單元7 材料力學實驗.

1、單元單元7 材料力學實驗材料力學實驗教學目標：1.了解材料力學實驗的基本知識；2.掌握金屬拉壓實驗的基本操作步驟。本單元內(nèi)容本單元內(nèi)容金屬軸向壓縮實驗金屬軸向壓縮實驗 7.2金屬轉向拉伸實驗金屬轉向拉伸實驗 7.17.1金屬拉伸實驗金屬拉伸實驗返回下一頁上一頁7.1.1實驗目的實驗目的返回下一頁上一頁（1） 觀察低碳鋼和鑄鐵在拉伸過程中的各種現(xiàn)象（包括屈服、強化和頸縮等現(xiàn)象），特別是外力和變形間的關系，并繪制拉伸圖。（2） 測定低碳鋼的屈服極限s 、強度極限b ;延伸率和截面收縮率。（3） 測定鑄鐵的強度極限b 。（4） 觀察試件斷口，比較低碳鋼和鑄鐵兩種材料的拉伸時的力學性能和破壞特點。7.

2、1.2實驗設備和儀器實驗設備和儀器返回下一頁上一頁（1） 萬能材料實驗機（2） 游標卡尺7.1.3實驗原理實驗原理返回下一頁上一頁為了便于比較實驗結果，按國家標準GB/T2282002中的有關規(guī)定，實驗材料要按上述標準做成比例試件，即圓形截面試件 （長試件） （短試件）矩形截面試件 （長試件） （短試件）式中：試件的初始計算長度（即試件的的標距）；試件的初始截面面積；試件標距段的初始直徑。實驗室里使用的金屬拉伸試件通常制成標準圓形截面試件，如圖7.1所示。0010dl 005dl 003 .11Al 0065. 5Al 0l0A0d圖7.17.1.3實驗原理實驗原理返回下一頁上一頁金屬拉伸實驗

3、是測定金屬材料力學性能的一個最基本的實驗，是了解材料力學性能最全面、最方便的實驗。本實驗主要是測定低碳鋼和鑄鐵在軸向靜載拉伸過程中的力學性能。在實驗過程中，利用實驗機的自動繪圖裝置可繪出低碳鋼的拉伸圖（如圖7.2（a）所示）和鑄鐵的拉伸圖（如圖7.2（b）所示）。由于試件在開始受力時，其兩端的夾緊部分在實驗機的夾頭內(nèi)有一定的滑動，故繪出的拉伸圖最初一段是曲線。圖7.2試件拉伸達到最大載荷之前，在標距范圍內(nèi)的變形是均勻的。從最大載荷開始，試件產(chǎn)生頸縮，截面迅速變細，載荷也隨之減小。因此，測力度盤上的主動針開始回轉，而從動針則停留在最大載荷的刻度上，給我們指示出最大載荷Fb，則材料的強度極限為：

4、7.1.3實驗原理實驗原理返回下一頁上一頁 對于低碳鋼，在確定屈服載荷FS時，必須注意觀察試件屈服時測力度盤上主動針的轉動情況，國標規(guī)定主動針停止轉動時的恒定載荷或第一次回轉的最小載荷值為屈服載荷FS ，故材料的屈服極限為： 0AFss0AFbb7.1.3實驗原理實驗原理試件斷裂后，將試件的斷口對齊，測量出斷裂后的標距和斷口處的最小直徑，則材料的延伸率和截面收縮率分別為：1l1d%100001lll%100010AAA式中，、分別為實驗前的標距和橫截面面積；、分別為實驗后的標距和斷口處的橫截面面積。0l1l0A1A返回下一頁上一頁7.1.3實驗原理實驗原理返回下一頁上一頁如果斷口不在試件距中部

5、的三分之一區(qū)段內(nèi)，則應按國家標準規(guī)定采用斷口移中法來計算試件拉斷后的標距。其具體方法是：實驗前先在試件的標距內(nèi)，用刻線器刻劃等間距的標點或圓周線11個，即將標距長度分為10等份。實驗后將拉斷的試件斷口對齊，如圖7.3所示，以斷口O為起點，在長段上取基本等于短段的格數(shù)得B點。當長段所余格數(shù)為偶數(shù)時，如圖7.3(a)所示，則取所余格數(shù)的一半得出C點，于是1lBCABl21若長段所余格數(shù)為奇數(shù)時，如圖7.3(b)所示，可在長段上取所余格數(shù)減1之半得C點，再取所余格數(shù)加1之半得C1點，于是11BCBCABl 當斷口非常接近試件兩端部，而與其端部的距離等于或小于直徑的兩倍時，需重作實驗。圖7.37.1.

6、4實驗方法和步驟實驗方法和步驟返回下一頁上一頁1試件準備先用游標卡尺測量試件中間等直桿段兩端及中間這三個橫截面處的直徑；在每一橫截面內(nèi)沿互相垂直的兩個直徑方向各測量一次直徑并取其平均值。用所測得的三個平均值中最小的值作為試件的初始直徑，并按計算試件的初始橫截面面積。再根據(jù)試件的初始直徑計算試件的標距，并用游標卡尺在試件中部等直桿段內(nèi)量取試件標距，用刻線器將標距長度分為十等份。2實驗機準備熟悉萬能實驗機的操作規(guī)程。估算拉伸實驗所需的最大載荷，并根據(jù)值選定實驗機的測力度盤（值在測力度盤4080范圍內(nèi)較宜）。調(diào)整測力指針對準零點，并使從動指針與之靠攏，同時調(diào)整好自動繪圖裝置。3試件安裝先將試件安裝在

7、實驗機的上夾頭內(nèi)，再移動下夾頭到適當位置，并把試件下端夾緊。0d0d0A0d0l0lbFbFbF7.1.4實驗方法和步驟實驗方法和步驟返回下一頁上一頁4檢查及試機請教師檢查以上準備情況。經(jīng)教師許可后開動實驗機，加少量載荷（勿使應力超過比例極限），檢查實驗機和繪圖裝置工作是否正常，然后卸載。5進行實驗開動實驗機以慢速均勻加載，注意觀察測力指針的轉動、自動繪圖情況及試件在拉伸過程中的各種現(xiàn)象。當測力指針不動或倒退時，說明材料開始屈服，測力指針停止轉動時的恒定值或第一次回轉的最小值就是屈服載荷。當測力指針和從動指針再次分離時，試件開始頸縮，直至最后被拉斷。測力指針回到零點，而從動指針則指示出最大載荷

8、。關閉實驗機，取下試件。將斷裂的試件對齊并盡量靠緊，用游標卡尺測量拉斷后標距段的長度及斷口處最小直徑。7.1.4實驗方法和步驟實驗方法和步驟返回下一頁上一頁6結束實驗從實驗機上取下已繪好的拉伸曲線圖紙，并請教師檢查實驗記錄。清理實驗現(xiàn)場，將實驗機復原、歸還有關工具，填寫實驗記錄。7注意事項（1）參看液壓式萬能材料實驗機的工作原理及操作注意事項。（2）試件安裝必須正確，防止試件偏斜、夾入部分過短等現(xiàn)象。（3）實驗時聽見異常聲音或發(fā)生任何故障，應立即停止，并馬上報告實驗指導教師。7.1.5實驗結果處理實驗結果處理返回下一頁上一頁整理實驗數(shù)據(jù)，按要求填寫實驗報告并寫出結論。鑄鐵拉伸實驗步驟與低碳鋼拉

9、伸實驗步驟相同，只記錄最大載荷并繪出拉伸曲線。7.2金屬壓縮實驗金屬壓縮實驗返回下一頁上一頁7.2.1實驗目的實驗目的返回下一頁上一頁 （1） 測定低碳鋼壓縮時的屈服極限s。 （2） 測定鑄鐵壓縮時的強度極限b。 （3） 觀察低碳鋼和鑄鐵壓縮時的變形過程和破壞現(xiàn)象，并分析破壞原因。7.2.2實驗設備和儀器實驗設備和儀器返回下一頁上一頁（1） 液壓式萬能材料實驗機（2） 游標卡尺7.2.3實驗原理實驗原理返回下一頁上一頁圖7.4圖7.5金屬材料的壓縮試件一般制成圓柱形，如圖7.4所示。一般規(guī)定：試件細長容易壓彎，太短則其端面與實驗機墊板之間的摩擦力會對其承載能力產(chǎn)生較大影響。為了盡量使試件承受軸

10、向壓力，試件兩端面必須完全平行，并且與試件軸線保持垂直。試件端面的加工光潔度要高，試件接觸面要適當潤滑，以減小摩擦的影響。實驗臺上最好附加球面承墊，如圖7.5所示，以使壓力自動調(diào)中，保證試件承受均勻的軸向壓力。 3100dh7.2.3實驗原理實驗原理返回下一頁上一頁實驗時，實驗機的自動繪圖裝置自動繪出試件的壓縮圖。由如圖7.6（a）所示的低碳鋼壓縮圖可知：低碳鋼在均勻緩慢加載下，試件開始變形時服從虎克定律，說明低碳鋼壓縮變形的第一階段仍為彈性階段；當出現(xiàn)變形增長較快的非線性曲線小段時，表示進入了壓縮屈服階段，但是，這時并不像拉伸實驗那樣有明顯的的測力指針回轉和擺動，而只是測力指針轉動減慢、稍微

11、的停頓或倒退，此時的載荷即為屈服載荷F，其屈服極限為：0AFss7.2.3實驗原理實驗原理此后，壓縮圖形沿曲線繼續(xù)上升，塑性變形迅速增長，試件越壓越扁而不會斷裂，故無法測出最大載荷及其強度極限。所以當加載超過屈服點后，試件被壓成鼓形時應停止實驗。從圖7.6（b）所示的鑄鐵壓縮圖可以看出：對于鑄鐵來說，其壓縮圖無明顯的直線部分，也沒有屈服階段。試件承載達到最大載荷Fb之前沒有明顯的塑性變形。達到Fb時就突然破壞并沿與試件軸線大約成45角的斜截面斷裂，此時測力指針迅速倒退到零點，從動指針指出最大載荷值Fb ，其強度極限為0AFbb返回下一頁上一頁7.2.3實驗原理實驗原理返回下一頁上一頁鑄鐵試件的

12、斷裂面與試件軸線大約成45角，說明破壞主要是由剪應力引起的。圖7.67.2.4實驗方法和步驟實驗方法和步驟返回下一頁上一頁1試件準備用游標卡尺測量試件兩端及中間三處橫截面的直徑，取三處中平均直徑最小者來計算橫截面面積(具體做法與拉伸實驗相同)。2實驗機準備根據(jù)低碳鋼的屈服極限估算其屈服載荷，選擇測力度盤 ; 指針調(diào)零，并調(diào)整好自動繪圖裝置。3試件安裝將試件兩端面涂以潤滑劑，然后準確地放在實驗機工作平臺的下墊板或球面承墊的中心處。7.2.4實驗方法和步驟實驗方法和步驟返回下一頁上一頁4檢查及試機請教師檢查以上各步驟準備情況。空升實驗機的工作平臺，使試件隨之上升，當試件上端面與實驗機的上墊板接近時

13、（注意不要使二者接觸受力），減慢活動臺上升的速度，使試件與實驗機上墊板剛剛接觸且沒有受力。然后用慢速預先加少量載荷，卸載接近零點，以檢查實驗機工作是否正常。5進行實驗緩慢均勻地加載。注意觀察測力指針的轉動情況和自動繪圖情況，及時記錄屈服載荷，繼續(xù)加載使試件壓成鼓形后即可停機。所加載荷不得超過測力度盤的量程。6結束實驗與拉伸實驗相同。鑄鐵試件的壓縮實驗步驟與低碳鋼壓縮實驗步驟相同，其不同點是：安裝試件后要在試件周圍加防護罩，以免試件破裂時碎片飛出傷人，加載至鑄鐵試件出現(xiàn)裂紋破壞后停機，記錄鑄鐵試件破壞時的最大載荷。7.2.5實驗結果處理返回下一頁上一頁整理實驗數(shù)據(jù)，按要求填寫實驗報告并寫出結論。

14、知識拓展知識拓展 材料力學實驗基本知識材料力學實驗基本知識返回下一頁上一頁實驗是進行科學研究的重要手段，對材料力學有其更重要的一面。因為材料力學理論的建立和驗證、強度計算中極限應力的測定等無不以嚴格的實驗為基礎，實際工程中某些構件的幾何形狀和荷載都很復雜，難以靠單純的計算取得構件中應力的正確值，而必須借助于實驗應力分析的手段。因此，材料力學實驗是材料力學課程中不可缺少的實踐性教學環(huán)節(jié)。通過實驗可以使學生鞏固和加深理解所學的基本理論知識，掌握測定材料力學性質的實驗的基本知識、基本技能和基本方法，了解實驗應力分析的基本概念和初步掌握驗證材料力學理論的方法，培養(yǎng)學生的動手能力，既掌握一定的實驗技術、

15、機器儀器的操作、現(xiàn)代技術在材料力學實驗中的應用以及實驗方法等，又養(yǎng)成嚴肅認真、一絲不茍、實事求是的科學習慣，對提高學生在今后工作中的實際能力有著重要而深遠的意義。知識拓展知識拓展 材料力學實驗基本知識材料力學實驗基本知識返回下一頁上一頁1. 實驗內(nèi)容簡介 材料力學實驗按其性質一般分為三個方面：材料力學性質的測定實驗、材料力學理論的驗證性實驗、應力分析實驗。知識拓展知識拓展 材料力學實驗基本知識材料力學實驗基本知識返回下一頁上一頁（1）測定材料的力學性質材料力學是關于構件及結構的強度、剛度和穩(wěn)定性的科學，主要任務是為按照安全與經(jīng)濟的原則去設計各種構件（主要是等直桿）提供計算理論和計算方法。要合理

16、使用材料，就必須了解各種材料的力學性質，就要進行相應的實驗，這便是材料力學實驗的一個重要任務。所謂材料的力學性質，主要是指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的變形和破壞方面的性能指標。材料的力學性質包括材料的彈性性能指標（如比例極限、彈性極限、彈性模量、泊松比等）、材料的強度指標（如屈服極限、強度極限等）、材料的塑性指標（如材料的延伸率、截面收縮率等），還有材料的持久性指標等等，這些都是構件設計計算的基本參數(shù)和依據(jù)。這些參數(shù)一般要通過材料的拉伸、壓縮、扭轉、剪切、疲勞等實驗來測定。隨著材料科學的發(fā)展，各種新型合金材料、合成材料不斷出現(xiàn)，測定材料的力學性質是研究每一種新型材料的首要任務。讓學生按照國家標準

17、規(guī)范地進行這些實驗，可以使學生鞏固所學的材料力學性質的知識，初步掌握測定材料力學性質的基本操作方法。測定材料力學性質的實驗是多種多樣的，其中常溫、靜載條件的材料軸向拉伸和壓縮實驗是最簡單、最基本的一種。返回下一頁上一頁知識拓展知識拓展 材料力學實驗基本知識材料力學實驗基本知識（）驗證材料力學的重要理論及公式材料力學的理論及公式都是建立在簡化和假設的基礎上，如變形固體的基本假設、桿件基本變形中的平面假設等。將實際構件抽象成理想的力學模型、提出假設、推導并建立相關理論及公式，這就是材料力學研究問題的基本方法和過程，其中的簡化假設多來自實驗觀察，所建立的理論及公式是否正確必須經(jīng)過實驗進行驗證，這就是

18、材料力學實驗的第二個任務。梁的彎曲正應力實驗便屬于這一類實驗。此外，一些近似解答的精確度也必須經(jīng)過實驗驗證后才能在工程實際中使用。通過這類實驗可以加深對材料力學理論及公式的認識和理解，明確理論及公式的正確性和使用范圍，從而讓學生學會驗證理論及公式的實驗方法。返回下一頁上一頁（）實驗應力分析工程實際中，有些構件、零部件的幾何形狀不規(guī)則或受力較復雜，其應力分布情況及相應的強度計算沒有合適的理論或單靠理論計算難以得到滿意的結論，在這種情況下，采用電測法、光彈性法、云紋法、全息干涉法等方法，通過模型或直接在現(xiàn)場測定實際結構中的應力和變形再進行分析計算，便成為最有效的方法，這種方法就是實驗應力分析。應力

19、分析實驗采用了較先進的科學技術和儀器來解決理論計算難以解決的問題。通過這類實驗有利于開發(fā)學生的智力、擴充學生的知識面，培養(yǎng)學生學會運用基本理論確定科學實驗方案、分析實驗現(xiàn)象和解決具體問題的能力。其中的電測法在工程實際中得到了廣泛的應用。知識拓展知識拓展 材料力學實驗基本知識材料力學實驗基本知識返回下一頁上一頁2. 材料力學實驗須知）實驗標準 材料的力學性質，如屈服極限、強度極限、材料的延伸率等，雖是材料的固有屬性，卻與試件的形狀及尺寸、加工精度、實驗環(huán)境、加載速度等有關。為使實驗結果具有可比性，國家對試件的取材、形狀及尺寸、加工精度、實驗手段及方法、數(shù)據(jù)處理等做出了統(tǒng)一規(guī)定，即國家標準。）實驗程序及相關要求為了保證實驗能夠正常進行、獲得較好的教學效果，應嚴格執(zhí)行正常的實驗程序。完整的實驗程序包括：實驗前的準備，實驗中的觀察、測量和記錄，整理實驗結果并填寫實驗報告。知識拓展知識拓展 材料力學實驗基本知識材料力學實驗基本知識返回下一頁上一頁 實驗前的準備實驗前的準備工作是實驗順利進行的保證。實驗前的準備工作有： 復習有關理論部分并認真閱讀實驗指導書，基本上了解實驗的目的、內(nèi)容、程序、有關機器儀器的