實(shí)驗(yàn)一--低碳鋼和鑄鐵拉伸時(shí)力學(xué)性能的測(cè)定

1、實(shí)驗(yàn)一低碳鋼和鑄鐵拉伸時(shí)力學(xué)性能的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康腇- L,由此了解試樣1. 觀察分析低碳鋼的拉伸過程，了解其力學(xué)性能；繪制拉伸曲線 在拉伸過程中變形隨載荷的變化規(guī)律以及有關(guān)物理現(xiàn)象；2. 測(cè)定低碳鋼材料在拉伸過程中的幾個(gè)力學(xué)性能指標(biāo):3. 了解萬能材料試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造原理，能正確獨(dú)立操作使用。實(shí)驗(yàn)設(shè)備1.SHT5305拉伸試驗(yàn)機(jī)。2. x Y記錄儀。3. 游標(biāo)卡尺。三、拉伸試樣四、實(shí)驗(yàn)原理和方法首先將試件安裝于試驗(yàn)機(jī)的夾頭內(nèi)，之后勻速緩慢加載， 試樣依次經(jīng)過彈性、屈服、強(qiáng)化和頸縮四個(gè)階段，其中前三個(gè)階段是均勻變形的。1. 彈性階段 是指拉伸圖上的 0A段，沒有任何殘留變形。在彈性階段，存在一比例

2、極 限點(diǎn)A,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為比例極限p,此局部載荷與變形是成比例，E 。2. 屈服階段對(duì)應(yīng)拉伸圖上的BC段。金屬材料的屈服是宏觀塑性變形開場(chǎng)的一種標(biāo)志, 是位錯(cuò)增值和運(yùn)動(dòng)的結(jié)果， 是由切應(yīng)力引起的。 在低碳鋼的拉伸曲線上， 當(dāng)載荷增加到一定 數(shù)值時(shí)出現(xiàn)了鋸齒現(xiàn)象。屈服階段中一個(gè)重要的力學(xué)性能就是屈服點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)力為S FSL / A03. 強(qiáng)化階段對(duì)應(yīng)于拉伸圖中的 CD段。變形強(qiáng)化標(biāo)志著材料抵抗繼續(xù)變形的能力在增強(qiáng)。這也說明材料要繼續(xù)變形，就要不斷增加載荷。D點(diǎn)是拉伸曲線的最高點(diǎn)，載荷為Fb,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力是材料的強(qiáng)度極限或抗拉極限，記為bb Fb / A04. 頸縮階段對(duì)應(yīng)于拉伸圖的DE段。載荷

3、到達(dá)最大值后，塑性變形開場(chǎng)局部進(jìn)展。這是 因?yàn)樵谧畲筝d荷點(diǎn)以后, 形變強(qiáng)化跟不上變形的開展, 由于材料本身缺陷的存在, 于是均勻 變形轉(zhuǎn)化為集中變形,導(dǎo)致形成頸縮。材料的塑性性能通常用試樣斷后殘留的變形來衡量。軸向拉伸的塑性性能通常用伸長(zhǎng)率 和斷面收縮率 來表示,計(jì)算公式為（l1 l0）/l0 100%（A0 A1）/ A0 100%式中，I。、A。分別表示試樣的原始標(biāo)距和原始面積；li、Ai分別表示試樣標(biāo)距的斷后長(zhǎng)度和斷口面積。五、實(shí)驗(yàn)步驟1. 取實(shí)驗(yàn)材料,并用游標(biāo)卡尺量取其直徑量三次取平均值,記為d0;2. 量取試樣標(biāo)記范圍的長(zhǎng)度量三次取平均值,記為l 0;3. 將試樣架在萬能試驗(yàn)機(jī)上夾緊

4、；4. 通過電腦控制給試樣加載, 并觀察材料的變形過程, 同時(shí)電腦將自動(dòng)繪制出拉伸曲線；5. 待材料拉斷為止, 取下試樣測(cè)量拉伸后試驗(yàn)的直徑和長(zhǎng)度均測(cè)量三次,分別記作d1 , l 1。六、數(shù)據(jù)記錄及處理1. 拉伸試樣拉伸前后的直徑和長(zhǎng)度ft I I拉伸試憐尺寸聶材料標(biāo)肆/01最小直輕"mmd(/mmAi/mm3平均1平肖一 ，2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果A 12實(shí)驗(yàn)數(shù)攝和處理皓果曼力形式材料強(qiáng)度性屈眼範(fàn)荷町/MPe抗拉f/M強(qiáng)矍 oh/MPat %)浙面收箭率申(%)七、思考題1低碳鋼和灰鑄鐵在常溫靜載拉伸時(shí)的力學(xué)性能和破壞形式有何異同？答、低碳鋼是塑性材料，在拉伸破壞時(shí)會(huì)有明顯的屈服、強(qiáng)

5、化和頸縮階段，斷裂后有較大的塑性變形?；诣T鐵是脆性材料，沒有屈服、頸縮階段，斷裂變形很小。2測(cè)定材料的力學(xué)性能有何實(shí)用價(jià)值？答、材料的力學(xué)性能反映了材料在外力作用下表現(xiàn)出的變形、破壞等方面的特性，是構(gòu)件進(jìn)展強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)的依據(jù)。3你認(rèn)為產(chǎn)生試驗(yàn)結(jié)果誤差的因素有哪些？應(yīng)如何防止或減小其影響？答、產(chǎn)生試驗(yàn)結(jié)果誤差的因素：加載速率、夾頭的滑動(dòng)、試樣尺寸測(cè)量誤差。減小影響的方法：緩慢加載，夾頭夾緊，加預(yù)載荷，多測(cè)量幾次試樣的尺寸， 取平均值。實(shí)驗(yàn)二材料切變模量G的測(cè)定、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)定碳鋼的剪切彈性模量 G、設(shè)備和儀器1游標(biāo)卡尺，百分表，鋼板尺2.XH180型G值測(cè)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)三、試驗(yàn)原理試樣直徑d=10mm

6、標(biāo)距L=230mm表臂130mm力臂200mm砝碼四個(gè)，每個(gè)重 F=1.96N（200 克）。在彈性范圍內(nèi)進(jìn)展圓截面試樣扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，扭矩T與扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角中之間的關(guān)系符合扭轉(zhuǎn)變形的胡克定律TL/Glp ,式中：Ipd4 /32為截面的極慣性矩。當(dāng)試樣長(zhǎng)度L和極慣性矩I p均為時(shí)，只要測(cè)得扭矩增量 T和相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角增量,可由式G T L/ Ip計(jì)算得到材料的切變模量。試樣受扭后，加力桿繞試樣軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，使右端產(chǎn)生鉛垂位移 B（單位為mm,該位移由安裝在B端的百分表測(cè)量。當(dāng)鉛垂位移很小時(shí)，加力桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角（亦即試樣扭轉(zhuǎn)角）也很小，應(yīng)有tan（ ）=B/ b，式中b為百分表觸頭到式樣端面圓心的距離，加力桿的

7、轉(zhuǎn)角即為圓截面試樣兩端面的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角（單位為弧度）。四、試驗(yàn)步驟1 試驗(yàn)前用手指輕輕敲擊砝碼盤，觀察百分表是否靈活擺動(dòng)，以檢查裝卡是否正確。2. 記錄百分表初末讀數(shù)或?qū)俜直碚{(diào)零。3逐級(jí)加載，每級(jí)增加一個(gè)砝碼后記錄百分表初末讀數(shù)，共加載四次，由于頂絲有微小滑動(dòng)，每個(gè)砝碼屢次加卸記錄其引起的位移不一樣，然后卸載，重復(fù)上述步驟，共測(cè)量三次。五、考前須知1. 砝碼要輕拿輕放，不要沖擊加載。不要在加力臂或砝碼盤上用手施加過大力氣。2. 不要拆卸或轉(zhuǎn)動(dòng)百分表，保證表?xiàng)U與剛性臂間穩(wěn)定、良好的接觸。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理*2 I斷分衷瀆數(shù)rj/nun扭趙塔賢七、思考題1 實(shí)驗(yàn)過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)加了砝碼而百分表指針

8、不動(dòng)的現(xiàn)象，這是為什么？應(yīng)采 取什么措施？答、加載砝碼時(shí)百分表指針不動(dòng)的原因：百分表可能出現(xiàn)故障，百分表觸頭沒接觸轉(zhuǎn) 角臂，轉(zhuǎn)角臂與試樣聯(lián)接松動(dòng)。應(yīng)采取的措施：檢查百分表；百分表觸頭接觸轉(zhuǎn)角臂，并且預(yù)壓一圈；轉(zhuǎn)角臂與試樣聯(lián)接結(jié)實(shí)，不能有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。2 用等增量法加載測(cè)剪切彈性模量G與一次直接加載到允許的最大載荷測(cè)得的G值有何不同？答、逐級(jí)加載方法所求出的彈性模量與一次加載到最終值所求出的彈性模量不一樣，采用逐級(jí)加載方法所求出的彈性模量可降低誤差，同時(shí)可以驗(yàn)證材料此時(shí)是否處于彈性狀態(tài)，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。G有無影響?3試件的形狀和尺寸，選取的標(biāo)距長(zhǎng)度，對(duì)測(cè)定剪切彈性模量 答、彈性模量是材料的固

9、有性質(zhì)，與試件的尺寸和形狀無關(guān)。實(shí)驗(yàn)四 純彎曲梁的正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.測(cè)定梁在純彎曲時(shí)橫截面上正應(yīng)力大小和分布規(guī)律;2.驗(yàn)證純彎曲梁的正應(yīng)力計(jì)算公式。、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和工具1.BDCL-3材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)；2.力&應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀；3.游標(biāo)卡尺、鋼板尺三、實(shí)驗(yàn)原理及方法梁橫截面上任一點(diǎn)的正應(yīng)力，計(jì)算公式為My/lz式中：M為彎矩，lz為橫截面中性軸的慣性矩；y為所求應(yīng)力點(diǎn)到中性軸的距離。為了測(cè)量梁在純彎曲時(shí)橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律，在梁的純彎曲段沿梁側(cè)面不同高度，平行于軸線貼有應(yīng)變片。實(shí)驗(yàn)可采用半橋單臂、公共補(bǔ)償、多點(diǎn)測(cè)量方法。加載采用增量法，即每增加等量的載荷 P,測(cè)出各點(diǎn)的

10、應(yīng)變?cè)隽?，然后分別取各點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽康钠骄祵?shí)i，一次求出各點(diǎn)的應(yīng)變?cè)隽繉?shí)測(cè)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值進(jìn)展比擬，以驗(yàn)證彎曲正應(yīng)力公式。四、實(shí)驗(yàn)步驟1設(shè)計(jì)好本實(shí)驗(yàn)所需的各類數(shù)據(jù)表格。2 測(cè)量矩形截面梁的寬度 b和高度h、載荷作用電到梁支點(diǎn)距離 a及各應(yīng)變片到中性層 的距離屮，見附表13.擬定加載方案。先選取適當(dāng)?shù)某踺d荷Po（ 一般取Po=IO % Pnax左右），估算Pmax（該實(shí)驗(yàn)載荷范圍PmaxW 2000N），分46級(jí)加載。4 按實(shí)驗(yàn)要求接好線，調(diào)整好儀器，檢查整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)。5加載。均勻緩慢加載至初載荷 Po,記下各點(diǎn)應(yīng)變的初始讀數(shù)；然后分級(jí)等增量加載， 每增加一級(jí)載荷，依次記錄

11、各點(diǎn)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變值j，直到最終載荷。實(shí)驗(yàn)至少重讀兩次。應(yīng)變片至中性懇距離（mm>|篥的尺寸和有站數(shù)|-20窗度b =20mm 10庫度h =40mm0跨度社一450mm匕10藪商躍離aISO irimYs20 陣性揍址E=206GPaI泊松比卩=0.281 1慣性矩【工=-bh3/ 12 L067XHTF五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理1 數(shù)據(jù)記錄瀏點(diǎn)(N) 12L22 15測(cè)點(diǎn)應(yīng)變（U讀數(shù)讀數(shù)増f Ar讀數(shù)增輦十讀敕50010001S002000平均增董P=5002 實(shí)驗(yàn)值計(jì)算根據(jù)測(cè)得的各點(diǎn)應(yīng)變值i求出應(yīng)變?cè)隽科骄礿，代入胡克定律計(jì)算各點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力值，因110 6 ，所以各點(diǎn)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力計(jì)算：103

12、 .理論值計(jì)算載荷增量厶P=500N彎矩增量厶MS P a/ 2各點(diǎn)理論計(jì)算：M yi理Iz4 .繪出實(shí)驗(yàn)應(yīng)力值和理論應(yīng)力值的分布圖六、思考題1 .實(shí)驗(yàn)中為什么要進(jìn)展溫度補(bǔ)償這？如何實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償？答、溫度的變化會(huì)引起材料的體積與長(zhǎng)度的變化，進(jìn)而影響應(yīng)變片的長(zhǎng)度變化，導(dǎo)致測(cè)量值有誤，溫度補(bǔ)償片就是要消除這個(gè)誤差，那么得用同樣的材料， 它的線變系數(shù)和體變系數(shù)就一樣，在同樣溫度變化下，變化值就一樣，接上橋式電路就可以抵消掉溫度的影響。2 影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素是什么？答、應(yīng)變片、拉力傳感器、試樣尺寸的測(cè)量準(zhǔn)確性。3 梁的自重對(duì)測(cè)試結(jié)果有無影響？答、施加的荷載和測(cè)試應(yīng)變成線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在加外

13、載荷前，首先進(jìn)展了測(cè)量電路的平衡或記錄初讀數(shù)，然后加載進(jìn)展測(cè)量，所測(cè)的數(shù)或差值是外載荷引起的，與梁 自重?zé)o關(guān)。實(shí)驗(yàn)六等強(qiáng)度梁彎曲試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:一般情況下，梁內(nèi)不同橫截面的彎矩不同。因而在按最大彎矩所設(shè)計(jì)的等截面梁中，除最大彎矩所在截面， 其余截面的材料強(qiáng)度均未得到充分利用。因此，在工程中，常根據(jù)彎矩沿梁軸的變化情況， 將梁也相應(yīng)設(shè)計(jì)成變截面的。 從彎曲角度考慮，理想的變截面梁，是使所有橫截面上的最大彎曲正應(yīng)力均等于許用應(yīng)力，即要求maxM (x)W(x)由此得抗彎截面系數(shù):W(x)M (x)根據(jù)W(x)設(shè)計(jì)梁的截面，各個(gè)橫截面具有同樣強(qiáng)度，這種梁稱為等強(qiáng)度梁。實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1測(cè)定梁上下外表的

14、應(yīng)力，驗(yàn)證梁的彎曲理論。2設(shè)計(jì)寬度不變、高度變化的等強(qiáng)度懸臂梁。設(shè)計(jì)思路：將試件固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上， 梁彎曲時(shí)，同一截面上外表產(chǎn)生壓應(yīng)變，下外表產(chǎn)生拉應(yīng)變，上下外表產(chǎn)生的拉壓應(yīng)變絕對(duì)值相等。計(jì)算公式6FxEbh2式中：F 梁上所加的載荷；x 一載荷作用點(diǎn)到測(cè)試點(diǎn)的距離 ；E 一彈性模量;bx一梁的 寬度；h 一梁的厚度在梁的上下外表分別粘貼上應(yīng)變片R、F2;如圖6-1所示，當(dāng)對(duì)梁施加載荷 P時(shí)，梁產(chǎn)生彎曲變形，在梁內(nèi)引起應(yīng)力。rh ； rnf圖6-1等強(qiáng)度梁外形圖及布片圖關(guān)鍵技術(shù)分析:梁任意截面上的彎矩：M （x） Fx根據(jù)梁彎曲正應(yīng)力的計(jì)算公式:M (x) 6Fx2W(x) bxh根據(jù)胡克定律

15、得梁外表各點(diǎn)的應(yīng)變：s E"理論值與實(shí)驗(yàn)值比擬：=理-實(shí)100%理如果截面寬度b沿梁軸保持不變，得截面高度為:h(x)實(shí)驗(yàn)過程1.擬定加載方案。選取適當(dāng)?shù)某踺d荷Po（ 一般取Po=10% Pmax左右），估算最大載荷Pmax（該實(shí)驗(yàn)載荷范圍w 100N），一般分46級(jí)加載。2 實(shí)驗(yàn)采用多點(diǎn)測(cè)量中半橋單臂公共補(bǔ)償接線法。將懸臂梁上兩點(diǎn)應(yīng)變片按序號(hào)接到電阻應(yīng)變儀測(cè)試通道上，溫度補(bǔ)償片接電阻應(yīng)變儀公共補(bǔ)償端。3 按實(shí)驗(yàn)要求接好線，調(diào)整好儀器，檢查整個(gè)系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)。4.實(shí)驗(yàn)加載，旋轉(zhuǎn)手輪向拉的方向加載。要均勻慢速加載至初載荷F0。記下各點(diǎn)應(yīng)變片的初讀數(shù)或應(yīng)變與加載力同時(shí)清零； 然

16、后逐級(jí)加載，每增加一級(jí)載荷，依次記錄各點(diǎn)電阻 應(yīng)變儀的的讀數(shù)，直到最終載荷。實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)三次。附表1試件相關(guān)數(shù)據(jù)梁的尺寸和有關(guān)參數(shù)梁的高度h=8mm測(cè)試點(diǎn)的寬度bx= mm載荷作用點(diǎn)到固定點(diǎn)距離x=285mm彈性模量E=206Gpa泊松比卩=0.28附表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)載荷PN P£ 1R1£ 1平均值£ 2R?£ 2應(yīng)變儀平均值讀數(shù)&£ 3R3£ 3平均值£ 4R4£ 4平均值實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、理論計(jì)算應(yīng)力6FxbXh2M (x)1 W(x)2、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力s 理-實(shí)理4、設(shè)計(jì)寬度3、理論值與實(shí)驗(yàn)值比擬100%實(shí)驗(yàn)八薄壁

17、圓筒在彎扭組合變形下主應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:構(gòu)件在彎扭組合作用下，根據(jù)強(qiáng)度理論，其強(qiáng)度條件是。計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力r，首先要確定主應(yīng)力， 而主應(yīng)力的方向是未知的， 所以不能直接測(cè)量主應(yīng)力。通過測(cè)定三個(gè)不同方向的應(yīng)變，計(jì)算主應(yīng)變，最后計(jì)算出主應(yīng)力的大小和方向。本實(shí)驗(yàn)測(cè)定應(yīng)變的三個(gè)方向 分別是-45 °、0°和45°。實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求:1、用電法測(cè)定平面應(yīng)力狀態(tài)下一點(diǎn)的主應(yīng)力的大小和方向2、進(jìn)一步熟悉電阻應(yīng)變儀的使用，學(xué)會(huì) 1/4橋法測(cè)應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)思路:為了測(cè)量圓管的應(yīng)力大小和方向，在圓管某一截面的管頂O45°應(yīng)變花，測(cè)得圓管頂B點(diǎn)的-45-/SV r飛嚴(yán)7 j%應(yīng)

18、變花的粘貼示意圖B點(diǎn)、管底D點(diǎn)各粘貼一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)分析:% 一rC 2 Ct -7&an 口Tj雖+ ffyS 一、7 7% 7'石甘-y七9由材料力學(xué)公式:從以上三式解得主應(yīng)變-n hl： wtiA：=:臥根據(jù)廣義胡克定律Gi = y偽十網(wǎng))1- u1實(shí)驗(yàn)得主應(yīng)力大小E( 452(1 )45 )45"(204545方向tg20 實(shí)(452、理論計(jì)算主應(yīng)力3、誤差相對(duì)泯差=0 =xlOO實(shí)驗(yàn)過程1. 測(cè)量試件尺寸、力臂長(zhǎng)度和測(cè)點(diǎn)距力臂的距離，確定試件有關(guān)參數(shù)。附表12. 擬定加載方案。先選取適當(dāng)?shù)某踺d荷Po（ 一般取Po=IO % Pnax左右）。估算Pmax（該實(shí)驗(yàn)載荷范圍Pma<400N），分46級(jí)加載。3 根據(jù)加載方案，調(diào)整好實(shí)驗(yàn)加載裝置。4. 加載。均勻緩慢加載至初載荷 P。，記下各點(diǎn)應(yīng)變的初始讀數(shù)；然后分級(jí)等增量加載，每增加一級(jí)載荷，依次記錄各點(diǎn)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變值，直到最終載荷。實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)兩次。5 作完試驗(yàn)后，卸掉載荷，關(guān)閉電源，整理好所用儀器設(shè)備，清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，將所用儀 器設(shè)備復(fù)原，實(shí)驗(yàn)資料交指導(dǎo)教師檢查簽字。6.實(shí)驗(yàn)裝置中，圓筒的管壁很薄，為防止損壞裝置，注意切勿超載，不能用力扳動(dòng)圓筒的自由端和力臂。附表1 （試件相關(guān)數(shù)