材料力学实验资料1

1、实验一拉伸实验拉伸试验、是研究材料力学性能的最基本试验，方法简单，数据可靠。工矿企业，研究所一般都用此类方法对材料进行出厂检验或进厂复检，用测得的(T s (T b( (T 0.2) 3和屮等指标来评定材质和进行强度、刚度计算。因此，对材料进行轴向拉伸试验和压缩试验具有工程实际意义。不同材料在拉伸过程中表现出不同的力学性能和现象。低碳钢和铸铁分别是典型的塑性材料和脆性材料。低碳钢材料具有良好的塑性，在拉伸试验中弹性、屈服、强化、和颈缩四个阶段尤为明显和清楚。一、实验目的1、观察分析低碳钢的拉伸过程和铸铁的拉伸、压缩过程，比较其力学性能。2、 测定低碳钢的 TS Tb 3屮；测定铸铁的拉伸强度极

2、限T bo3、了解材料试验机的结构原理，掌握操作方法。二、实验设备1、电子万能试验机。2、液压式万能试验机。3、游标卡尺。三、拉伸试样试样的制备应按照相关的产品标准或GB/T 2975的要求切取样坯和制备试样。试验表明，所用试样的形状和尺寸，对其性能测试结果有一定影响。为了使金属材料拉伸试验的结果具有可比性与符合性，国家 已制定统一标准。 依据此标准，拉伸试样为比例试样， 试样的横截面形状为圆形。 这两种试样便于机加工， 也便于尺寸的测量和夹具的设计。本试验所用的拉伸试样是经机加工制成的圆形横截面的长比例试样，即L . =10d。如图1所示。图1拉伸试件四、实验原理1. 低碳钢拉伸实验(1 )

3、屈服极限T及强度极限 T的测定试样加载到达屈服阶段时，低碳钢的P曲线呈锯齿形(图2)o与最高载荷对应的应力称为上屈服极限，它受变形速度和试样形状的影响，一般不作为强度指标。同样，载荷首次下降的最低点(初始瞬时 效应)也不作为强度指标。一般把初始瞬时效应之后的最低载荷Ps对应的应力作为屈服极限TS以试样的初始横截面面积 A0除Ps,即得屈服极限。屈服阶段过后，进入强化阶段，试样又恢复了承载能力(图2)o载荷到达最大值 Pb时，试样某一局部的截面明显缩小，出现颈缩”现象。以试样的初始横截面面积Ao除Pb,即得强度极限。图2低碳钢拉伸时的P A1曲线(2) 延伸率3及断面收缩率“的测定试样的标距原长

4、为丨，拉断后将两端试样紧密地对接在一起，量出拉断后的标距长为11，延伸率为试样拉断后，设颈缩处的最小横截面面积为A，由于断口不是规则的圆形，应在两个相互垂直的方向上量取最小截面的直径，以其平均值计算A，然后按下式计算断面收缩率 ：2、铸铁的拉伸实验由于铸铁在拉伸过程中没有屈服阶段，且在很不显著的变形下即断裂，故对铸铁只能测得其强度极限，即五、实验步骤与方法(1) 试件准备和尺寸测量用游标卡尺量取试件的标距 丨和直径d (如图1)，测量三次取平均值(下同)，直径测量取上中下三部 位；将标距等分10份，用笔画线(11条线)以作记号。(2) 开机、准备实验先启动电源，电源指示灯亮后，再启动油泵，预热

5、30分钟。此步骤可以提前到步骤1之前。(3) 调整试验机横梁位置，设置有关参数等。（ 4） 安放试件。（ 5） 按规定选择参数，进行加载试验。（ 6） 试件断裂后，卸去荷载，取下试件。（ 7） 数据处理 量取断裂面的直径和标距，根据仪器自动记录的曲线，填写实验报告。六、 问题讨论（ 1） 钢筋和铸铁在承受拉力作用时，力学性能有何不同？（ 2） 根据低碳钢和铸铁拉伸试件的断口特征，分析其破坏的原因。实验二压缩实验压缩试验是为了测定工程材料在受压时的力学性能。有的材料如混凝土、 岩石、铸铁等，抗拉能力差,但它的抗压能力很好。这些材料，除了抗压强度；_-bc与抗拉强度. b不同之外，还有E值及破坏形

6、式上也存在着压缩与拉伸的差别。因此，压缩试验同样是工程材料力学试验的重要内容之一。、试验目的（1） 测定铸铁压缩时的强度极限Cbc和低碳钢的屈服极限Csc。（2）观察铸铁和低碳钢压缩时的变形和破坏形式，找出它们的不同之处。二、仪器设备与工具（1）电子万能试验机或压力试验机等。（2）游标卡尺等。三、试样制备与安装金属压缩试件有圆柱体、正方形柱体、矩形板、带凸耳板状等几种形状。铸铁和低碳钢的压缩试件一 般做成圆柱体。高度与直径的比丨/d。的大小会影响到试验的结果。试件过于细长则易压弯，过于粗短则受两端摩擦力的影响大。为了确保试件处于单向压缩状态，以及试验结果具有可比性，国家标准金属压缩 试验方法G

7、B7314 87对侧向无约束试件做出了以下有关规定：（1）丨=（12）d。试件仅适应于测定 Cbc。P图1压缩试件安装（2） 丨=（2.53.5）d°试件适应于测定；sc、二be、二pc （规定非比例压缩应力）和Ge （规定总压缩 应力）。（3） 丨=（58）d°试件适应于测定 CTpco.o!和压缩杨氏模量Ec。为了减少摩擦力的影响，试件两端面应尽量光滑，相互平行，且与轴线垂直。 试件安装在试验机上下压座之间，见图1。下承压座是一个球形承垫，如果试件两端面稍有不平行，则球形承垫可以产生调节作用，使压力通过试件的轴线。四、试验原理（1）低碳钢压缩试验低碳钢在压缩时的 P -

8、厶丨曲线见图2。在屈服之前，曲线与拉伸时相同。在屈服之后的曲线，就与拉 伸的不同了。在弹性范围内，加载速率应控制在1 10MPa/s。在明显塑性变形范围内，加载的应变速率应控制在（100500） 10 ”/s之间。材料受压屈服时，变形继续增大，载荷保持不变或出现波动，如图2所示。按图示的方法，读取各种情形下的压缩屈服载荷Psc，然后计算压缩屈服点。(1)前面已指出，与试件轴线成45°C斜截面上的剪应力是使材料发生滑移，即屈服的原因。由材料力学知道，无论试件横截面上的正应力是拉应力还是压应力，只要大小相同，则在45oC斜截面上产生的剪应力的大小都是相同的，因此Csc与6应是相等或相近的

9、。屈服过后，试件变短，横截面积变大,P 一剧曲线继续上升，直至试件被压成饼状。因此低碳钢压缩试验不能测出其强度极限。图2低碳钢压缩曲线（2）铸铁压缩试验PO铸铁压缩时的P-厶丨曲线呈非线性，见图 3,这一 点与铸铁拉伸时的曲线是相同的。所不同的是铸铁压缩到达 强度极限载荷Pbc前出现较大变形，由原来的圆柱体变为腰鼓形或斜圆柱。脆性材料受压试件的破坏是个复杂的外部施力、内部损伤破坏的力学过程。国内外都在研讨、争论这个问题。试件端部的受力状态与试件的破坏形式有密切关系（图4 ）。不加任何垫片时，铸铁试件沿着与轴线成45°55°方向破坏，图3铸铁压缩试验曲线破坏时斜面上的剪应力与

10、同样的材料在剪切试验中所测得的剪切破坏极限巾相当接近。试件两端面加抗压强度按下式计算（b）两端R图4垫薄片（三合板）时，其受压破坏形式如图4（ b）所示。五、试验步骤（1）测量试件尺寸。用游标卡尺测量压缩试件上、中、下3处截面的平均值径，取它们中的最小值计算截面面积&，同时测量试件的高度丨。（2）调整试验机横梁位置，设置有关参数等。（3）安放试件。（4）按规定选择加载速度，然后加载试验。（5） 对低碳钢试件，注意观察，记下屈服载荷Psc，或在计算机屏幕上读取 Psc值；对铸铁试件，加载至破坏为止，记下最大载荷Pbc。六、讨论问题压缩试验问题讨论：（1）比较低碳钢、铸铁的拉伸、压缩力学性

11、能和断口形状，分析破坏原因。剪切试验问题讨论：（1）比较低碳钢Q235号钢；rb和,b之间的比值。（2）观察低碳钢试件剪切断口，分析破坏原因。比较低碳钢拉伸破坏断口与剪切破坏断口。实验三剪切试验工程中使用的构件或零部件，除了受到拉伸和压缩的应力匚作用之外，还受到剪切应力 .的作用。特别是那些由铆钉、销钉、螺栓联接的构件，见图1,其中联接螺栓等受到剪力的作用，它们的抗剪强度如何关系到构件的安全。因此，工程设计时不仅要考虑材料的抗拉强度和抗压强度，还要考虑材料的抗剪强 度.b。剪切试验就是为了测定材料的.b而进行的一种试验。1铆钉；2 螺栓；3销钉图1承受剪切的铆钉、销钉、螺栓试验目的(1) 测定

12、低碳钢的抗剪强度。(2) 观察破坏断口，分析破坏原因。仪器设备与工具(1) 电子万能试验机 WD - 200B或其他万能试验机、压力试验机。(2) 剪切试验座及压头。(3) 游标卡尺等。试验原理剪切试验有多种做法，图 2图5为其中常用的4种剪切试验原理图。四、1 胶接材料；2 金属板图2胶接材料拉伸剪切试验原理图4金属剪切试验原理本次试验采用图4的装置，受试材料为低碳钢。 试验步骤(1)测量试件受剪处直径，取平均值，计算(2 )安装试件，把试件插入剪切块孔里，调节左右对称。(3) 调整试验机横梁位置，选择适当量程。(4 )加载试验，记下剪断时的最大荷载Pb。五、结果分析根据试验所测得的Pb及试

13、件受剪处的平均直径 d0,计算,b。六、讨论问题(5) 比较低碳钢 Q235号钢二b和 b之间的比值。(6) 观察低碳钢试件剪切断口，分析破坏原因。比较低碳钢拉伸破坏断口与剪切破坏断口。实验目的实验三扭转实验（1 ）测定低碳钢扭转时的强度性能指标：扭转屈服应力.S和抗扭强度.b。（2）测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：抗扭强度，b。（3）绘制低碳钢和灰铸铁的扭转图，比较低碳钢和灰铸铁的扭转破坏形式。实验设备和仪器（1）扭转试验机（2）游标卡尺实验试样按冶金部标准采用圆形截面试件，两端成六角形。如图1所示。I图1扭转试件图圆形截面试样的直径I亠20mm。若采用其它直d =10mm，标距I =5d或

14、I =10d，平行部分的长度为径的试样，其平行部分的长度应为标距加上两倍直径。试样头部的形状和尺寸应适合扭转试验机的夹头夹 持。由于扭转试验时，试样表面的切应力最大，试样表面的缺陷将敏感地影响试验结果，所以，对扭转试样的表面粗糙度的要求要比拉伸试样的高。对扭转试样的加工技术要求参见国家标准GB10128 88。四、实验原理与方法（1）测定低碳钢扭转时的强度性能指标试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。随着外力偶矩的增加，测矩盘上的指Mes，低碳钢的扭转屈服应力为(1)针会出现停顿，这时指针所指示的外力偶矩的数值即为屈服力偶矩3 Mess_4 Wp式中：Wp=$d3/16为试样

15、在标距内的抗扭截面系数。在测出屈服扭矩Ts后，改用电动加载，直到试样被扭断为止。测矩盘上的从动指针所指示的外力偶矩数值即为最大力偶矩Meb，低碳钢的抗扭强度为3 M eb竺（2）4 Wp对上述两公式的来源说明如下：低碳钢试样在扭转变形过程中，利用扭转试验机上的自动绘图装置绘出的Me 图如图3所示。当达到图中A点时，Me与成正比的关系开始破坏，这时，试样表面处的切应力达到了材料的扭转屈服应力s，如能测得此时相应的外力偶矩Mep，如图3a所示，则扭转屈服应力为Meps犬（3）s Wp，丿经过A点后，横截面上出现了一个环状的塑性区，如图3b所示。若材料的塑性很好，且当塑性区扩3c展到接近中心时，横截

16、面周边上各点的切应力仍未超过扭转屈服应力，此时的切应力分布可简化成图 所示的情况，对应的扭矩 Ts为图2低碳钢的扭转图(a)(b)( c)图3低碳钢圆柱形试样扭转时横截面上的切应力分布(a) T 二Tp ；( b)Tp : T Js ；( C)T 二Ts由于Ts二Mes，因此，由上式可以得到3 Me：4 wp无论从测矩盘上指针前进的情况， 还是从自动绘图装置所绘出的曲线来看， A点的位置不易精确判定, 而B点的位置则较为明显。因此，一般均根据由 B点测定的Mes来求扭转切应力,s。当然这种计算方法也 有缺陷，只有当实际的应力分布与图 2c完全相符合时才是正确的，对塑性较小的材料差异是比较大的。直线。因此，可认为横截面上的切应力分布如图从图1可以看出，当外力偶矩超过 Mes后，扭转角增加很快，而外力偶矩 Me增加很小，BC近似于一条1-7c所示，只是切应力值比，s大。根据测定的试样在断裂 时的外力偶矩 Meb，可求得抗扭强度为(5)(6)3 Meb 4 Wp(2)测定灰铸铁扭转时的强度性能指标对于灰铸铁试样，只需测出其承受的最大外力偶矩Meb (方法同2),抗扭强度为MebbWp由上述扭转破坏的试样可以看出：低碳钢试样的断口与轴线垂直，表明破坏是由切应力引起的；而灰 铸铁试