材料力学指导书

1、 材料力学指导书 齐鲁理工学院 实验须知 1. 实验前必须预习实验指导书中相关的内容， 了解本次实验的目的、 要求及注意 事项。 2. 按预约实验时间准时进入实验室，不得无故迟到、早退、缺席。 3. 进入实验室后，不得高声喧哗和擅自乱动仪器设备，损坏仪器要赔偿。 4. 保持实验室整洁，不准在机器、仪器及桌面上涂写，不准乱丢纸屑，不准随地 吐痰。 5. 实验时应严格遵守操作步骤和注意事项。 实验中，若遇仪器设备发生故障， 应 立即向教师报告，及时检查，排除故障后，方能继续实验。 6. 实验过程中，若未按操作规程操作仪器， 导致仪器损坏者， 将按学校有关规定 进行处理。 7. 实验过程中，同组同学

2、要相互配合，认真测取和记录实验数据。 8. 实验结束后，将仪器、工具清理摆正。不得将实验室的工具、仪器、材料等物 品携带出实验室。 9. 实验完毕，实验数据经教师认可后方能离开实验室。 10. 实验报告要求字迹端正、绘图清晰、表格简明、实验结果正确。 目录 实验一低碳钢和铸铁拉伸实验 0 实验二低碳钢和铸铁压缩实验 7 实验三低碳钢和铸铁扭转实验 9 实验四 纯弯曲梁正应力测定实验 13 实验一低碳钢和铸铁拉伸实验 拉伸实验是测定材料力学性能的最基本最重要的实验之一。由本实验所测得 的结果，可以说明材料在静力拉伸下的一些性能，诸如材料对荷载的抵抗能力的 变化规律、材料的弹性、塑性、强度等重要机

3、械性能，这些性能是工程上合理地 选用材料和进行强度计算的重要依据。 一、实验目的要求 1. 测定低碳钢的屈服极限 S、强度极限b、延伸率、截面收缩率 和铸 铁的强度极限b0 2. 碳钢和铸铁在拉伸过程中表现的现象，绘出外力和变形间的关系曲线 （F L曲线） 3低碳钢和铸铁两种材料的拉伸性能和断口情况。 二、实验设备和仪器 1. 万能材料试验机 2. 游标卡尺 3. 低碳钢、铸铁拉伸试样，|0 5d0,将lo十等分 三、拉伸试件 金属材料拉伸实验常用的试件形状如图所示。图中工作段长度 l称为标距， 试件的拉伸变形量一般由这一段的变形来测定， 两端较粗部分是为了便于装入试 验机的夹头内。 图图1-

4、1拉伸试件 为了使实验测得的结果可以互相比较，试件必须按国家标准做成标准试件, 即 I 5d 或 I 10d 对于一般板的材料拉伸实验，也应按国家标准做成矩形截面试件。 其截面面 积和试件标距关系为I 11.3. A或I 5.65 A，A为标距段内的截面积。 四、实验方法与步骤 1. 低碳钢的拉伸实验： 1）试件的准备：在试件中段取标距I 10d或I 5d在标距两端用脚标规打 上冲眼作为标志，用游标卡尺在试件标距范围内测量中间和两端三处直径 d （在 每处的两个互相垂直的方向各测一次取其平均值）取最小值作为计算试件横截面 面积用。 2）机器的准备：首先了解材料试验机的基本构造原理和操作方法，学

5、习试 验机的操作规程。根据低碳钢的强度极限b及试件的横截面积，初步估计拉伸 试件所需最大荷载，选择合适的测力度盘，并配置相应的摆锤，开动机器，将测 力指针调到“零点”，然后调整试验机下夹头位置，将试件夹装在夹头内。 3）进行实验：试件夹紧后，给试件缓慢均匀加载，用试验机上自动绘图装 置，绘出外力F和变形L的关系曲线（F L曲线）如图所示。从图中可以看 出，当荷载增加到A点时，拉伸图上0A段是直线，表明此阶段内荷载与试件的 变形成比例关系，即符合虎克定律的弹性变形范围。当荷载增加到B点时，测 力计指针停留不动或突然下降到 B点，然后在小的范围内摆动，这时变形增加很 快，荷载增加很慢；这说明材料产

6、生了流动（或者叫屈服）与 B点相应的应力 叫上流动极限，与B相应的应力叫下流动极限，因下流动极限比较稳定，所以材 料的流动极限一般规定按下流动极限取值。以 B点相对应的荷载值Fs除以试件 的原始截面积A即得到低碳钢的流动极限 s， s 空屈服阶段后，试件要承受 A 更大的外力，才能继续发生变形若要使塑性变形加大， 必须增加荷载，如图形中 C点至D点这一段为强化阶段。当荷载达到最大值 Fb（ D点）时，试件的塑性 变形集中在某一截面处的小段内，此段发生截面收缩，即出现“颈缩”现象。此 时记下最大荷载值Fb，用Fb除以试件的原始截面积A，就得到低碳钢的强度极 限b b Fb/A。在试件发生“颈缩”

7、后，由于截面积的减小，荷载迅速下降， 到E点试件断裂。 关闭机器，取下拉断的试件，将断裂的试件紧对到一起，用游标卡尺测量出 断裂后试件标距间的长度ll，按下式可计算出低碳钢的延伸率 ll l 100%。 将断裂的试件的断口紧对在一起，用游标卡尺量出断口 （细颈）处的直径d1, 计算出面积A ；按下式可计算出低碳钢的截面收缩率， 100% 图1-2低碳钢的拉伸图 图1-3铸铁拉伸图 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。 离断 口愈近变形愈大，离断口愈远则变形愈小，因此测得h的数值与断口的部位有关。 为了统一 值的计算，规定以断口在标距长度中央的13区段内为准，来测量I

8、的 值，若断口不在13区段内时，需要采用断口移中的方法进行换算，其方法如下： 设两标点C到C之间共刻有n格，如图1-4所示，拉伸前各格之间距离相等， 在断裂试件较长的右段上从邻近断口的一个刻线 d 起,向右取n/2格，标记为a， 这就相当于把断口摆在标距中央，再看 a点至C1点有多少格，就由a点向左取相 同的格数，标以记号b，令L表示C到b的长度，则L 2L的长度中包含的格 数等于标距长度内的格数n,故h L 2L。 当断口非常接近试件两端，而与其头部之距离等于或小于直径的两倍时，一 般认为实验结果无效，需要重作实验。 lkj 工 d a 11 i cb ac1 断口 图图-4-4试件断口 2

9、. 铸铁的拉伸实验： 1）试件的准备：用游标卡尺在试件标距范围内测量中间和两端三处直径d取 最小值计算试件截面面积，根据铸铁的强度极限b，估计拉伸试件的最大荷载。 2）试验机的准备，与低碳钢拉伸实验相同 进行实验：开动机器，缓慢均匀加载直到断裂为止。记录最大荷载Fb，观 察自动绘图装置上的曲线，如图1-3所示。将最大荷载值Fb除以试件的原始截 面积A，就得到铸铁的强度极限 b b Fb/A。因为铸铁为脆性材料在变形很 小的情况下就会断裂，所以铸铁的延伸率和截面收缩率很小，很难测出。 附表一（试件相关数据） 表1-1试件原尺寸记录 材料 原尺 标距Lo (mm) 直 截面I 1 2 平均 1 低

10、碳钢 铸铁 寸 最小截面 面积Ao （mm2） :径 do (mm) 截面n 截面川 2 平均 1 2 平均 附表二 表1-2实验数据记录 材料 屈服荷载Fs（ k N） 最大荷载Fb（kN） 低碳钢 铸铁 附表三 表1-3试件断后尺寸记录 材料 断后尺寸 标距 L i（ mm） 断裂处直径d i （ mm） 断裂截面面积 Ai （ mm） 低碳钢 附表四 表1-4实验图形记录 *材料 图形 低碳钢 铸铁 F AL 曲线图 F 1 F 0 A L 0 AL 断口形状 五、实验结果 1. 低碳钢： 1) 根据屈服荷载Fs和最大荷载Fb计算屈服极限 Fs os= -=(MPa) A Fb do=

11、- =(Mpa) S及断面收缩率恢 A 2) 根据试验前后的标距长度及横截面积计算延伸率 $ _L x|00%=% Lo A A _工池0%=% Ao 2. 铸铁：根据最大荷载Fb计算强度极限cb (MPa) _F- _ cb= Ao 3. 拉伸弹性模量: E= Plo lAo (GPa) 实验二低碳钢和铸铁压缩实验 在工程实际中，有些构件承受压力，而材料由于荷载形式的不同其表现的机 械性能也不同，因此除了通过拉伸实验了解金属材料的拉伸性能外，有时还要作 压缩实验来了解金属材料的压缩性能，一般对于铸铁、水泥、砖、石头等主要承 受压力的脆性材料才进行压缩实验，而对于塑性金属或合金进行压缩实验是主

12、要 目的是为了材料研究。例如灰铸铁在拉伸和压缩时的强度极限不相同，因此工程 上就利用铸铁压缩强度较高这一特点用来制造机床底座、床身、汽缸、泵体等。 、实验目的和要求 b 0 图2-1试件 1. 测定在压缩时低碳钢的流动极限S ,及灰铸铁的强度极限 2. 观察它们的破坏现象，并比较这两种材料受压时的特性。 、实验准备： 材料试验机、游标卡尺 三、试件 金属材料的压缩试件一般制成圆柱形，如图所示，并制定 1 四、实验方法与步骤 1低碳钢的压缩实验 1）试件准备：用游标卡尺测量试件的直径 d。 2）试验机的准备：首先了解试验机的基本构造原理和操作方法，学习试验 机的操作规程。选择合适的测力刻度盘，配

13、置相应的摆锤，开动机器，将刻度盘 指针调到零点，然后将试件尽量准确地放在机器活动承垫中心上， 使试件承受轴 向压力。 3）进行实验：开动机器，使试件缓慢均匀加载，低碳钢在压缩过程中产生 流动以前基本情况与拉伸时相同，荷载到达 B时，测力盘指针停止不动或倒退， 这说明材料产生了流动，当荷载超过B点后，塑性变形逐渐增加，试件横截面积 逐渐明显地增大，试件最后被压成鼓形而不断裂，故只能测出产生流动时的荷载 Fs，由s Fs/A得出材料受压时的流动极限而得不出受压时的强度极限。 图2-2低碳钢压缩图 图2-3铸铁压缩图 2.铸铁的压缩实验 铸铁压缩与低碳钢的压缩实验方法相同, 但铸铁受压时在很小的变形

14、下即发生破坏， 只 能测出Fb，由b Fb/A得出材料强度极限。 铸铁破坏时的裂缝约与轴线成 45角左右。 附表一（试件相关数据） 材料 试件尺寸 实验前图形 实验后图形 机械性能 低碳钢 do=(mm) ho=(mm) Ao=(mm) Fs=(N) cs=(MPa) 铸铁 do=(mm) ho=(mm) Ao=(mm) Fb=(N)妒 (MPa) 五、注意事项 1. 试件一定要放在压头中心以免偏心影响。 2. 在试件与上压头接触时要特别注意减小油门，使之慢慢接触，以免发生撞 击，损坏机器。 3. 铸铁压缩时，应注意安全，以防试件破坏时跳出打伤。 实验三低碳钢和铸铁扭转实验 、实验目的 1.

15、测定碳钢的切变屈服点（剪切屈服极限）T或下屈服点TT、抗扭强度（剪 切强度极限）T。 2. 测定铸铁的抗扭强度Tb 3. 观察、比较和分析上述两种典型材料受扭转时的变形和破坏等现象。 、实验设备 1. 扭转试验机 2. 游标卡尺 三、试样制备 扭转试验所用试件与拉伸试件的标准相同，一般使用圆形试件，do=1Omm标 距I o=5Omn或100mm平行长度I为70mn或120mm其它直径的试样，其平行长 度为标距长度加上两倍直径。为防止打滑，扭转试样的夹持段宜为类矩形，如图 3-1所示。 - 長V二玆 Abfi t 图3-1扭转试样 四、实验原理 构件承受扭转时，材料处于纯剪应力状态。因此常用扭

16、转试验来研究不同材 料在纯剪作用下的力学性质，这对于工程中的构件的合理设计和选材是十分重要 的。 1. 低碳钢试样的扭转试验全过程，由试验机自动绘图器绘出其扭矩 T和扭 转角？的关系曲线，如图3-2所示。 由该图知，在弹性变形0A直线段，试样横截面上的扭矩与扭转角成正比关 系，其上的剪应力亦呈线性分布，即截面最外缘的剪应力最大，中心的剪应力几 乎为零，如图3-3（a）所示，在这个阶段材料服从切变虎克定律，并可测定切变 模量G。AB段为曲线部分。它表明这阶段扭矩和扭转角不再成正比关系，横截 面上剪应力的分布也不再是线性的，最外缘的剪应力首先达到剪切屈服极限，塑 性区由外向里扩展，而形成环状塑性区

17、和截面中部未屈服的弹性区，如图3-3（b） 所示。随着试样继续扭转变形，塑性区不断向圆心扩展，T-?曲线稍微上升，直 至B点趋于平坦，这时塑性区几乎占据了全部截面，剪应力趋于均匀分布如图 3-3（ c）所示。扭矩度盘上的指针几乎不动，此时与之对应的扭矩为屈服扭矩 Ts如图3-2（a）;另一种情况，屈服阶段为锯齿状曲线。度盘指针首次下降前的 最大扭矩为上屈服扭矩 Tsu,屈服阶段中最小扭矩为下屈服扭矩 Tsl,如图3-2（b） 本次试验测定屈服扭矩或下屈服扭矩。根据测定的屈服扭矩或下屈服扭矩按弹性 扭转公式计算剪应力，即屈服点或下屈服点为：T= Ts/Wt或TL = Tsl/Wt，其中 Wt为抗

18、扭截面模量。 试样再继续变形，材料进一步强化，到达T-?曲线上的C点，试件发生断裂。 由扭矩度盘上的随动指针读出试样扭断前所承受的最大扭矩 Tb，按弹性扭转公 式计算抗扭强度T = Tb/WT。 若要测定真实规定非比例扭转应力 T与真实抗扭强度Tb按刘德维克-卡曼公 式计算。具体方法见 GB10128-88标准中的规定。 0妙 (a) 图3-2低碳钢的T-?曲线图 （a） TnTnTp时的剪应力分布（c） Tn=Ts时的剪应力分布 图3-3 低碳钢圆轴在不同扭矩下剪应力分布图 2铸铁试样扭转试验时，其扭矩 T和扭转角？关系如图3-3所示。从该图 可以看出，试样从开始受扭直至破坏，近似为一斜直线

19、，即无屈服现象，扭转角 很小，破坏是突然发生的，破坏处在与试样轴线约成45。角的螺旋面上。其最大 扭矩为Tb，按弹性扭转公式计算抗扭强度 t = Tb/WT。 上述扭转试验要求在室温10-35 C条件下进行。 3. 样受扭时，材料处于纯剪应力状态如图 3-4所示。在与试样轴线成45角 的螺旋面上分别有主应力 01=工和o2=- T的作用，由于低碳钢的抗扭强度小于抗 拉强度，所以沿其横截面被剪断，断口平齐。而铸铁的抗拉强度小于抗扭强度， 故沿其45方向被拉断，断口成一螺旋面。如图 3-5所示。 图3-4 纯剪应力状态 图3-5 受扭试样断口 五、试验步骤 1. 测量试样直径。在标距两端及其中间处

20、两个相互垂直方向上各测一次直 径，并取其算术平均值，取三处测得直径的算术平均值中的最小值计算试样截面 模量Wt。 2. 估计试样的最终扭矩 Tp，选择合适的扭矩度盘，调整扭矩度盘指针对零 点，装好绘图纸并选择扭转速度：屈服前应在（6。 30 /min范围内，屈服后 不大于360/min，速度的改变应无冲击。 3安装试样，用粉笔在试样表面划一条平行于试样轴线的直线，以便观察受 扭时的变形。 4. 进行试验，观察试样在扭转过程中的各种现象。并记下试样扭转屈服时的 扭矩Ts和破坏时的最大扭矩Tb，直至试样断裂。 5. 取下试样。观察比较断口，分析破坏原因。 6. 将试验机复原，结束试验。 六、试验结

21、果整理 1 根据测定碳钢和铸铁的扭矩，按弹性扭转公式计算切应力，并将试验结 果填入表。 碳钢切变强度指标： t=Ts/W 或 tl=Tsl/Wt T=T b/WT 铸铁切变强度指标： T=T b/WT 附表1 （试件相关数据） 材料 直径do/mm 抗扭截面模量 WT/mm3 屈服扭矩 Ts/kN m 屈服点 T/MPa 最大扭矩 Tb/kN m 抗扭强度 T/MPa 截面1 截面II 截面III 低碳钢 铸铁 对测得的性能数值 t或tl、t修约到1N/mm2。 实验四 纯弯曲梁正应力测定实验 一、实验目的 1. 测定梁在纯弯曲时横截面上正应力大小和分布规律 2. 验证纯弯曲梁的正应力计算公式

22、 二、实验仪器设备和工具 1. 组合实验台中纯弯曲梁实验装置 2. 力&应变综合参数测试仪 3. 游标卡尺、钢板尺 三、实验原理及方法 在纯弯曲条件下，根据平面假设和纵向纤维间无挤压的假设，可得到梁横截 面上任一点的正应力，计算公式为： CT =M / I z 式中M为弯矩，lz为横截面中性轴的惯性矩；y为所求应力点至中性轴的距离。 为了测量梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律，在梁的纯弯曲段沿梁侧 面不同高度，平行于轴线贴有应变片（如图 4-1）。 1-:) 实验可采用半桥单臂、公共补偿、多点测量方法。加载采用增量法，即每增 加等量的荷载 P，测出各点的应变增量 8,然后分别取各点应变增量的平均值 &实i，一次求出各点的应变增量： C 实 i = E 8实 i 将实测应力值与理论应力值进行比较，以验证弯曲正应力公式。 四、实验步骤 1. 设计好本实验所需的各类数据表格。 2. 测量矩形截面梁的宽度b和高度h、荷载作用电到梁支点距离a及各应变 片到中性层的距离yi。见附表1。 3. 拟定加载方案。先选取适当的初荷载 Po （一般取P0 = 10% Pmax左右）， 估算Pmax （该实验荷载范围Pmax 4000N，分46级加载。 4. 根据加载方案，调整好实验加载装置。 5. 按实验要求接好线，调整好仪器，检查整个测试系统是否处于正常工作状 态。 6. 加载。均匀缓慢加载至