工程力学实验指导书

1、实验一金属材料的拉伸实验 、试验目的 1 .测定低碳钢（Q235钢）的强度性能指标：上屈服强度 有无影响？为什么？ 2. 观察铝材的弹性模量电测法。 实验三金属材料的压缩实验 一、实验目的 1测定低碳钢（Q235钢）的压缩屈服点；二。和铸铁的抗压强度 二bc。 2.观察、分析、比较两种材料在压缩过程中的各种现象。 二、设备和仪器 1. WES-600S型电液式万能试验机。 2. Q235钢和HT200铸铁试样，游标卡尺，钢直尺，划线笔。 三、试样 采用15 25 （名义尺寸）的圆柱形试样。 四、实验原理 低碳钢（Q235钢）试样压缩图如图 3-1b所示。试样开始变形时，服从胡克定律，呈 直线上

2、升，此后变形增长很快，材料屈服。此时载荷暂时保持恒定或稍有减小，这暂时的恒 定值或减小的最小值即为压缩屈服载荷Fsc。有时屈服阶段出现多个波峰波谷，则取第一个 波谷之后的最低载荷为压缩屈服载荷Fsc。尔后图形呈曲线上升，随着塑性变形的增长，试 样横截面相应增大，增大了的截面又能承受更大的载荷。试样愈压愈扁，甚至可以压成薄饼 形状（如图3-1a所示）而不破裂，因此测不出抗压强度。 铸铁试样压缩图如图 3-2a所示。载荷达最大值Fbc后稍有下降，然后破裂，能听到沉闷 的破裂声。 铸铁试样破裂后呈鼓形，破裂面与轴线大约成45，这主要是由切应力造成的。 (a)(b)(讯)(b) 图3-1低碳钢试样压缩

3、图 图3-2铸铁试样压缩图 五、实验步骤 1 测量试样尺寸 用游标卡尺在试样高度重点处两个相互垂直的方向上测量直径，取其平均值，记录数据。 2开机 打开试验机及计算机系统电源。 3实验参数设置 按实验要术，通过试验机操作软件设量试样尺寸等实验参数。 4.测试 通过试验机操作软件控制横梁移动对试样进行加载，开始实验。实验过程中注意曲线及 数字显示窗口的变化。实验结束后，应及时记求并保存实验数据。 5 实验数据分析及输出 根据实验要求，对实验数据进行分析，通过打印机输出实验结果及曲线。 6 断后试样观察及测量 取下试样，注意观察试样的断口。根据实验要求测量试样的延伸率及断面收缩率 7关机 关闭试验

4、机和计算机系统电源。清理实验现场将相关仪器还原。 六、实验结果处理 1. 参考表3-1记录实验原始数据。 表3-1实验原始数据记录参考表 材料 直径do(mm) 横截面面积 2 Ao(mm ) 屈服载荷 Fsc(KN) 最大载何 Fbc(KN) 1 2 平均 低碳钢 2. 实验数据处理 据低碳钢（Q235钢）压缩实验所得到的屈服载荷Fsc计算低碳钢的压缩屈服点匚sc: sc Fsc Ao (3-1) 据铸铁压缩实验所得到的最大载荷Fbc计算铸铁的抗压强度c bc: bc Ao (3-2) 七、实验报告要求 包括实验目的，设备名称、型号，实验原始数据记录（列表表示）与实验数据处理， 试样破坏形状

5、示意图，分析讨论。 八、思考题 1低碳钢试样压缩后为什么成鼓形？铸铁试样压缩是发生什么破坏？其原因是什么？ 2低碳钢拉伸时可测得试样所能承受的最大载荷Fb，压缩时测不到最大载荷，为什么 说它是拉压等强度材料？铸铁是拉压等强度材料吗？ 实验四 金属材料的扭转实验（电子扭转试验台） 、实验目的 1. 测定低碳钢的屈服点-s或上屈服点-su、下屈服点SL和抗扭强度-b。 2 .测定铸铁抗扭强度.b。 3. 观察并分析不同材料在扭转时的变形和破坏现象。 二、设备和仪器 1. NDW-500微机控制电子式扭转试验台。 图4-1扭转试样 2. 游标卡尺。 三、试样 米用直径10mm、标距100毫米 的圆形

6、试样，端部铳成相对两平面以 便夹持，如图4-1所示。 四、实验原理 1.屈服点-s、上屈服点-su和下屈服点 XL （低碳钢） 拉伸时有明显屈服现象的金属材料（如低碳钢）在扭转时同样有屈服现象。通常T-曲 扭矩保持恒定而扭转角仍持续增加 线有两种类型，见图 4-2。 （曲线出现平台）时的扭矩称为屈服扭矩， 记作T（图 (b) 图4-2有明显屈服现象的T-曲线 在屈服阶段，扭矩首次下降前的最大扭矩称为上屈服扭矩，记作 计算所得的切应力称为上屈服点，记作.su，即 su占 Wp 屈服阶段中的最小扭矩称为下屈服扭矩（不加说明时即指下屈服扭矩） (4-1) Tsu，按弹性扭转公式 (4-2) ，记作G

7、 （图 3-2b），按弹性扭转公式计算所得的切应力称为下屈服点，记作TsL，即 sL TsL WP (4-3) 2.抗扭强度-b （低碳钢） 试样在断裂前所承受的最大扭矩兀按弹性扭转公式计算得抗扭强度 T -：曲线上读取试样断裂前的最大扭矩 （图4-3），按下式计算抗扭强度： b。从自动记录的 （a）低碳钢试样断口形貌 (4-4) 在试验过程中，试样直径不变，由于低碳钢 （b）铸铁试样断口形貌 图4-3试样断口 抗剪切能力小于其抗拉能力，而横截面上切应力 具有最大值，故断口为平断口（图4-2a）。 s,即 4-2a）,按弹性扭转公式计算所得的切应力称为屈服点，记作 说明：在扭转弹性阶段，试样圆

8、截面上的应力沿半径线性分布。对试样缓慢加载，试样 横截面边缘处材料首先进入屈服，而整个截面的绝大部分区域内仍处于弹性状态（图4-4a ）。 此后，由于材料屈服而形成的塑性区不断向中心扩展，横截面上出现了一个环状的塑性区 （图 4-4b）。当横截面上的应力均达到屈服点后，材料全部进入塑性（图4-4c）。 (a) 图4-4低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布 (a) T =Ts ； (b) T s ： T ： T ； (c) T = T 试验机测量出的屈服扭矩实际上是横截面上相当部分区域屈服时的扭矩值，所测的得 的破坏扭矩值也是这样。因此按前述公式计算得到的剪切屈服点和抗扭强度均比实际增大。

9、 若按全面屈服考虑（图 4-4C），对应的扭矩为： d2 d 2 2 Tu0 dms.o d 二 d 12 4 WP s 3 P s 考虑到材料刚开始进入屈服时的外扭矩值很难精确判定, 因此，一般均根据全面屈服时 测定的外扭矩值来计算扭转切应力，s，即: 3Tu 4Wp (4-5) 上式是在理想弹塑性情况下导出的, 因此对于有较长屈服阶段, 或强化现象不明显的塑 性材料比较吻合。对于塑性较差的材料则有较大误差。 (4-6) 由实验测得试样在断裂时的扭力偶矩Tb ,按下式计算抗扭强度: 4WP 上式是Nadai扭转塑性理论公式中略去了一项后得到的，而略去的这一项不一定是高阶 小量，因此公式是近似

10、的。 3.抗扭强度b （铸铁） 铸铁的扭转曲线T 一：，有明显的非线性偏离，变形很小就突然破裂。由于在与杆轴线成 _45度角的面上, 分别受到主应力 G =.和二3一 一 的作用， 而铸铁的抗拉能力较抗剪切能 力弱，故沿与轴线成 45度方向被拉断，断裂面呈螺旋面(见图4-3b)。 据断裂前的最大扭矩 Tb，按弹性扭转公式计算抗扭强度.b : (4-7) 五、实验步骤 1. 测量试样尺寸 在试样的标距两端及其中间处两个相互垂直的方向上各测一次直径， 计算三处测量直径 的平均值，取三处直径平均值中的最小值计算试样的抗扭截面系数 WP，以三处直径平均值 的均值计算试样的极惯性矩 Ip。记录表4-1。

11、 表4-1试样原始尺寸记录及处理列表 材料 直径do (mm) 抗扭截 面模量 WP (mm3) 极惯性矩 I p (mm4) I II III 1 2 平均 1 2 平均 1 2 平均 低碳钢 铸铁 2. 试验机准备 打开试验机电源，启动计算机及测试软件， 设定相关参数。加载速度按实验标准选择 (屈 服前应在6/minL30；/min范围内，屈服后不大于 360 / min。 3. 安装试样 注意试样的对中和夹紧，移动固定夹具。 4. 测试 点击运行按钮，按预先设定的测试程序对试件进行加载，直至试件断裂。保存实验数据， 同时输出试验数据。 在测屈服点及抗扭强度时， 应注意观察试样变形及破坏情

12、况。取下试样，观察并分析断 口形貌和形成原因。 5. 关闭试验机和计算机系统电源。清理实验现场将相关仪器还原。 六、实验结果处理 1. 试样原始尺寸记录及处理参考表4-1进行。 2. 按公式（4-5 ）和（4-6 ）分别计算低碳钢的剪切屈服极限.s和剪切强度极限,b。 3. 按公式（4-7 ）计算铸铁的抗扭强度 .b。 七、实验报告 1. 实验目的、实验原理、原始数据（包括原始测量数据和测试曲线）。 2. 在实验曲线中标示出屈服扭矩Ts及最大扭矩Tb （测屈服点及抗扭强度）。 3. 试件断口形貌描述和破坏断口形貌分析（测屈服点及抗扭强度）。 4. 实验数据处理及分析。 八、思考题 1 根据低碳

13、钢和铸铁试样扭转破坏的情况分析破坏原因。 2 .铸铁扭转破坏断裂面为何是45度螺旋面而不是45度平面？ 实验四 金属材料的扭转实验（手动扭力试验机） 、实验目的 1 .测定低碳钢的剪切屈服极限 .s及剪切强度极限 b。 2 测定铸铁的剪切强度极限 ，b。 3 观察并比较低碳钢及铸铁试件扭转破坏的情况。 、设备和仪器 1. 扭力试验机 2. 游标卡尺 扭力试验机是一种可对试样施加扭矩并能指示出扭矩大小的机器。 图4-1 K-50型扭力试验机外形图 试验机采用机械传动加载，用摆式机构测示扭矩。它的量程随所用摆锤的不同重量而分 三种：100N -m( 10Kg -m) 200N -m( 20Kg -

14、 m)500N - m( 50Kg - m);相应的精度分别为 0.5N - m (0.05Kg - m)、1.0N - p (O.IOKg - m)、2.0N - m (0. 20Kg m)。它适用于直径为 10 25mm长度为100700mm的试件。 其传动系统如图4-2所示。其操作步骤如下: 图4-2 K-50 型扭力试验传动系统图 (1 )检查试验机夹头1、2的形式与试件是否配合；测角度盘15置“ 0”；检查自动绘图 器工作是否正常。 (2) 估计试件所需的最大扭矩，选择适宜的测力度盘12并配置相应的摆锤13。 (3) 当摆杆保持铅直时，测力指针12应对准“零”点。否则，松开度盘上的螺

15、母，转 动度盘使指针对准“零”点。再拧紧螺母。 (4) 安装试件一一先将试件的一端放在固定夹头2中，摇动调距手柄 3,使活动夹头1 连同与它在一起的齿轮箱 17沿传动主轴8和水平导轴4移动，使试件另一端插入活动夹头 中后，再予以夹紧。 (5) 加载一一有手摇加载与电动加载之分。 手摇加载：将变速杆 5放在“空转”位置，摇动手摇柄6,带动变速箱中的轴II ,使传 动主轴8、活动夹头I旋转。通过试件使固定夹头 2也跟着旋转。这样，与固定夹头连在一 起的摆杆11和摆锤13也就跟着摆起来了， 以平衡活动夹头加在试件上的力偶，于是试件便 发生扭转变形，随受扭矩作用。因此，摆锤力矩就等于试件所承受的扭矩。

16、摆锤在摆起时推 动与测力度盘相联的齿杆，使齿轮和指针转动，于是指针便在测力度盘12上指出试件所受 扭矩的大小。 (6) 测扭转角 传动主轴8除带动活动夹头转动外，在它的一端还装有一个测角度盘 15,用它指示试件转动端的绝对扭转角。测角度盘上的测角指标 16与试件被动端联动, 因此指标杆在度盘上所指数值便是试件两端的相对扭转角。度盘最小刻度为1,因此只适用 于测量大变形。测角度盘上还附有一个计数装置，可以指出试件扭转的总圈数。 （7）自动绘图一一如果需要记录试验过程中扭矩和扭转角的关系曲线，应在加载荷前 调好自动绘图器的传动装置、图纸、 笔尖和墨水。笔尖由推动测力指针的齿杆带动，而图纸 滚动则与

17、传动主轴 8联动。这样，随着试验过程的进行， 笔尖便在图纸上自动地绘出 Mn 曲线。曲线上各点的纵坐标为扭矩，横坐标为试件转动端的绝对扭转角。 （8）注意事项 机器运转时，操作者不得离开。所见异声或发生故障，应立即停车。 在实验时，不得触动摆锤，以免影响测读扭矩精度。 采用电动加载时，手摇柄必须先取掉，以免其飞出造成事故。 三、试样 采用直径10mm、标距100毫米的圆形试样，端部铳成相对两平面以便夹持，如图4-3 所示。 图4-3扭转试样 四、实验原理 将试件装在扭力试验机上，开动机器，给试件加扭矩。利用机器上的自动绘图装置，可 以得到M 曲线。这M 曲线也叫扭转图。 图中起始直线段0A表明

18、试件在这阶 段中的M与成比例， 截面上的剪应力 呈线性分布，如图 4-5 （ a）。在A点处， M与的比例关系开始破坏，此时截面周 低碳钢试件的 M 曲线，如图4-4所示。 图4-4低碳钢试件扭转图 边上的剪应力达到了材料的剪切屈服极限 飞，相应的扭矩记为 M。由于这时截面内部的剪 应力尚小于 飞，故试件仍具有承载能力, M 曲线呈继续上升的趋势。 扭矩超过Mp后，截面上的剪应力分布发生变化，如图4-5（ b）。在截面上出现了一个 环状塑性区，并随着 M的增长，塑性区逐步向中心扩展，M曲线稍微上升，直到 B点趋 于平坦，截面上各材料完全达到屈服，扭矩度盘上的指针几乎不动或摆动，此时测力度盘上

19、指示出的扭矩或指针摆动的最小值即为屈服扭矩M。如图4-5（c）,根据静力平衡条件，可 以求得,s与M的关系为: 将式中dA用环状面积元素2二表示，则有 故剪切屈服极限 3M 4Wn d/224 MWs。d_3sWn (4-1) 式中Wn 二d3 是试件的抗扭截面模量。 16 图4-5 截面上剪应力分布图 继续给试件加载，试件再继续变形，材料进一步强化。当达到M ;：曲线上的C点时, 试件被剪断。由测力度盘上的被动计可读出最大扭矩M，与公式（4-1 ）相似，可得剪切强 度极限 3Mb 4Wn 铸铁的M 曲线如图4一 7所示。从开始受扭, 直到破坏，近似为一直线，按弹性应力公式，其剪切强 度极限：

20、 Mb Wn 试件受扭，材料处于纯剪切应力状态，在 垂直于杆轴和平行于杆轴的各平面上作用着剪 应力，而与杆轴成 450角的螺旋面上。则分别 只作用着= 、二3 - -的正应力，如图 4-7所示。由于低碳钢的抗拉能力高于抗剪 能力，故试件沿横截面剪断，而铸铁的抗拉能 (4-3) 图4-6铸铁的扭转图 图4-7试冲受扭的应力分布图 力低于抗剪能力，故试件从表面上某一最弱处，沿与轴线成450方向拉断成一螺旋面。 五、实验步骤 1用游标卡尺测量试件直径，求出抗扭截面模量Wn。在试件的中央和两端共三处， 每处测一对正交方向， 取平均值作该处直径， 然后取三处直径最小者， 作为试件直径d ,并 据此计算W

21、n。 表4-1试样原始尺寸记录及处理列表 材料 直径do (mm) 抗扭截 面模量 Wp (mm将试件两端装入试验机的夹头内，调整好绘图装置，将指针对准零点，并将测角度 盘调整到零。 用粉笔在试件表面上画一纵向线，以便观察度件的扭转变形情况。 ) 极惯性矩 I p (mm4 对于低碳钢试件，可以先用手动缓慢而均匀地加载，当测力指针前进速度渐渐减慢 以至停留不动或摆动，这时，它表明的值就是Ms (注意：指针停止不动时间很短，因此要 留心观察)，直至试件破坏并立即停车。记下被动指针所指的最大扭矩，注意观察测角度盘 ) I II III 1 2 平均 1 2 平均 1 2 平均 低碳钢 铸铁 的读数

22、。 5 铸铁试件的试验步骤与低碳钢相同，可直接用电动加载，记录试件破坏时的最大扭 矩值。 六、实验结果处理 1. 试样原始尺寸记录及处理参考表4-1进行。 2. 按公式（4-1 ）和（4-2 ）分别计算低碳钢的剪切屈服极限s和剪切强度极限,b。 3. 按公式（4-3 ）计算铸铁的抗扭强度,b。 七、实验报告 1. 实验目的、实验原理、原始数据（包括原始测量数据和测试曲线）。 2. 根据实验测得数据手绘实验曲线，并标示出Q235钢屈服扭矩Ts及最大扭矩Tb （测 屈服点及抗扭强度）和铸铁的最大扭矩。 3试件断口形貌描述和破坏断口形貌分析（测屈服点及抗扭强度）。 4. 实验数据处理及分析。 八、思考题 1 .低碳钢与铸铁试样破坏等情况有何不同？为什么 ？ 2根据拉伸、压缩和扭转三种试验结果，综合分析低碳钢与铸铁的机械性质。 实验五金属材料的冲击实验 、实验目的 测定低碳钢和铸铁的的冲击韧度，观察、比较破坏情况。 、设备和仪器 1. JB