材料力學(xué)實驗指導(dǎo)書

13工程力學(xué)試驗講義張耀荔孫衛(wèi)華拉伸試驗是測定材料力學(xué)性能的最根本最重要的試驗之一。由本試驗所測得的結(jié)果，可以說明材料在靜拉伸下的一些性能，諸如材料對載荷的抵抗力量的變化規(guī)律、材料的彈性、塑性、強度等重要機械性能，這些性能是工程上合理地選用材料和進展強度計算的重要依據(jù)。一、試驗?zāi)康囊鬁y定低碳鋼的流淌極限S

、強度極限

、延長率、截面收縮率和鑄鐵的b強度極限。b觀看低碳鋼和鑄鐵在拉伸過程中表現(xiàn)的現(xiàn)象，繪出外力和變形間的關(guān)系曲線〔FL曲線。比較低碳鋼和鑄鐵兩種材料的拉伸性能和斷口狀況。二、試驗設(shè)備和儀器材料試驗機、游標(biāo)卡尺、兩腳標(biāo)規(guī)等三、拉伸試件dl金屬材料拉伸試驗常用的試件外形如下圖。圖中工作段長度dl為了使試驗測得的結(jié)果可以相互比較，試件必需按國家標(biāo)準(zhǔn)做成標(biāo)準(zhǔn)試件，即l5d或l10d。A對于一般板的材料拉伸試驗，也應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)做成矩形截面試件。其截面面積AA和試件標(biāo)距關(guān)系為l11.3A四、試驗方法與步驟

或l5.65

A為標(biāo)距段內(nèi)的截面積。低碳鋼的拉伸試驗：l10d或l5d在標(biāo)距兩端用腳標(biāo)規(guī)打上沖眼作為標(biāo)志，用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距范圍內(nèi)測量中間和兩端三處直徑d〔在每處的兩個相互垂直的方向各測一次取其平均值〕取最小值作為計算試件橫截面面積用。試驗機的預(yù)備；首先了解材料試驗機的根本構(gòu)造原理和操作方法，學(xué)習(xí)試b

所需最大載荷，選擇適宜的測力度盤，并配置相應(yīng)的擺錘，開動機器，將測力指針F和變形L的關(guān)系曲線〔FL曲線〕如下圖。從圖中可以看出，A點時，拉伸圖上OA段是直線，說明此階段內(nèi)載荷與試件的變形成B點時，測力計指針停B點，然后在小的范圍內(nèi)搖擺，這時變形增加很快，載荷增加很慢；這說明材料產(chǎn)生了流淌〔或者叫屈服〕B點相應(yīng)的應(yīng)力叫上流淌極限，與B相應(yīng)的應(yīng)力叫下流淌極限，因下流淌極限比較穩(wěn)定，所以材料的流淌極限一般規(guī)BFS

A即得到低碳鋼的流淌極限， S S

FAS流淌階段后，試件要承受更大的外力，才能連續(xù)ACD點這一段為強化階段。當(dāng)載荷到達最大值Fb

〔D點〕時，試件的塑性變形集中在某一截面處的小Fb

b以試件的原始截面積A就得到低碳鋼的強度極限 b b

F/Ab縮”后，由于截面積的減小，載荷快速下降，到E點試件斷裂。關(guān)閉機器，取下拉斷的試件，將斷裂的試件緊對到一起，用游標(biāo)卡尺測量出斷裂后試件標(biāo)距間的長度l1

，按下式可計算出低碳鋼的延長率ll1l

100。將斷裂的試件的斷口緊對在一起，用游標(biāo)卡尺量出斷口〔細頸〕處的直徑d，1計算出面積A1

；按下式可計算出低碳鋼的截面收縮率，AA A1100%FFDFBABEFFbFS bOLOL圖1-2 圖1-3從破壞后的低碳鋼試件上可以看到，各處的剩余伸長不是均勻分布的。離斷口愈近變形愈大，離斷口愈遠則變形愈小，因此測得l的數(shù)值與斷口的部位有關(guān)。為1了統(tǒng)一值的計算，規(guī)定以斷口在標(biāo)距長度中心的13區(qū)段內(nèi)為準(zhǔn)，來測量l的值，假設(shè)斷口不在13區(qū)段內(nèi)時，需要承受斷口移中的方法進展換算，其方法如下：設(shè)兩標(biāo)點C到C之間共刻有n1-4所示，拉伸前各格之間距離相等，在斷裂試件較長的右段上從鄰近斷口的一個刻線d起，向右取n/2格，標(biāo)記為a，這就相當(dāng)于把斷口擺在標(biāo)距中心，再看a點至C1

點有多少格，就由a點向左取一樣的格數(shù)，標(biāo)以記號bL表示C到bL2L的長度中包含的格數(shù)等于標(biāo)距長度內(nèi)的格數(shù)n，故l1

L2L。當(dāng)斷口格外接近試件兩端，而與其頭部之距離等于或小于直徑的兩倍時，一般LLLc斷口db ac1圖1-42、鑄鐵的拉伸試驗：試件的預(yù)備：用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距范圍內(nèi)測量中間和兩端三處直徑d取最小值計算試件截面面積，依據(jù)鑄鐵的強度極限

，估量拉伸試件的最大載荷。b試驗機的預(yù)備；與低碳鋼拉伸試驗一樣。F，觀b1-3所示。將最大載荷值Fb

除以試件的原始截面積A，就得到鑄鐵的強度極限 b b

F/A。由于鑄鐵為脆性材料在變形很小的情b況下就會斷裂，所以鑄鐵的延長率和截面收縮率很小，很難測出。在工程實際中，有些構(gòu)件承受壓力，而材料由于載荷形式的不同其表現(xiàn)的機械性能也不同，因此除了通過拉伸試驗了解金屬材料的拉伸性能外，有時還要作壓縮試驗來了解金屬材料的壓縮性能，一般對于鑄鐵、水泥、磚、石頭等主要承受壓力的脆性材料才進展壓縮試驗，而對于塑性金屬或合金進展壓縮試驗是主要目的是為了材料爭論。例如灰鑄鐵在拉伸和壓縮時的強度極限不一樣，因此工程上就利用鑄鐵壓縮強度較高這一特點用來制造機床底座、床身、汽缸、泵體等。一、試驗?zāi)康暮鸵鬁y定在壓縮時低碳鋼的流淌極限

，及灰鑄鐵的強度極限 。S b觀看它們的破壞現(xiàn)象，并比較這兩種材料受壓時的特性。h二、試驗預(yù)備：h材料試驗機、游標(biāo)卡尺三、試件 d金屬材料的壓縮試件一般制成圓柱形，如下圖，并制定1四、試驗方法與步驟1、低碳鋼的壓縮試驗

hd3試件預(yù)備：用游標(biāo)卡尺測量試件的直徑d。試驗機的預(yù)備：首先了解試驗機的根本構(gòu)造原理和操作方法，學(xué)習(xí)試驗機的操作規(guī)程。選擇適宜的測力刻度盤，配置相應(yīng)的擺錘，開動機器，將刻度盤指針進展試驗：開動機器，使試件緩慢均勻加載，低碳鋼在壓縮過程中產(chǎn)生流淌以前根本狀況與拉伸時一樣，載荷到達B時，測力盤指針停頓不動或倒退，這說明材料產(chǎn)生了流淌，當(dāng)載荷超過B點后，塑性變形漸漸增加，試件橫截面積漸漸明顯地增大，試件最終被壓成鼓形而不斷裂，故只能測出產(chǎn)生流淌時的載荷F ，由S FS

/A得出材料受壓時的流淌極限而得不出受壓時的強度極限。FFFFBFFbFSFOLOL圖2-2 圖2-32、鑄鐵的壓縮試驗鑄鐵壓縮與低碳鋼的壓縮試驗方法一樣，但鑄鐵受壓時在很小的變形下即發(fā)生Fb

，由b

F/A得出材料強度極限。b鑄鐵破壞時的裂縫約與軸線成45角左右。五、留意事項試件肯定要放在壓頭中心以免偏心影響在試件與上壓頭接觸時要特別留意減小油門，使之漸漸接觸，以免發(fā)生撞擊，損壞機器。鑄鐵壓縮時，應(yīng)留意安全，以防試件破壞時跳出打傷。試驗三金屬材料彈性模量E一、試驗?zāi)康囊螅涸诒壤龢O限內(nèi)測定低碳鋼的彈性模量E驗證虎克定律二、原理拉桿拉伸時伸長變形LF之間的關(guān)系，在比例極限范圍內(nèi)應(yīng)符合FL FL虎克定律：由L式中：F——拉伸載荷，F(xiàn)上刀口右標(biāo)桿左標(biāo)桿F上刀口右標(biāo)桿左標(biāo)桿右標(biāo)桿量表量表定位螺釘活動下刀口試樣底板F

EAE

LAE——材料彈性模量A——試件的橫截面積L——標(biāo)距長度內(nèi)的伸長量三、試驗設(shè)備材料試驗機、蝶式引伸計、游標(biāo)卡尺四、蝶式引伸計簡介儀器構(gòu)造如圖調(diào)整上刀口位置，使上下刀口間的距離等于標(biāo)距值。松開緊固螺釘調(diào)整量表位置，使下刀口底面與底板上定位螺釘接觸，頂尖與量表測量平面接觸。測拉伸變形時，量表起始位置應(yīng)在指針正向行程0.1mm以上，然后固定好量表罩圈在需要的位置上。握住蝶式引伸計，壓縮彈簧使兩刀口分開夾持在試件上，如夾緊力不夠可調(diào)整連接板簧帽。如需要增加上刀口夾緊力時，在標(biāo)桿上使用夾緊架，其位置應(yīng)以盡量靠近上刀口處，夾緊力也可通過簧帽調(diào)正。當(dāng)試件受力后，原標(biāo)距伸長，上刀口不動，下刀口繞中點轉(zhuǎn)動，由于杠桿比為1：1，從千分表上可讀出變形值，伸長量取兩表數(shù)值的平均值進展計算。五、試驗方法與步驟測量試件尺寸〔直徑〕試件裝于試驗機上，加預(yù)載2kN，然后將蝶式引伸計裝于試件上。轉(zhuǎn)動引伸計的調(diào)整螺釘，使千分表的小針在0.6左右，而千分表的大指針為零。開動機器，緩慢加載，并記錄千分表的讀數(shù)，在3kN時記初讀數(shù)，以后每增加2kN記一次讀數(shù)，至13kN為上，停機。六、試驗數(shù)據(jù)整理E FL FL

GPa(LA) (L) AP注上式中(L)P

的單位應(yīng)當(dāng)用mm，而表中(L)P

為千分表格數(shù)，千分表1格為1 mm。1000在實際工程機械中，有很多傳動軸是在扭轉(zhuǎn)狀況下工作，設(shè)計扭轉(zhuǎn)軸所用的許S

，或剪切強度極限b

而求得的。一、試驗?zāi)康囊蟮吞间摰募羟辛魈蕵O限

S

。b觀看斷口狀況，進展比較和分析。二、試驗設(shè)備和儀器扭轉(zhuǎn)試驗機、劃線儀、游標(biāo)卡尺等。三、扭轉(zhuǎn)試件依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，一般承受圓截面試件，標(biāo)距 L100mm，標(biāo)距局部直徑d10mm4-1所示。4-1四、試驗方法與步驟低碳鋼試件的扭轉(zhuǎn)：1d，計算抗扭截面系數(shù)。WP

d316轉(zhuǎn)機的操作規(guī)程。依據(jù)材料性質(zhì)，初步估所需最大扭矩，選擇適宜的測力表盤，配置相應(yīng)的擺錘，測力指針調(diào)到“零點MMnMMbMSPOSSRSRS4-3進展試驗：將低碳鋼試件裝夾到試驗機上，用“手動”對試件緩慢均勻地加扭矩，加在試件上的扭矩Mn和扭轉(zhuǎn)角4-2所示。當(dāng)扭矩增加到A〔即Mn

M 〕4-2中OA段為直線，說明此階段內(nèi)載荷與試件變p形之間成比例關(guān)系，扭矩超過M

p后。試件截面的外緣外處，材料發(fā)生流淌形成環(huán)形塑性區(qū)，同時Mn

B點趨于平坦，這時測力指針幾乎不動，這說明塑性區(qū)已擴展為整個截面材料發(fā)生流淌記錄下此時的扭矩M 。bM

時，假定截面上各點的剪應(yīng)力同時到達流淌極限S

〔抱負塑性，斷S面上

均勻分布，從而推導(dǎo)計算流淌極限的近似公式如下：S因 M S F

S式中

是常數(shù)，dA2dS所以 MS

RS0

R202R3

4R3

4W3 S 3

S 3 pS3M故屈服極限

S，S 4Wp式中：W

d3R3p 16 2假設(shè)試件連續(xù)變形，材料進一步強化，當(dāng)?shù)竭_Mn

上的C點時，試件破壞，扭矩表盤上的指針可讀出最大扭矩 3M

，與屈服時的塑性變形過程相像 ，可得b bb 4Wp試件斷裂后，馬上關(guān)閉機器，取下試件。鑄鐵試件的扭轉(zhuǎn)：MMnMbO4-4鑄鐵的扭轉(zhuǎn)試驗方法與步驟與低碳鋼一樣，因鑄鐵扭轉(zhuǎn)在變形很小的狀況下就被扭斷，鑄鐵的Mn

4-4所示由圖可知，鑄鐵扭轉(zhuǎn)由開頭直到破壞近似始終線，其剪切強度極限因鑄鐵試件在斷裂前呈脆性破壞，故可近似應(yīng)用彈性公式計算M五、留意事項：

bb Wp用手動變電器加扭矩時，一般將手搖柄取下，以免發(fā)生事故。在變速進，肯定先停車，后調(diào)矩。試件在夾緊時，用手搬套筒搬手，而不要產(chǎn)生沖力。鑄鐵扭轉(zhuǎn)時，要加防護罩，以免裂開試件飛出打傷人。試驗五彎曲正應(yīng)力試驗一、試驗?zāi)康臏y定梁承受純彎曲時的正應(yīng)力分布，并與理論計算結(jié)果進展比較，以驗證彎曲正應(yīng)力公式。二、試驗設(shè)備YJ-225-15-15-10.02～0.05mm的鎳5-2。在絲柵的兩端焊接直徑為0.15—0.18mm為0.003—0.01mm康銅或鎳鉻等箔為了測量構(gòu)件上某點沿某一方向的應(yīng)變，在構(gòu)件未受力前，將應(yīng)變片的長度L來電阻R轉(zhuǎn)變?yōu)镽〔電阻絲長度伸長，橫截面面積減小，電阻增加。由試驗得知，單位電阻的轉(zhuǎn)變量△R/Rε成正比，即RKRk稱為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，它和Kk2左右。5-21-10mm距應(yīng)變片，反之用小標(biāo)距的。目前應(yīng)變片的最小標(biāo)距可達0.2mm。應(yīng)變片的原始電50-200Ω之間。一般應(yīng)變片R120Ω。2．YJ-22〔ⅰ〕使用方法YJ-22型靜態(tài)應(yīng)變測量處理儀是一種帶有8089單片微處理機的應(yīng)變儀，協(xié)作YZ-22型轉(zhuǎn)換箱可進展自動測量，協(xié)作打印機自動記錄。在儀器適合的工作環(huán)境下并正確接線后，按以下步驟操作：開啟打印機電源開關(guān)〔不使用打印機時可省去這一步。開啟應(yīng)變儀電源開關(guān)。儀器執(zhí)行自診斷。假設(shè)儀器正常，則顯示撥盤，即通5-35分鐘。按儀器操作規(guī)程設(shè)置應(yīng)變計的靈敏系數(shù)。將起點撥盤與終點撥盤見〔圖5-3〕分別撥到欲測通道區(qū)間上。留意設(shè)定00到99，即100個點。按“自動”鍵一次量完畢“測量”燈自動熄滅。假設(shè)測量單個點，按“手動”鍵。5-3假設(shè)要進展應(yīng)變計初始調(diào)零，按“調(diào)零”鍵。留意當(dāng)按“調(diào)零”鍵時5-3YZ-2220臺接線箱。利用通道開關(guān)可對每個測點編號，編號為三個數(shù)碼，其中百位數(shù)和十位數(shù)由通道開關(guān)設(shè)置，個位數(shù)由測點上方的數(shù)碼表示。為了與應(yīng)變儀YJ-22匹配，一臺應(yīng)變儀只要求兩痊數(shù)碼的編號，故百位數(shù)無意義。十位數(shù)可在09之間任意設(shè)置。但要留意測點的編號不所重復(fù)。每個測點均可進展半橋或全橋測量，其工作狀態(tài)由全橋、半橋選擇開關(guān)設(shè)置。圖4-4表示應(yīng)變計的三種常用接線方法〔〕半橋b〕半橋單片，多點公共補償〔〕全橋。其余接線方法可參閱儀器使用說明書。5-45-55-5測量△R的方法是利用電橋原1理如圖5-5所示，R R1

R R2 3 412為測量電橋的四個臂。RR12

既粘在為補償2件上，試驗時兩者很靠近，R，23R 為在應(yīng)變儀內(nèi)部固定的電阻。3四個電阻接成橋路，由物理知：R R1 3R R2 4電橋平衡時電流計指針不偏移。114RRR+RR114≠2RR3≠2轉(zhuǎn)變的電阻值在儀器的刻度上轉(zhuǎn)換成單位變形值ε，故試件的應(yīng)變值可從應(yīng)變儀上直接測得。由于△R的轉(zhuǎn)變值并不大，不能從一般電橋上測讀出來，由YJ-22型靜態(tài)應(yīng)變測量處理儀直接測得。在試驗中常需要測定很多點，取得足夠的數(shù)據(jù)，來說明試件的受力狀態(tài)，但利接線時測量片，補償片要各個對應(yīng)，即可連續(xù)測得各點的應(yīng)變值。三、試驗步驟本試驗通常承受矩形試件，加載方式〔如圖5-6〕所示。電阻應(yīng)變片布置如圖。試驗可以按如下步驟進展。測量梁的尺寸〔b，h〕以及確定各電阻片的位置。依據(jù)粘貼電阻片的要求在已確定好的位置上粘貼，并進展絕緣度的檢查。用狀態(tài)。選定載荷定出最大載荷Pmax載荷增量△P。將所測各點分別接到轉(zhuǎn)換箱線柱上〔留意編號，并將轉(zhuǎn)換箱與應(yīng)變測量處理議接通。試驗開頭，先加一初載P0，調(diào)零待用，然后逐次加載荷△P，并在每一載荷Pmax說明試驗正常。試驗完成后，將儀器、工具等用品清理復(fù)原。按要求填寫試驗報告四、留意事項必需依據(jù)粘貼電阻片工藝要求細心做粘貼、枯燥、焊導(dǎo)線等工作。嚴(yán)格依據(jù)操作規(guī)程使用儀器。試驗六沖擊試驗沖擊波負荷,但由于構(gòu)造或運行的特點,沖擊負荷難以完全避開，例如內(nèi)燃機膨脹沖程中氣體爆炸推動活塞和連桿，使活塞和連桿之間發(fā)生沖擊，火車開車、停車時，車輛之間的掛鉤也產(chǎn)生沖擊，在一些工具機中，卻利用沖擊負荷實現(xiàn)靜負荷難以到達的效果，例如鍛錘、沖擊、鑿巖機等，為了了解材料在沖擊載荷下的性能，我們必需作沖擊試驗。一、試驗?zāi)康牧私鉀_擊試驗的意義，材料在沖擊載荷作用下所表現(xiàn)的性能測定低碳鋼和鑄鐵的沖擊韌度值 。k二、試驗設(shè)備和儀器擺式?jīng)_擊試驗機、游標(biāo)卡尺等三、根本原理沖擊試驗是爭論材料對于動荷抗力的一種試驗，和靜載荷作用不同，由于加載速度快，使材料內(nèi)的應(yīng)力突然提高，變形速度影響了材料的機構(gòu)性質(zhì)，所以材料對動載荷作用表現(xiàn)出另一種反響。往往在靜荷下具有很好塑性性能的材料，在沖擊載荷下會呈現(xiàn)出脆性的性質(zhì)。此外在金屬材料的沖擊試驗中，還可以提醒了靜載荷時，不易覺察的某構(gòu)造特點和工作條件對機械性能的影響〔如應(yīng)力集中，材料內(nèi)部缺陷，化學(xué)成分和加有肯定的意義四、沖擊試件工程上常用金屬材料的沖擊試件一般在帶缺口槽的矩形試件，做成制品的目的是為了便于揭露各因素對材料在高速變形時的沖擊抗力的影響。并了解試件的破壞k

值的影響極大，要保證明驗結(jié)果能進展比較，試件必需嚴(yán)格依據(jù)冶金工業(yè)部的部公布標(biāo)準(zhǔn)k

值的沖擊試驗實質(zhì)上是一種比較性試驗55±255±210±0.1±1±140±0.5五、沖擊試驗形式

6-1簡梁式彎曲沖擊試驗肱梁式彎曲沖擊試驗拉伸沖擊試驗簡梁式彎曲沖擊試驗工程中最常用六、試驗方法與步驟測量試件尺寸，要測量缺口處的試件尺寸。首先了解擺錘沖擊試驗機的構(gòu)造原理和操作方法，把握沖擊試驗機的操作規(guī)程，肯定要留意安全。調(diào)整沖擊試驗機指針調(diào)到“零點”依據(jù)試件材料估量所需破壞能量，先空打一次，測定機件間的摩擦消耗功。將試件裝入在沖擊試驗機上，簡梁式?jīng)_擊試驗應(yīng)使沒有缺口的面朝向擺錘沖擊的一邊，缺口的位置應(yīng)在兩支座中間，要使缺口和擺錘沖刃對準(zhǔn)。將擺錘舉起同空打時的位置，翻開鎖桿。使擺錘落下，沖斷試件，然后剎車，讀出試件沖斷時消耗的功，以下式可計算出材料的沖擊韌度值mkmW N k A mm2W——沖斷試件時所消耗的功A——試件缺口橫截面積6-2七、留意事項：在試驗過程中要特別留意安全，確定制止把擺錘舉高后安放試件，當(dāng)擺錘舉高以免發(fā)生危急。八、爭論題低碳鋼和鑄鐵在沖擊作用下所呈現(xiàn)的性能是怎樣的？材料沖擊試驗在工程實際中的作用如何？試驗七 疲乏試驗在機器中有很多元件如軸、齒輪、彈簧等都是在循環(huán)載荷下工作的，在重負載荷下零件在低應(yīng)力下發(fā)生脆性現(xiàn)象叫金屬疲乏。疲乏斷裂與靜荷斷裂不同，很多構(gòu)件在屢次反復(fù)應(yīng)力作用下，會在遠低于材料的強度極限時就發(fā)生突然的脆性破壞，斷前沒有明顯的宏觀塑性變形，很難事先觀看和預(yù)防，具有很大的危急性，因此爭論材料的疲乏破壞規(guī)律，防止構(gòu)件的疲乏失效就尤為重要。疲乏試驗就是測定材料對重復(fù)載荷的抗力，作為在交變應(yīng)力下合理選擇材料和設(shè)計零件的強度依據(jù)。一、試驗?zāi)康牧私馄７υ囼灥氖褂梅椒y定材料在彎曲時疲乏極限-1二、試驗設(shè)備和儀器彎曲疲乏試驗機三、根本原理

的方法。疲乏極限是材料在交變應(yīng)力作用下，能無限次承受應(yīng)力變化而不破壞的最N作N～3010N次循環(huán)的重復(fù)，而試件不發(fā)生疲乏破壞的最大應(yīng)力值，常稱為名義長久極限。疲乏試驗有拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲的，對稱循環(huán)的或不對稱循環(huán)的。由試驗矩對稱循環(huán)是最危急的循環(huán)，測得的疲乏極限最低，本次試驗是最根本的應(yīng)用最廣的“在對稱循環(huán)下轉(zhuǎn)梁式彎曲疲乏試驗-1

而其它荷重下的疲乏極限 用閱歷公式推求。-1轉(zhuǎn)梁式彎曲疲乏試驗試驗常用的有簡梁式和肱梁