云南农业大学工程力学-材料力学试验

1、材料力学实验指导书黄剑峰编云南农业大学工科专业基础实验教学中心2007年7月、八前材料力学实验是材料力学课程教学中的一个重要环节。通过这一环节，不仅丰 富了同学的书本知识，使同学们学到测定材料力学性能的基本知识和技能，初步掌 握验证材料力学理论的方法，而且对培养同学的实践技能和科学习惯十分重要。材料力学实验的主要目的在于：1测定代表各种材料力学性能的力学参数，如屈服极限、强度极限、弹性模 量等。2验证材料力学的一些理论公式和结论，如梁受纯弯曲时截面上的正应力分 布规律，各种受力情况下的变形规律等。3对不便于或无法用理论公式进行计算和分析的受力情况，如形状和受力均 较复杂的构件，可用实验应力分析

2、的方法解决。4通过实验掌握材料力学实验的基本方法和测试技术。材料力学实验是工程技术人员和各类工科专业的学生所必须掌握的基本技能， 在进行实验时同学们应注意以下几点：1注意了解实验条件和观察实验中的各种现象，因为各种现象和实验条件都 与材料的性能和实验结果有着密切的关系。2 尽可能将观察到的实验现象与学过的理论知识相结合，用理论解释实验现 象，以实验结果验证理论。这样才能对材料力学中的公式、理论理解得更深刻、更 巩固。3了解机器及仪表的使用方法和工作原理，以便正确地操作和使用。4. 在填写实验报告及回答思考题时， 要真正通过自己的思考，以求得对问题的 深入理解。5. 根据教学安排，实验前先复习教

3、材并预习实验指导书中有关内容，使实验有 较大收获。 1金属材料的拉伸实验1 2金属材料的压缩实验5 3金属材料的扭转实验8 4附录一 电子万能试验机 12 5附录二 液压式万能材料试验机 14附：实验报告单第15页共5页 1金属材料的拉伸实验、实验目的1 观察与分析低碳钢、灰铸铁在拉伸过程中的力学现象并绘制拉伸图 2测定低碳钢的 门、匚b、和灰铸铁的6。3比较低碳钢与灰铸铁的机械性能。、实验仪器和设备1. CMT系列电子万能试验机;2 游标卡尺三、试件实验表明，试件的尺寸和形状对试验结果有影响，为了使各种材料的试验 结果具有通用性、可比性，必须将试件尺寸、形状和试验方法统一规定，使试 验标准化

4、。本实验所用的试件参照国家标准 力学性能试验取样位置和试样制 备(GB/T 2975-1998)制备；实验方法参照国家标准金属材料室温拉伸试验方法(GB/T 228-2002)进行。试件形状如图1-1:图1-1L 平行长度，L卓o+ do；Lo 试件平行长度部分两条刻线间的距离，称为原始标距; do 平行长度部分之原始直径。圆形比例试件分两种：Lo = 10 do，称为长试件；Lo = 5 do，称为短试件。本实验试件采用 do= 10mm，Lo= 100mm的长试件。四、实验原理（一）低碳钢拉伸实验材料的机械性能指标6、6、和由常温、静载下的轴向拉伸破坏试验 测定。整个试验过程中，力与变形的

5、关系可由拉伸图表示， 被测材料试件的拉 伸图由试验机自动记录显示。低碳钢的拉伸图比较典型，可分为四个阶段 ：1 直线阶段0A 此阶段拉力与变形成正比，所以也称为线弹性变形阶 段，A点对应的载荷为比例极限载荷Fp；2 屈服阶段BC曲线常呈锯齿形，此阶段拉力的变化不大，但变形迅速增加，此段内曲线上的最高点称为上屈服点 B，最低点称为下屈服点B，因 下屈服点B比较稳定，工程上一般以B点对应的力值作为屈服载荷Fs；3.强化阶段CD此阶段拉力增加变形也继续增加， 但它们不再是线性 关系，其最高点D对应的力值为最大载荷Fb；4 颈缩阶段DE过了 D点，试件开始出现局部收缩（颈缩），直至试 件被拉断。图1-

6、2为低碳钢拉伸图。0 L图1-2图1-3-17 -（二）灰铸铁拉伸实验对于灰铸铁，由于拉伸时的塑性变形极小，在变形很小时就达到最大载 荷而突然断裂，没有明显的屈服和颈缩现象，其强度极限即为试件断裂时的名 义应力。图1-3为铸铁拉伸图。实验步骤（一）实验准备1 打开试验机主机电源。2.打开计算机，双击计算机桌面上的PowerTest_D00C图标，试验软件启 动。选择正确的传感器、引伸计进行联机。3 在输入用户参数窗口选择欲做试验方案，输入存盘文件名。4测量并记录试件的尺寸：在刻线长度内的两端和中部测量三个截面的 直径do，取直径最小者为计算直径，并量取标距长度 Lo。输入试件尺寸、试件 标距及

7、相关试验参数。5调节横梁位置并安装夹持试样。6 点击主机小键盘上的试样保护键，消除夹持力。7装夹引伸计，引伸计清零。(二)进行实验1 开始试验：(1) 按下“运行”按钮，试验机开始按试验程序对试件进行拉伸。仔细观察试件和计算机屏幕上的拉伸曲线在拉伸过程中的对应情况，特别注意观察屈服阶段的特点、颈缩阶段的发生和发展，直至试件拉断，取下试件并观察断口。(2) 对灰铸铁试件，则装夹后按下“运行”按钮，试验机开始按试验程序 对试件进行拉伸，仔细观察试件和计算机屏幕上的拉伸曲线在拉伸过程中的对 应情况，直至拉断，取下试件并观察断口。2当变形达到试验方案设置的引伸计切换点时，程序有提示窗口，试验 进入力保

8、持状态，卸引伸计，然后关掉提示窗口，试验继续运行。3试验结束，在试验结果栏中，程序将自动计算出的结果显示在其中。 浏览拉伸曲线，记录屈服载荷Fs ( Fel)和最大载荷Fb ( Fm)。输入断后标距， 断后面积。打印试验报告。(三) 断后延伸率S和截面收缩率书的测定(1) 试件拉断后，将其断裂试件紧密对接在一起，在断口(颈缩)处沿两 个互相垂直方向各测量一次直径，取其平均值为 di，用来计算断口处横截面 面积Ai。(2) 将断裂试件的两段紧密对接在一起，尽量使其轴线位于一直线上，若 断口到邻近标距端点的距离大于Lo/3,则用游标卡尺测量断裂后两端刻线之间 的标距长度即为Lio(3) 若断口到邻

9、近标距端点的距离小于或等于 Lo/3，要求用断口移中法计算Li的长度。则应按下述方法来测量拉断后试件标距部分的长度Li。利用在试验前将试件标距部分等分成iO个小格，即以断口 0 (图i-4a )为 起点，在长段上量取基本等于短段的格数得 B点。当长段所余格数为偶数时， 则由所余格数的一半得C点，将BC段长度移到标距的左端，贝能位后的Li为：LAO OB 2BC如果在长段取B点后所余下的格数为奇数(图i-4b)，则取所余格数加i 之半得Ci点，减i之半得C点，贝U移中(即将BCi或BC移到试件左侧)后的Li 为：L AO OB BC BCiLo （实际的）L1 （移位后的）图 1-4aLo （实

10、际的）L1 （移位后的）-图 1-4b六、实验结果处理1 根据测得的低碳钢拉伸载荷Fs、Fb计算屈服极限6和强度极限二b2根据测得的灰铸铁拉伸最大载荷Fb计算强度极限- boFsAoFbAo.2二 do43 根据拉断前后的试件标距长度和横截面面积，计算出低碳钢的延伸率 S和截面收缩率书；由于灰铸铁拉伸塑性变形量很小，断后延伸率和截面收缩 率一般就不必测定。一寸 1o%=& A1 100%Ao4绘制两种材料的拉抻图（F- L图）5.绘图表示两种材料的断口形状。 2金属材料的压缩实验、实验目的1. 观察与分析低碳钢、灰铸铁在压缩过程中的力学现象并绘制压缩图2. 测定压缩时低碳钢的的 仁，灰铸铁的C

11、b03. 比较低碳钢与灰铸铁的机械性能。、实验仪器和设备1. WA-1000型电液式万能材料试验机;2 游标卡尺。三、压缩试件为了能对各种材料的试验结果作比较，金属材料压缩试样一般采用圆柱形 标准试样（图2-1）01. 试样高度和直径的比例要适宜。试件太高，容易产生纵向不稳定现象； 试件太短，试验机垫板与试件两端面间的摩擦力（图 2-2 ）对试件实际的承载 能力产生影响。为保证试样在试验过程中均匀单向压缩，且端部不在试验结束之前损坏，国标GB/T 7314-2005推荐无约束压缩试样尺寸为：1乞邑岂2do2 .试件置于试验机的球形承垫中心位置处 （图2-3），以防试件两端面稍 不平时，起调节作

12、用，使压力均匀分布，其合力应通过试件轴线。3.试件两端的平面应加工光滑以减小摩擦力的影响，实验时通常还在两 端部加适量的润滑油。球形承垫试件x x x| x 2 x图2-2图2-3四、实验原理1 低碳钢压缩实验低碳钢受压时与受拉时一样有比例极限和屈服极限，但不象拉伸时那样有 明显的屈服现象。因此，测定压缩的屈服载荷 Fs时要特别细心观察。在缓慢匀 速加载下，试验机的测力指针会突然停留、或倒退、 或指针转速突然减慢。如 果指针停留，则以指针所指载荷作为屈服载荷 Fs；如果指针倒退，则以指针所 指最低载荷作为屈服载荷Fs；如果指针转速突然减慢，此时主动指针所指载 荷即作为屈服载荷Fs。过了屈服点，

13、塑性变形迅速增加，试件横截面面积也随之增大。而增大的 面积能承受更大的载荷，因此，压缩曲线迅速上升，见自动绘图仪绘出低碳钢 压缩图（图2-4 ）。图2-4 L低碳钢试件最后可压成饼状而不破坏，所以无法测定最大载荷Fbo2. 灰铸铁压缩实验灰铸铁试件受压缩时，在达到最大载荷Fb前会出现较大的弹性变形才发生 破裂，此时测力指针迅速倒退，由随动指针可读出最大载荷 Fb,自动绘图仪绘 出铸铁压缩图（图2-5 ）o灰铸铁试件最后被压成腰鼓形，表面出现与试件轴线大约成45左右的倾 斜裂纹。实验步骤1. 测量并记录试件高度及横截面直径。2. 根据估计的最大载荷选择合适载荷，试验机清零。3 .将试件两端涂上润

14、滑剂，然后放在试验机活动台支承垫中心处。4. 开动试验机，使移动横梁下移，当移动横梁与低碳钢试件接触受力后， 要控制加载速度，使载荷缓慢均匀增加，注意观察测力窗口与变形的变化情况， 从而判断试件是否已达屈服阶段，及时记录屈服载荷 Fs,超过屈服载荷后，继 续加载，低碳钢试件被压成腰鼓形即可停止。5. 铸铁试件加压至试件破坏为止，记录最大载荷 Fbo六、实验结果处理1根据所测低碳钢的压缩屈服载荷Fs计算压缩屈服极限6FsA2根据所测铸铁的压缩最大载荷Fb计算压缩强度极限小。A0式中:A0 = 3金属材料的扭转实验、实验目的1 观察与分析低碳钢、灰铸铁在扭转过程中的各种力学现象2. 测定低碳钢的.

15、s, .b和灰铸铁的-bo、实验仪器和设备1 .扭转试验机;2.游标卡尺。三、试件试件的形状如图$1所示:图3-1Lo试件平行长度部分两条刻线间的距离，称为原始标距 do 平行长度部分之原始直径。四、实验原理圆轴承受扭转时，材料处于纯剪切应力状态，因此，常用扭转试验来研 究不同材料在纯剪切作用下的扭转机械性能。1 .低碳钢的扭转实验低碳钢扭转时，其 T-曲线如图3-2所示。图中OA段为一倾斜直线, 表示扭矩T与扭转角成正比。对应于0A段，试件横截面上的应力也按线 性分布，如图3-3( a )所示。当扭矩超过 Tp后,试件外缘材料逐渐进入屈服阶段，而形成一环形塑 性区，如图3-3 (b)o根据静

16、力平衡条件，可以求得t s与Ts的关系为：Tsa sdA将式中dA用环状面积元素2 np p表示，则有:22 二.sds12故剪切屈服极限为:3 Ts x4 Wp式中:WP16变形过了 C点，试件由外向内开始强化，扭矩又开始上升。当外缘剪 应力达到剪切强度极限 b时(D点)，试件由外向内破断，载荷下降。此时 试件横截面上的剪应力大致如图3-3( c)所示，此时可近似地认为整个横截面上的剪应力都达到剪切强度极限-b，即：b =NWP但是，为了试验结果相互之间的可比性，根据国标GB 10128-88规定,低碳钢扭转剪切屈服极限(屈服点)和剪切强度极限(抗扭强度)采用下 式计算：Tbwp2.铸铁的扭

17、转实验铸铁扭转时，其T-;曲线近似一直线如图3-4(a)，这时横截面上的剪应力也近似按线性分布，如图3-4(b)所示。图3-4因此，其剪切强度极限b及按下式计算：_叽-bWp、实验步骤1 .低碳钢的扭转实验(1) 测量试件实验段中部直径。用游标卡尺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do(2) 根剧计算机的提示，设定试验方案，试验参数。(3) 将试件装入试验机夹头，用粉笔沿试件表面划一纵向线，以观察试件的变形情况。按“扭矩清零”键及“扭转角清零”键。(4) 按“运行”键，开始试验。用w30。/分钟的主动夹头转速对试件加载，观察计

18、算机上显示的扭转曲线，当首次扭角增加而扭矩不增加(保 持恒定)时扭矩为屈服扭矩 Ts0测出Ts后，将主动夹头调高转速继续对试 件加载，直至试件破断为止，测出最大扭矩Tb和最大扭转角度数。2 .铸铁的扭转实验(1)、(2)、(3)与低碳钢扭转实验相同。(4)用w 30o/分钟的转速对试件加载直至试件破断为止，测出最大扭矩Tb和和最大扭转角度数。六、实验数据处理按上述有关公式分别计算 s和.bo附录一一电子万能试验机电子万能试验机工作时，由主控计算机通过 RS-232标准总线接口对各测 量、控制功能函数进行调用、管理、控制，并利用主机与附件的功能搭配组合， 完成多种功能试验。电子万能试验机系统结构

19、如下图所示。拉博试驰区-无级词速钮|上夹头-横梁上升横梁停止-横梁下降下夹头力件感器洁功横梁上压头下压板主机框架底座谶叽監制及处理系羅 LJV-.迪变式引油仪60功放.Ifeli控制器图1.1电子万能试验机分为主机和测量控制系统二大部分。主机主机是材料力学性能试验机测试的执行机构， 主要由负荷机架、传动系统、 夹持系统和位置保护装置构成。系统工作时，在活动横梁位移控制系统的驱动 下，配合相应的附件，可以使被测试样产生应力、应变，经测量、数据采集、 处理后给出所需数据。在底座的工作台面上，安装有立柱、滚珠丝杠副和压缩弯曲试验台， 立柱 位于活动横梁的两侧，用于支撑上横梁，并为活动横梁起导向作用，

20、防止活动 横梁上、下移动时发生摆动。工作台下部为铸造机器底座，它与横梁具有同等 刚度。由上横梁、活动横梁、工作台、滚珠丝杠副及立柱组成的门式结构的负 荷机架，在实验过程中，力在负荷机架内得到平衡。在上横梁与活动横梁之间，分别安装有拉伸上夹头和下夹头，当控制系统 发出信号使直流伺服电机工作时，通过减速装置带动圆弧齿形带转动， 从而驱 动大带轮，使滚珠丝杠获得稳定的转速，带动活动横梁上、下移动。试验时， 将试件安装在上、下夹头之间，上夹头不动， 当活动横梁向下运动时，试件受 到拉伸。若把试件放在下压板上或放在弯曲试验台上， 当活动横梁向下运行时， 试件与压头接触，而被压缩或弯曲。同时由负荷传感器将

21、载荷大小的信号输出 给负荷测量系统，由位移编码器将活动横梁位移信号输出给位移测量系统。在电子万能试验机主机前面，通常安装有行程保护装置，它是由限位杆、 限位环和限位开关组成。上、下限位环的位置可以根据试验需要预先设定。当活动横梁运行到极限位置碰动限位环时， 限位杠自动滑落，由限位杆触动限位 开关来切断电源，使活动横梁停止运行，从而起到保护机器行程，防止上、下夹具碰撞等恶性事故发生。控制测量系统试验机的控制测量系统主要分为位移、力和变形测量控制系统。位移的测量由装在转动丝杠一端与丝杠同步转动的光电式位移传感器提 取信号的。由于转动丝杠的螺距已经确定，光电编码器发出的脉冲数就与活动 横梁的位移量有

22、着固定的比例关系。当位移发生时光电编码器发出的脉冲信号 由计算机采集后，将信号按比例转换后即可得到位移； 控制时设定好一个速度 或位移目标选择，计算机将指令发送到控制器，控制器控制主机上的直流伺服 电机，使其得到一个固定的电压，就确定了活动横梁运行的速度，再通过设定 活动横梁移动方向来控制电机转动的方向，从而实现位移的控制。力的测量是通过应变式力传感器及测量放大器来实现。由活动横梁下夹头 或上压头作用的力传递给力传感器，力传感器产生的信号经由控制器传输到计 算机后，由计算机按传感器标定数据进行处理得到力值。变形测量则是通过使 用引伸计来实现各种标距的变形测量。 通常在测量前，将引伸计安装在被测

23、试 件上，当试件受力变形时，通过引伸计将变形信号放大，输出到控制器，控制器将信号传输到计算机并显示出来。力和变形的测量控制方式与位移控制方式 类似，控制的设定目标和实时闭环控制检测指标变为相应的力值和变形值，控制执行机构仍是控制器和直流伺服电机。附录二液压式万能材料试验机液压式万能材料试验机广泛应用于材料试验中，其结构原理可分为四大部 分，结构原理图见图2.1 o加力部分在液压式万能试验机的机座上装有两根固定立柱 7,主要由这两根立柱支 承大横梁、小横梁、工作油缸9。当开动电动机16时，传动皮带就带动油泵15 工作，高压油液经油管进油阀14输送到工作油缸9,推动工作活塞10往上运动。 活塞上升

24、时，带动活动立柱8与工作台5往上运行。做拉伸实验时，将拉伸试件 3的两端夹于上夹头4和下夹头2之间（下夹头连接底座固定不动）。当工作台 上升时，使试件发生拉伸变形；做压缩实验时，把压缩试件放在下承压座12的中心位置处，当工作台上升时使上承压座11接触试件后，产生压缩变形；做 弯曲实验时，把弯曲试件放在两支座13上,当工作台上升时使上压头（弯曲压 头）接触试件后，产生弯曲变形。进油阀用来控制输入工作油缸中的油量，以 控制试件的变形速度。实验完毕，关闭进油阀14,打开回油阀20,把工作油缸 里的油液泄回油箱，使工作台回到原始位置。二、测力部分实验时，试件受力大小，可在测力度盘25上直接读出指示值。

25、试件受力后， 工作油缸的油具有一定的压力，压力的大小与试件受力的大小是成正比例的。 由于工作油缸和测力油缸是联通的，故工作油缸和测力油缸所受的油压是相等 的。此油压推动测力活塞18和测力拉杆22,使推杆24和摆锤21绕支点转动，推 杆推动螺杆运动，使齿轮和测力指针26旋转，测力度盘25所读得的数值即表示 试件受力的大小。液压万能材料试验机的荷载范围可由摆锤 21的重量来确定。一般试验机都 备有三种砣重作为选择荷载范围用，测力度盘 25上相应有三种荷载刻度。三、自动绘图部分液压试验机绘图装置是通过固定在万能试验机工作台上的拉绳带动绘图 滚筒转动，滚筒转动方向为变形坐标，螺杆运动方向为力坐标。四、

26、操作部分该部分主要由进油阀、回油阀和电器开关等组成。进油阀的作用是调节油 箱里的油往工作油缸送油量的大小。 进油阀的阀门开得大，表示油送到工作油 缸的速度快、油量多，也就说明试件受力大， 变形快。实验时要严格控制进油阀门的大小，保证荷载盘指针均匀地转动。回油阀的作用是调节工作油缸里的 油流回油箱的流量，即使试件卸载，实验做完后，须打开回油阀门，使工作油 缸的油流回油箱。万能试验机的具体操作方法如下：2 下夹头3试件4上夹头5工作台6标尺9 工作油缸1底座7固定立柱8 活动立柱12下承压座13 弯曲支座14 进油阀10 工作活11上承压座15高压油泵16 电动机17油箱18测力活塞19 测力油缸

27、 20 回油阀21摆锤 22 测力拉杆23平衡铊24推杆25测力度盘26测力指针27油管图2.11、选择荷载范围实验前，首先根据试件材料能承受的最大荷载， 选择相应的砣重量，确定 合适的实验荷载范围（如300kN万能试验机分为：0 60kN, 0 150kN, 0300kN）o若在万能试验机上挂上 A砣，表示0 60kN范围，挂上A B砣表示 0 150kN范围，挂上A B C砣表示0300kN范围。如直径为10m的低碳钢拉 伸试件，估计最大承载为40kN左右，选用0-60kN范围即可，其目的是提高荷 载测试精度。2、荷载调零开动油泵电机，关闭回油阀，再打开进油阀，向工作油缸送油，使工作台 略

28、上升5 10m后（消除工作平台的自重），转动螺杆使指针对准测力度盘上 的零点，拨回被动指针。3、安装调整绘图仪的纸和笔。加载时能自动绘制试件受力与变形的曲线4、安装试件。装夹拉伸试件时，先调整下夹头位置，使拉伸区空间与试件长度相适应。调整下夹头位置时，可开动电动机使下夹头上升或下降。当试 件夹紧后，就不允许再用电动机升降下夹头，以免电动机超负荷而烧毁。5、加载与卸载。试件安装完毕，即可开启进油阀，逐渐对试件进行加载， 加载时要求测力指针匀速平稳地转动。 切忌猛开进油阀导致加载速度失控，损 坏测力机构。实验完毕，关闭电源开关和进油阀， 打开回油阀，使工作油缸的 油流回油箱，工作平台下降至初始位置。6试验中不得擅离试验机，听见异常声音或发现故障应立即关闭电源检 查、排除。云南农业大学材料力学实验学生实验报告实验课程名称：材料力学开课实验室：力学实验室年级、专业、班学号姓名成绩实验项目名称金属材料的拉伸实验指导教师教 师 评 语教师签名：年月日实 验 目 的实 验 设 备试验机名称及型号最大试验力负荷测量精度指示值的土 0.5%量具名称及型号量具分度值试 件 尺 寸实 验 刖材料截面Idoi(mm)截面nd02(m