关系，其横截面上的剪应力按线性分布。扭转图直线部分A端所对应的扭矩为TP，这时横截面上扭转剪应力等于比例极限。P扭矩超过后，试件横截面上的剪应力分布发生变化，在靠近边缘处，材料由于屈P服而形成塑性区，同时扭转图变成曲线，此后随着变形的增加，试件的塑性区也不断向内扩展，扭转图到达B点时趋于平坦，此时塑性区占据了几乎全部截面。根据B点的扭矩,可以近似地算出扭转屈服极限STS（31）TSWT43式中，D为圆截面直径。163WT而后，试件继续变形，材料进一步强化，扭转曲线缓慢上升，直到C点时试件沿横截面被扭断。根据C点的扭矩可以近似地算出扭转强度极限B（32）TBBT43铸铁的扭转曲线近似一根直线，如图31（B）所示，所以可以按线弹性应力公式算出扭转强度极限。B（33）TBWT（A）（B）试件受扭，材料处于纯剪切应力状态，横截面和纵截面受剪应力作用，在与杆轴线成角的面上，分别受到主应力45，的作用，低碳钢的13抗剪能力比抗拉能力弱，故从横截面剪断；而铸铁的抗拉能力较抗剪能力弱，故沿与轴线成45方向被拉断，断口呈螺旋面。如图32所示。四、实验步骤（1）测量试件直径。在试件表面沿轴线方向划一条母线，以便观察试件表面的变形情况。（2）选择测力盘并相应调整度盘，调整机器的零点与机器的转速。（3）安装试样，调整自动绘图装置。（4）开动马达，加载，注意观察试样的变形情况，并记下和。低碳钢试样加STB载到以后可改为快速。ST（5）试样扭断后，立即关闭马达，取下断裂的试样（试件），绘制断口破坏草图。五、注意事项（1）要搞清扭转试验机的传动机构和操作机构。（2）在开动马达以前，一定要检查机器各部分是否正常，以便确保安全运转。六、预习要求（1）阅读材料力学书中有关圆轴扭转部分及附录B扭转试验机。图31图32（2）本