材料力學(xué)A實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)匯總

1、材料力學(xué) A實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)第一版）大連大學(xué)2012 年 12 月實(shí)驗(yàn)一拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)是測(cè)定材料力學(xué)性能最基本、最重要的實(shí)驗(yàn)之一，它為土木 工程設(shè)計(jì)、機(jī)械制造及其他各種工業(yè)部門提供可靠的材料強(qiáng)度數(shù)據(jù)，便于 合理地使用材料來(lái)保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件、 機(jī)器零件的強(qiáng)度。本實(shí)驗(yàn)將選用兩種典 型的材料-低碳鋼和鑄鐵，作為常溫和靜載下塑性和脆性材料的代表, 做拉伸實(shí)驗(yàn)。、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.測(cè)定低碳鋼的屈服極限、強(qiáng)度極限、延伸率 和斷面收縮率2.測(cè)定鑄鐵的強(qiáng)度極限。3.觀察拉伸過(guò)程的幾個(gè)階段、現(xiàn)象、繪制拉伸圖。4.比較低碳鋼與鑄鐵的力學(xué)性能。、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及量具1. 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)2. 游標(biāo)卡尺3.鋼尺 三、試樣試件一般制成圓形或

2、矩形截面，圓形截面形狀如圖1所示，試件中斷 用于測(cè)量拉伸變形，此段的長(zhǎng)度成為“標(biāo)距”。兩端較粗部分是頭部，為 裝入試驗(yàn)機(jī)夾頭內(nèi)部分，試件頭部形狀視試驗(yàn)機(jī)夾頭要求而定， 可制成圓 柱形（圖1a）、階梯形（圖1b）、螺紋形（圖1c）。4Lud血11HhLo礦1匕-7圖1樣件示圖為了避免這種影試驗(yàn)表明，試件的尺寸和形狀對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有影響。響，便于各種材料力學(xué)性能的數(shù)值互相比較，所以對(duì)試件的尺寸和形狀國(guó) 家都有統(tǒng)一規(guī)定，即所謂“標(biāo)準(zhǔn)試件”，其形狀尺寸的詳細(xì)規(guī)定參閱國(guó)家 標(biāo)準(zhǔn)金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法GB/T228-2002。標(biāo)準(zhǔn)試件的直徑為d。， 測(cè)標(biāo)距Lq = lOd。或S = 5do, 般取10mm

3、或20mm。矩形截面試件標(biāo) 距L與橫截面積A的比例為 k二吐3直或Lo二565血。四、實(shí)驗(yàn)原理將劃好刻度線的標(biāo)準(zhǔn)試件，安裝于電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的上下夾頭內(nèi)。 試該夾頭內(nèi)配有V驗(yàn)機(jī)備用各種形式的夾頭，一般采用楔形夾頭如下左圖,形夾塊和平夾塊，適用于棒狀試樣和板狀試樣如下右圖。i i IMtI低碳鋼的拉伸曲線和鑄鐵拉伸曲線可通過(guò)自動(dòng)記錄裝置繪制。圖2-4 為低碳鋼的拉伸圖。應(yīng)當(dāng)指出，在加載的最初階段，由于夾持部位在夾頭 內(nèi)滑動(dòng)較大，因此所繪出的拉伸曲線最初為一段曲線。 典型的低碳鋼拉伸 時(shí)力和變形的關(guān)系曲線（F-AL曲線），可分為彈性線性階段（0A、屈服階段（AB、強(qiáng)化階段（BCD和局部變形階段（DE

4、。Er / i:t2Lh伸長(zhǎng)量 / L1. 屈服極限的測(cè)定同低碳鋼相類似的具有明顯屈服現(xiàn)象的材料，應(yīng)測(cè)定其屈服強(qiáng)度。在 屈服階段，若載荷是恒定的，則此時(shí)的應(yīng)力成為屈服強(qiáng)度 勺。上屈服強(qiáng)度°叩則是試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應(yīng)力，下屈服強(qiáng)度如則是屈服期間不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最小應(yīng)力。屈服強(qiáng)度上屈服強(qiáng)度11、 下屈服強(qiáng)度$1分別按式（1） - （3）計(jì)算。匹二一(N/mii?或 ME)Li=AO + 0B + 2BC（所剩余格數(shù)為偶數(shù)）加二？ (N/niM或MPJ2. 強(qiáng)度極限的測(cè)定屈服階段過(guò)后，要使試樣繼續(xù)變形，就必須增加載荷，此時(shí)進(jìn)入強(qiáng)化 階段。試樣拉至斷裂，從拉伸圖上確定實(shí)驗(yàn)過(guò)

5、程中的最大拉力值與原始橫 截面值之比稱為抗拉強(qiáng)度% 二 J(N/nnn2或 mPJ So3. 斷后伸長(zhǎng)率的測(cè)定試樣拉斷后，標(biāo)距內(nèi)的伸長(zhǎng)與原始標(biāo)距的百分比稱為斷后伸長(zhǎng)率5其中，S是試樣斷后標(biāo)距。測(cè)量時(shí)將其斷裂部分在斷裂處緊密對(duì)接在 一起，盡量使其軸線位于同一軸線上量取。由于斷口附近的塑性變形最大, 所以的h量取與端口部位有關(guān)。L1的測(cè)定可采取以下方法之一。直測(cè)法：當(dāng)斷口到最鄰近標(biāo)距端點(diǎn)的距離大于 S/3時(shí)，直接測(cè)量斷 后標(biāo)距。移位法：當(dāng)斷口到最鄰近標(biāo)距端點(diǎn)的距離小于或等于5/3時(shí)，需按 下列方法測(cè)量L1：在長(zhǎng)段上從拉斷處0區(qū)基本等于0A的格數(shù)，得B點(diǎn)，若所剩的格 數(shù)為偶數(shù)，取剩余的格數(shù)一半得 C

6、點(diǎn)，見(jiàn)圖2(a);若所剩余的格數(shù)為奇 數(shù)，所剩余的格數(shù)分別減1與加1的一般，得C和點(diǎn)，見(jiàn)圖2-5 (b)。則移位后的斷后標(biāo)距L1分別為:L| 二 AO + OB + BC + BC（所剩余格數(shù)為偶數(shù)）廣M W1嚴(yán) -1圖2移位示意圖la4. 斷面收縮率的測(cè)定斷面收縮率屮是試樣拉斷后，原始橫截面積So與頸縮處最小橫截面積S1之差與原始橫截面積的百分率:Sq_S屮=士丄 X 100%由于斷口不是規(guī)則的圓形，應(yīng)在兩個(gè)互相垂直的方向上量取最小截面 的直徑，取其平均值di計(jì)算S1。五、低碳鋼的拉伸試驗(yàn)步驟1. 測(cè)量試件尺寸：用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距長(zhǎng)度范圍內(nèi)，測(cè)量?jī)啥思爸虚g等三處截面的直徑，在每一處截面垂直

7、交叉各測(cè)量一次。 取三處中最小一處的平均直徑計(jì)算橫截面積（要求測(cè)量精度精確到0.02mm）。在試樣標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)，可以用兩個(gè)小沖點(diǎn)或一系列等分細(xì)線做出原始標(biāo)記，用來(lái)為斷 口位置的補(bǔ)償做準(zhǔn)備。62. 試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備：根據(jù)試件橫截面積和材料的大致強(qiáng)度極限，設(shè)定實(shí)驗(yàn)所 需的最大載荷。3. 安裝試件：先將試件安裝在試驗(yàn)機(jī)上夾頭內(nèi)，再開(kāi)動(dòng)下架頭升降電機(jī)(或轉(zhuǎn)動(dòng)下夾頭升降手輪)使其達(dá)到適當(dāng)?shù)奈恢茫缓蟀言嚰露藠A緊，試件深入夾頭部分要足夠長(zhǎng)切注意對(duì)中。4. 檢查：先請(qǐng)指導(dǎo)教師檢查以上步驟完成情況，并經(jīng)準(zhǔn)許后方可進(jìn)行下 步實(shí)驗(yàn)。5. 實(shí)驗(yàn)：按預(yù)設(shè)的速率是試件緩慢勻速加載，注意觀察試件拉伸過(guò)程中 的幾個(gè)階段和電腦屏幕

8、顯示的曲線，讀出下屈服力及最大拉力。6. 低碳鋼延伸率和截面收縮率的測(cè)定去下拉斷后的試件，用游標(biāo)卡尺測(cè)定斷裂后的標(biāo)距長(zhǎng)度 及斷口處的最小直徑 。觀察、分析對(duì)比。7.計(jì)算強(qiáng)度指標(biāo)、塑性指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)下列情況之一者，實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)效;(1)試樣在標(biāo)距外斷裂，造成性能指標(biāo)不合格。(2)由于操作不當(dāng)而致試樣受力偏心。(3)實(shí)驗(yàn)記錄有誤或設(shè)備發(fā)生故障而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性遇有上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)效時(shí)，應(yīng)補(bǔ)做同樣數(shù)量試樣的實(shí)驗(yàn)。表1拉伸試件尺寸數(shù)據(jù)直徑 do(nim)材料標(biāo)距S(mm)截面I截面n截面川橫截面 積胡(mm)平均平均平均低碳 鋼鑄鐵六、數(shù)據(jù)處理與表示1.試樣原始截面計(jì)算值應(yīng)修約到兩位有效數(shù)字。2.比例試

9、樣的原始標(biāo)距計(jì)算值，應(yīng)精確到±0.5%。對(duì)于短比試樣應(yīng)修約到接近10mm的倍數(shù)，如為中間數(shù)值則向較大的一方修約。七、思考題1.試述低碳鋼拉伸過(guò)程四個(gè)階段的力學(xué)特性。2.試比較低碳鋼與鑄鐵的拉伸力學(xué)性能。3.從不同斷口形狀說(shuō)明材料的兩種基本破壞形式。94.為什么不顧斷口的明顯縮小，仍以原始截面面積計(jì)算低碳鋼的拉伸強(qiáng)度?實(shí)驗(yàn)二 彈性模量E及泊松比卩的測(cè)定1.、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怆姕y(cè)靜應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的基本原理和方法，并做初步操作練習(xí)。2.在比例極限內(nèi)測(cè)定鋼材的彈性模量 E和泊松比4。3.驗(yàn)證胡克定律。、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及量具1.材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)主機(jī)力/應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀2.游標(biāo)卡尺 三、實(shí)驗(yàn)原理?xiàng)U件受軸向

10、拉伸時(shí)，在比例極限內(nèi)由胡克定律可知:彈性模量:泊松比：卩式中，P拉伸力;S桿件的橫截面面積;名縱縱向線應(yīng)變;橫 橫向線應(yīng)變、由（1）式、（2）式可見(jiàn)，求E，4需先測(cè)出線應(yīng)變，本實(shí)驗(yàn)采用電測(cè)靜應(yīng)變的方法，它是工程上最常用測(cè)定變形的方法之一。本次實(shí)驗(yàn)在測(cè)試E，卩時(shí)，采用分段等間距加載法， 即從初始拉力Po到最高拉 力Pmax等分為若干級(jí)進(jìn)行讀數(shù)，其好處是可以避開(kāi)初始時(shí)的系統(tǒng)影響，并能及時(shí)發(fā) 現(xiàn)試驗(yàn)中是否有差錯(cuò)，以及數(shù)據(jù)重復(fù)性和讀數(shù)差值的離散性如何，并觀察符合胡克定律的程度、這樣，應(yīng)以讀數(shù)的平均值計(jì)算E和卩：(4)E=-Btx式中，AP每級(jí)拉力增量，單位牛頓; sX 企分別相應(yīng)于 AP的縱向和橫向線

11、應(yīng)變?cè)隽浚?單位均為應(yīng)變（£）;B, t分別為板試件的寬度和厚度，單位為毫米。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1，采用板試樣，在試件的正、反兩面各貼有一片縱向電阻片和一片橫向電阻片。其目的為消除試件負(fù)荷偏心影響，測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度大為提高。cb o10cp o驗(yàn)裝置四、實(shí)驗(yàn)步驟1.在試樣標(biāo)距內(nèi)兩端及中間處測(cè)量厚度和寬度。 將三處測(cè)得的橫截面 積的算術(shù)平均值作為試樣原始橫截面積。2. 估算材料在彈性范圍內(nèi)最大允許載荷 Fmax，制定加載方案。采用 分段等間距加載方案，確定初始載荷 Fo，載荷等級(jí)及每次載荷增量AF。3. 熟悉與掌握電阻應(yīng)變儀操作方法、4.取 K儀二 K片，把電阻片的導(dǎo)線接到應(yīng)變儀上，并調(diào)平應(yīng)

12、變儀。5. 待一切正常，正式開(kāi)機(jī)實(shí)驗(yàn)。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)加載手輪，對(duì)試件旋加拉力，采用等分段加載法，取 P 1=1KN, Pmax=5KN，也P =1KN。將測(cè)試數(shù)據(jù)填入表1，每片工作片測(cè)讀三遍，共測(cè)讀四個(gè)工作片。6.測(cè)度完畢，檢查數(shù)據(jù)，若不符合要求應(yīng)重新測(cè)試。最后經(jīng)指導(dǎo)教師 鑒定。荷載（KN）縱（橫）向片-二二三讀數(shù)差值讀數(shù)差值讀數(shù)差值P1 =P2=P3=P4=P5=平均差值從2從3is測(cè)試數(shù)據(jù)表表1五、數(shù)據(jù)處理1.計(jì)算每一個(gè)電阻應(yīng)變片各遍讀數(shù)的算術(shù)平均值:(5)再將正反兩面縱向片橫向片的算術(shù)平均值分別取平均值后，代入（3） 式和（4）式計(jì)算E和4。2.畫(huà)出各片的P-E圖，觀察其符合胡克定律的程度。

13、六、思考題1.為什么測(cè)試時(shí)，要采用分段等間距加載法？為什么不測(cè)F=0時(shí)的讀數(shù)?2.為什么要在試件的正、反兩面對(duì)稱地貼電阻應(yīng)變片?11實(shí)驗(yàn)三 梁的純彎曲正應(yīng)力的測(cè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.2.測(cè)定梁純彎曲段正應(yīng)力大小及分布，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行作比較;進(jìn)一步熟悉電測(cè)靜應(yīng)力法的原理和操作方法，掌握應(yīng)變儀的操作。實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器及裝置主機(jī)1.材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)力/應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀2、游標(biāo)卡尺及鋼尺。15三、實(shí)驗(yàn)原理 由理論推導(dǎo)出梁純彎曲時(shí)橫截面上的正應(yīng)力公式為MYb理=Iz式中M純彎曲段截面上彎矩;Iz矩形截面對(duì)中性軸Z的慣性矩;Y 截面上所測(cè)點(diǎn)距中性軸的距離;P/£P/2圖1純彎曲梁力學(xué)模型為了驗(yàn)證

14、此理論公式的正確性，在梁純彎曲段的側(cè)面，沿不同的高度CT。粘貼了電阻應(yīng)變片，測(cè)量方向均平行于梁軸線，布片方案及各片的編號(hào)見(jiàn) 圖1所示，這樣，以測(cè)定五個(gè)不同高度處的線應(yīng)變來(lái)得到相應(yīng)的正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)定的各點(diǎn)正應(yīng)力值為式中一高度為yi的i點(diǎn)的測(cè)定應(yīng)變;E 材料的彈性模量。在比例極限內(nèi)要對(duì)梁反復(fù)加荷測(cè)定，因而采取分段等間距加載讀測(cè)得方法觀察符合胡克定律的情況，并得到彎矩增量mJ Fa下的應(yīng)變?cè)?2量 8。從而測(cè)定應(yīng)力值增量式中 8 (i )為i點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽康母鞅槠骄?值。與之相比較的理論值:式中a梁的支點(diǎn)到彎曲壓頭的距離。如測(cè)定過(guò)程正常，則各遍應(yīng)變?cè)隽侩x散度應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1 、測(cè)量實(shí)驗(yàn)梁的高度和厚度。2、估算材料在彈性范圍內(nèi)最大允許載荷 Fmax,制定加載方案。采用分 段等間距加載方案，確定初始載荷 F0,載荷等級(jí)及每次載荷增量 F。3、熟悉和掌握電阻應(yīng)變儀操作方法。4、取K儀=K»，把電阻片的導(dǎo)線接到應(yīng)變儀上，并調(diào)平應(yīng)變儀。5、待一切正常，正式開(kāi)機(jī)實(shí)驗(yàn)。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)加載手輪，對(duì)試件旋加拉力，采用等分段加載法，取 Pi=800N PmaX=4000N P=800N將測(cè)試數(shù)據(jù)填入表1,每片工作片測(cè)讀三遍，工測(cè)度四個(gè)工作片。6測(cè)讀完畢，檢查數(shù)據(jù)，若不符合要求應(yīng)重新測(cè)試。最后經(jīng)指導(dǎo)教師鑒定。五、數(shù)據(jù)計(jì)算、計(jì)算每個(gè)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變的算術(shù)平均值nZ As氐名i =