材料力学实验指导书

13工程力学试验讲义张耀荔孙卫华拉伸试验是测定材料力学性能的最根本最重要的试验之一。由本试验所测得的结果，可以说明材料在静拉伸下的一些性能，诸如材料对载荷的抵抗力量的变化规律、材料的弹性、塑性、强度等重要机械性能，这些性能是工程上合理地选用材料和进展强度计算的重要依据。一、试验目的要求测定低碳钢的流淌极限S

、强度极限

、延长率、截面收缩率和铸铁的b强度极限。b观看低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〔FL曲线。比较低碳钢和铸铁两种材料的拉伸性能和断口状况。二、试验设备和仪器材料试验机、游标卡尺、两脚标规等三、拉伸试件dl金属材料拉伸试验常用的试件外形如下图。图中工作段长度dl为了使试验测得的结果可以相互比较，试件必需按国家标准做成标准试件，即l5d或l10d。A对于一般板的材料拉伸试验，也应按国家标准做成矩形截面试件。其截面面积AA和试件标距关系为l11.3A四、试验方法与步骤

或l5.65

A为标距段内的截面积。低碳钢的拉伸试验：l10d或l5d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〔在每处的两个相互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。试验机的预备；首先了解材料试验机的根本构造原理和操作方法，学习试b

所需最大载荷，选择适宜的测力度盘，并配置相应的摆锤，开动机器，将测力指针F和变形L的关系曲线〔FL曲线〕如下图。从图中可以看出，A点时，拉伸图上OA段是直线，说明此阶段内载荷与试件的变形成B点时，测力计指针停B点，然后在小的范围内摇摆，这时变形增加很快，载荷增加很慢；这说明材料产生了流淌〔或者叫屈服〕B点相应的应力叫上流淌极限，与B相应的应力叫下流淌极限，因下流淌极限比较稳定，所以材料的流淌极限一般规BFS

A即得到低碳钢的流淌极限， S S

FAS流淌阶段后，试件要承受更大的外力，才能连续ACD点这一段为强化阶段。当载荷到达最大值Fb

〔D点〕时，试件的塑性变形集中在某一截面处的小Fb

b以试件的原始截面积A就得到低碳钢的强度极限 b b

F/Ab缩”后，由于截面积的减小，载荷快速下降，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l1

，按下式可计算出低碳钢的延长率ll1l

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d，1计算出面积A1

；按下式可计算出低碳钢的截面收缩率，AA A1100%FFDFBABEFFbFS bOLOL图1-2 图1-3从破坏后的低碳钢试件上可以看到，各处的剩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l的数值与断口的部位有关。为1了统一值的计算，规定以断口在标距长度中心的13区段内为准，来测量l的值，假设断口不在13区段内时，需要承受断口移中的方法进展换算，其方法如下：设两标点C到C之间共刻有n1-4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心，再看a点至C1

点有多少格，就由a点向左取一样的格数，标以记号bL表示C到bL2L的长度中包含的格数等于标距长度内的格数n，故l1

L2L。当断口格外接近试件两端，而与其头部之距离等于或小于直径的两倍时，一般LLLc断口db ac1图1-42、铸铁的拉伸试验：试件的预备：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，依据铸铁的强度极限

，估量拉伸试件的最大载荷。b试验机的预备；与低碳钢拉伸试验一样。F，观b1-3所示。将最大载荷值Fb

除以试件的原始截面积A，就得到铸铁的强度极限 b b

F/A。由于铸铁为脆性材料在变形很小的情b况下就会断裂，所以铸铁的延长率和截面收缩率很小，很难测出。在工程实际中，有些构件承受压力，而材料由于载荷形式的不同其表现的机械性能也不同，因此除了通过拉伸试验了解金属材料的拉伸性能外，有时还要作压缩试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展压缩试验，而对于塑性金属或合金进展压缩试验是主要目的是为了材料争论。例如灰铸铁在拉伸和压缩时的强度极限不一样，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。一、试验目的和要求测定在压缩时低碳钢的流淌极限

，及灰铸铁的强度极限 。S b观看它们的破坏现象，并比较这两种材料受压时的特性。h二、试验预备：h材料试验机、游标卡尺三、试件 d金属材料的压缩试件一般制成圆柱形，如下图，并制定1四、试验方法与步骤1、低碳钢的压缩试验

hd3试件预备：用游标卡尺测量试件的直径d。试验机的预备：首先了解试验机的根本构造原理和操作方法，学习试验机的操作规程。选择适宜的测力刻度盘，配置相应的摆锤，开动机器，将刻度盘指针进展试验：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淌以前根本状况与拉伸时一样，载荷到达B时，测力盘指针停顿不动或倒退，这说明材料产生了流淌，当载荷超过B点后，塑性变形渐渐增加，试件横截面积渐渐明显地增大，试件最终被压成鼓形而不断裂，故只能测出产生流淌时的载荷F ，由S FS

/A得出材料受压时的流淌极限而得不出受压时的强度极限。FFFFBFFbFSFOLOL图2-2 图2-32、铸铁的压缩试验铸铁压缩与低碳钢的压缩试验方法一样，但铸铁受压时在很小的变形下即发生Fb

，由b

F/A得出材料强度极限。b铸铁破坏时的裂缝约与轴线成45角左右。五、留意事项试件肯定要放在压头中心以免偏心影响在试件与上压头接触时要特别留意减小油门，使之渐渐接触，以免发生撞击，损坏机器。铸铁压缩时，应留意安全，以防试件破坏时跳出打伤。试验三金属材料弹性模量E一、试验目的要求：在比例极限内测定低碳钢的弹性模量E验证虎克定律二、原理拉杆拉伸时伸长变形LF之间的关系，在比例极限范围内应符合FL FL虎克定律：由L式中：F——拉伸载荷，F上刀口右标杆左标杆F上刀口右标杆左标杆右标杆量表量表定位螺钉活动下刀口试样底板F

EAE

LAE——材料弹性模量A——试件的横截面积L——标距长度内的伸长量三、试验设备材料试验机、蝶式引伸计、游标卡尺四、蝶式引伸计简介仪器构造如图调整上刀口位置，使上下刀口间的距离等于标距值。松开紧固螺钉调整量表位置，使下刀口底面与底板上定位螺钉接触，顶尖与量表测量平面接触。测拉伸变形时，量表起始位置应在指针正向行程0.1mm以上，然后固定好量表罩圈在需要的位置上。握住蝶式引伸计，压缩弹簧使两刀口分开夹持在试件上，如夹紧力不够可调整连接板簧帽。如需要增加上刀口夹紧力时，在标杆上使用夹紧架，其位置应以尽量靠近上刀口处，夹紧力也可通过簧帽调正。当试件受力后，原标距伸长，上刀口不动，下刀口绕中点转动，由于杠杆比为1：1，从千分表上可读出变形值，伸长量取两表数值的平均值进展计算。五、试验方法与步骤测量试件尺寸〔直径〕试件装于试验机上，加预载2kN，然后将蝶式引伸计装于试件上。转动引伸计的调整螺钉，使千分表的小针在0.6左右，而千分表的大指针为零。开动机器，缓慢加载，并记录千分表的读数，在3kN时记初读数，以后每增加2kN记一次读数，至13kN为上，停机。六、试验数据整理E FL FL

GPa(LA) (L) AP注上式中(L)P

的单位应当用mm，而表中(L)P

为千分表格数，千分表1格为1 mm。1000在实际工程机械中，有很多传动轴是在扭转状况下工作，设计扭转轴所用的许S

，或剪切强度极限b

而求得的。一、试验目的要求低碳钢的剪切流淌极限

S

。b观看断口状况，进展比较和分析。二、试验设备和仪器扭转试验机、划线仪、游标卡尺等。三、扭转试件依据国家标准，一般承受圆截面试件，标距 L100mm，标距局部直径d10mm4-1所示。4-1四、试验方法与步骤低碳钢试件的扭转：1d，计算抗扭截面系数。WP

d316转机的操作规程。依据材料性质，初步估所需最大扭矩，选择适宜的测力表盘，配置相应的摆锤，测力指针调到“零点MMnMMbMSPOSSRSRS4-3进展试验：将低碳钢试件装夹到试验机上，用“手动”对试件缓慢均匀地加扭矩，加在试件上的扭矩Mn和扭转角4-2所示。当扭矩增加到A〔即Mn

M 〕4-2中OA段为直线，说明此阶段内载荷与试件变p形之间成比例关系，扭矩超过M

p后。试件截面的外缘外处，材料发生流淌形成环形塑性区，同时Mn

B点趋于平坦，这时测力指针几乎不动，这说明塑性区已扩展为整个截面材料发生流淌记录下此时的扭矩M 。bM

时，假定截面上各点的剪应力同时到达流淌极限S

〔抱负塑性，断S面上

均匀分布，从而推导计算流淌极限的近似公式如下：S因 M S F

S式中

是常数，dA2dS所以 MS

RS0

R202R3

4R3

4W3 S 3

S 3 pS3M故屈服极限

S，S 4Wp式中：W

d3R3p 16 2假设试件连续变形，材料进一步强化，当到达Mn

上的C点时，试件破坏，扭矩表盘上的指针可读出最大扭矩 3M

，与屈服时的塑性变形过程相像 ，可得b bb 4Wp试件断裂后，马上关闭机器，取下试件。铸铁试件的扭转：MMnMbO4-4铸铁的扭转试验方法与步骤与低碳钢一样，因铸铁扭转在变形很小的状况下就被扭断，铸铁的Mn

4-4所示由图可知，铸铁扭转由开头直到破坏近似始终线，其剪切强度极限因铸铁试件在断裂前呈脆性破坏，故可近似应用弹性公式计算M五、留意事项：

bb Wp用手动变电器加扭矩时，一般将手摇柄取下，以免发生事故。在变速进，肯定先停车，后调矩。试件在夹紧时，用手搬套筒搬手，而不要产生冲力。铸铁扭转时，要加防护罩，以免裂开试件飞出打伤人。试验五弯曲正应力试验一、试验目的测定梁承受纯弯曲时的正应力分布，并与理论计算结果进展比较，以验证弯曲正应力公式。二、试验设备YJ-225-15-15-10.02～0.05mm的镍5-2。在丝栅的两端焊接直径为0.15—0.18mm为0.003—0.01mm康铜或镍铬等箔为了测量构件上某点沿某一方向的应变，在构件未受力前，将应变片的长度L来电阻R转变为R〔电阻丝长度伸长，横截面面积减小，电阻增加。由试验得知，单位电阻的转变量△R/Rε成正比，即RKRk称为应变片的灵敏系数，它和Kk2左右。5-21-10mm距应变片，反之用小标距的。目前应变片的最小标距可达0.2mm。应变片的原始电50-200Ω之间。一般应变片R120Ω。2．YJ-22〔ⅰ〕使用方法YJ-22型静态应变测量处理仪是一种带有8089单片微处理机的应变仪，协作YZ-22型转换箱可进展自动测量，协作打印机自动记录。在仪器适合的工作环境下并正确接线后，按以下步骤操作：开启打印机电源开关〔不使用打印机时可省去这一步。开启应变仪电源开关。仪器执行自诊断。假设仪器正常，则显示拨盘，即通5-35分钟。按仪器操作规程设置应变计的灵敏系数。将起点拨盘与终点拨盘见〔图5-3〕分别拨到欲测通道区间上。留意设定00到99，即100个点。按“自动”键一次量完毕“测量”灯自动熄灭。假设测量单个点，按“手动”键。5-3假设要进展应变计初始调零，按“调零”键。留意当按“调零”键时5-3YZ-2220台接线箱。利用通道开关可对每个测点编号，编号为三个数码，其中百位数和十位数由通道开关设置，个位数由测点上方的数码表示。为了与应变仪YJ-22匹配，一台应变仪只要求两痊数码的编号，故百位数无意义。十位数可在09之间任意设置。但要留意测点的编号不所重复。每个测点均可进展半桥或全桥测量，其工作状态由全桥、半桥选择开关设置。图4-4表示应变计的三种常用接线方法〔〕半桥b〕半桥单片，多点公共补偿〔〕全桥。其余接线方法可参阅仪器使用说明书。5-45-55-5测量△R的方法是利用电桥原1理如图5-5所示，R R1

R R2 3 412为测量电桥的四个臂。RR12

既粘在为补偿2件上，试验时两者很靠近，R，23R 为在应变仪内部固定的电阻。3四个电阻接成桥路，由物理知：R R1 3R R2 4电桥平衡时电流计指针不偏移。114RRR+RR114≠2RR3≠2转变的电阻值在仪器的刻度上转换成单位变形值ε，故试件的应变值可从应变仪上直接测得。由于△R的转变值并不大，不能从一般电桥上测读出来，由YJ-22型静态应变测量处理仪直接测得。在试验中常需要测定很多点，取得足够的数据，来说明试件的受力状态，但利接线时测量片，补偿片要各个对应，即可连续测得各点的应变值。三、试验步骤本试验通常承受矩形试件，加载方式〔如图5-6〕所示。电阻应变片布置如图。试验可以按如下步骤进展。测量梁的尺寸〔b，h〕以及确定各电阻片的位置。依据粘贴电阻片的要求在已确定好的位置上粘贴，并进展绝缘度的检查。用状态。选定载荷定出最大载荷Pmax载荷增量△P。将所测各点分别接到转换箱线柱上〔留意编号，并将转换箱与应变测量处理议接通。试验开头，先加一初载P0，调零待用，然后逐次加载荷△P，并在每一载荷Pmax说明试验正常。试验完成后，将仪器、工具等用品清理复原。按要求填写试验报告四、留意事项必需依据粘贴电阻片工艺要求细心做粘贴、枯燥、焊导线等工作。严格依据操作规程使用仪器。试验六冲击试验冲击波负荷,但由于构造或运行的特点,冲击负荷难以完全避开，例如内燃机膨胀冲程中气体爆炸推动活塞和连杆，使活塞和连杆之间发生冲击，火车开车、停车时，车辆之间的挂钩也产生冲击，在一些工具机中，却利用冲击负荷实现静负荷难以到达的效果，例如锻锤、冲击、凿岩机等，为了了解材料在冲击载荷下的性能，我们必需作冲击试验。一、试验目的了解冲击试验的意义，材料在冲击载荷作用下所表现的性能测定低碳钢和铸铁的冲击韧度值 。k二、试验设备和仪器摆式冲击试验机、游标卡尺等三、根本原理冲击试验是争论材料对于动荷抗力的一种试验，和静载荷作用不同，由于加载速度快，使材料内的应力突然提高，变形速度影响了材料的机构性质，所以材料对动载荷作用表现出另一种反响。往往在静荷下具有很好塑性性能的材料，在冲击载荷下会呈现出脆性的性质。此外在金属材料的冲击试验中，还可以提醒了静载荷时，不易觉察的某构造特点和工作条件对机械性能的影响〔如应力集中，材料内部缺陷，化学成分和加有肯定的意义四、冲击试件工程上常用金属材料的冲击试件一般在带缺口槽的矩形试件，做成制品的目的是为了便于揭露各因素对材料在高速变形时的冲击抗力的影响。并了解试件的破坏k

值的影响极大，要保证明验结果能进展比较，试件必需严格依据冶金工业部的部公布标准k

值的冲击试验实质上是一种比较性试验55±255±210±0.1±1±140±0.5五、冲击试验形式

6-1简梁式弯曲冲击试验肱梁式弯曲冲击试验拉伸冲击试验简梁式弯曲冲击试验工程中最常用六、试验方法与步骤测量试件尺寸，要测量缺口处的试件尺寸。首先了解摆锤冲击试验机的构造原理和操作方法，把握冲击试验机的操作规程，肯定要留意安全。调整冲击试验机指针调到“零点”依据试件材料估量所需破坏能量，先空打一次，测定机件间的摩擦消耗功。将试件装入在冲击试验机上，简梁式冲击试验应使没有缺口的面朝向摆锤冲击的一边，缺口的位置应在两支座中间，要使缺口和摆锤冲刃对准。将摆锤举起同空打时的位置，翻开锁杆。使摆锤落下，冲断试件，然后刹车，读出试件冲断时消耗的功，以下式可计算出材料的冲击韧度值mkmW N k A mm2W——冲断试件时所消耗的功A——试件缺口横截面积6-2七、留意事项：在试验过程中要特别留意安全，确定制止把摆锤举高后安放试件，当摆锤举高以免发生危急。八、争论题低碳钢和铸铁在冲击作用下所呈现的性能是怎样的？材料冲击试验在工程实际中的作用如何？试验七 疲乏试验在机器中有很多元件如轴、齿轮、弹簧等都是在循环载荷下工作的，在重负载荷下零件在低应力下发生脆性现象叫金属疲乏。疲乏断裂与静荷断裂不同，很多构件在屡次反复应力作用下，会在远低于材料的强度极限时就发生突然的脆性破坏，断前没有明显的宏观塑性变形，很难事先观看和预防，具有很大的危急性，因此争论材料的疲乏破坏规律，防止构件的疲乏失效就尤为重要。疲乏试验就是测定材料对重复载荷的抗力，作为在交变应力下合理选择材料和设计零件的强度依据。一、试验目的了解疲乏试验的使用方法测定材料在弯曲时疲乏极限-1二、试验设备和仪器弯曲疲乏试验机三、根本原理

的方法。疲乏极限是材料在交变应力作用下，能无限次承受应力变化而不破坏的最N作N～3010N次循环的重复，而试件不发生疲乏破坏的最大应力值，常称为名义长久极限。疲乏试验有拉压、扭转、弯曲的，对称循环的或不对称循环的。由试验矩对称循环是最危急的循环，测得的疲乏极限最低，本次试验是最根本的应用最广的“在对称循环下转梁式弯曲疲乏试验-1

而其它荷重下的疲乏极限 用阅历公式推求。-1转梁式弯曲疲乏试验试验常用的有简梁式和肱梁