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

低碳鋼和鑄鐵拉伸時(shí)力學(xué)性能的測定實(shí)驗(yàn)一一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡吞间摵丸T鐵拉伸時(shí)力學(xué)性能的測定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F-AL,由此了解試樣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；測定低碳鋼材料在拉伸過程中的幾個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)：。，、七、5、W；了解萬能材料試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，能正確獨(dú)立操作使用。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1.SHT5305拉伸試驗(yàn)機(jī)。x—Y記錄儀。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。彈性階段是指拉伸圖上的OA'段，沒有任何殘留變形。在彈性階段，存在一比例極限點(diǎn)/A，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為比例極限。p，此部分載荷與變形是成比例，b=EE。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始的一種標(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)。這也表明材料要繼續(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。b頸縮階段對(duì)應(yīng)于拉伸圖的DE段。載荷達(dá)到最大值后，塑性變形開始局部進(jìn)行。這是因?yàn)樵谧畲筝d荷點(diǎn)以后，形變強(qiáng)化跟不上變形的發(fā)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率5和斷面收縮率W來表示，計(jì)算公式為式中，l0、A0分別表示試樣的原始標(biāo)距和原始面積；l「A1分別表示試樣標(biāo)距的斷后長度和斷口面積。五、實(shí)驗(yàn)步驟取實(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;量取試樣標(biāo)記范圍的長度（量三次取平均值），記為】°;將試樣架在萬能試驗(yàn)機(jī)上夾緊；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;待材料拉斷為止，取下試樣測量拉伸后試驗(yàn)的直徑和長度（均測量三次），分別記作d1,11。六、數(shù)據(jù)記錄及處理拉伸試樣拉伸前后的直徑和長度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果七、思考題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)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。測定材料的力學(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)行強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)的依據(jù)。你認(rèn)為產(chǎn)生試驗(yàn)結(jié)果誤差的因素有哪些？應(yīng)如何避免或減小其影響？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的測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y定碳鋼的剪切彈性模量G。二、設(shè)備和儀器游標(biāo)卡尺，百分表，鋼板尺XH180型G值測定實(shí)驗(yàn)臺(tái)三、試驗(yàn)原理試樣直徑d=10mm，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)行圓截面試樣扭轉(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4=TL/GI，P式中：Ip=兀d4/32為截面的極慣性矩。當(dāng)試樣長度L和極慣性矩Ip均為已知時(shí)，只要測得扭矩增量AT和相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角增量△◎，可由式計(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）△①也很小，應(yīng)有tan（^6）=B/be△①，式中b為百分表觸頭到式樣端面圓心的距離，加力桿的轉(zhuǎn)角△①即為圓截面試樣兩端面的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角△①（單位為弧度）。四、試驗(yàn)步驟試驗(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。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)砝碼多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，共測量三次。五、注意事項(xiàng)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。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)果處理七、思考題實(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)接牢固，不能有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。用等增量法加載測剪切彈性模量G與一次直接加載到允許的最大載荷測得的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相同，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。試件的形狀和尺寸，選取的標(biāo)距長度，對(duì)測定剪切彈性模量G有無影響？答、彈性模量是材料的固有性質(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)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y定梁在純彎曲時(shí)橫截面上正應(yīng)力大小和分布規(guī)律；驗(yàn)證純彎曲梁的正應(yīng)力計(jì)算公式。二、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和工具BDCL-3材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)；力&應(yīng)變綜合參數(shù)測試儀；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)算公式為式中：M為彎矩，Iz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)測量方法。加載采用增量法，即每增加等量的載荷△?，測出各點(diǎn)的應(yīng)變增量△￡，然后分別取各點(diǎn)應(yīng)變增量的平均值A(chǔ)e實(shí),，一次求出各點(diǎn)的應(yīng)變增量將實(shí)測應(yīng)力值與理論應(yīng)力值進(jìn)行比較，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。測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七，見附表1擬定加載方案。先選取適當(dāng)?shù)某踺d荷Po（一般取Po=lO%Pmax左右），估算Pmax（該實(shí)驗(yàn)載荷范圍PmaxW2000N），分4?6級(jí)加載。按實(shí)驗(yàn)要求接好線，調(diào)整好儀器，檢查整個(gè)測試系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)。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，依次記錄各點(diǎn)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變值七.，直到最終載荷。實(shí)驗(yàn)至少重讀兩次。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理1.數(shù)據(jù)記錄2.實(shí)驗(yàn)值計(jì)算根據(jù)測得的各點(diǎn)應(yīng)變值七求出應(yīng)變增量平均值色，代入胡克定律計(jì)算各點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力值，因1日￡=10-6e，所以各點(diǎn)實(shí)驗(yàn)應(yīng)力計(jì)算：3.理論值計(jì)算載荷增量^P=500N彎矩增量^M=AP?a/2各點(diǎn)理論計(jì)算：繪出實(shí)驗(yàn)應(yīng)力值和理論應(yīng)力值的分布圖六、思考題實(shí)驗(yàn)中為什么要進(jìn)行溫度補(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度的變化，進(jìn)而影響應(yīng)變片的長度變化，導(dǎo)致測量值有誤，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)就相同，在同樣溫度變化下，變化值就相同，接上橋式電路就可以抵消掉溫度的影響。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、試樣尺寸的測量準(zhǔn)確性。梁的自重對(duì)測試結(jié)果有無影響？答、施加的荷載和測試應(yīng)變成線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在加外載荷前，首先進(jìn)行了測量電路的平衡（或記錄初讀數(shù)），然后加載進(jìn)行測量，所測的數(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，即要求由此得抗彎截面系數(shù)：w（X）=半￥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）測定梁上下表面的應(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)，同一截面上表面產(chǎn)生壓應(yīng)變，下表面產(chǎn)生拉應(yīng)變，上下表面產(chǎn)生的拉壓應(yīng)變絕對(duì)值相等。計(jì)算公式式中：F一梁上所加的載荷；x一載荷作用點(diǎn)到測試點(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表面分別粘貼上應(yīng)變片％、R2；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。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)6Fx

b==根據(jù)梁彎曲正應(yīng)力的計(jì)算公式:Iw(x)bh2x根據(jù)胡克定律得梁表面各點(diǎn)的應(yīng)變：b廣幽

理論值與實(shí)驗(yàn)值比較：8="理°實(shí)X100%b理理論值與實(shí)驗(yàn)值比較：8="理°實(shí)X100%b理擬定加載方案。選取適當(dāng)?shù)某踺d荷P0(一般取Po=10%Pmax左右)，估算最大載荷Pmax(該實(shí)驗(yàn)載荷范圍W100N),一般分4?6級(jí)加載。實(shí)驗(yàn)采用多點(diǎn)測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)變儀測試通道上，溫度補(bǔ)償片接電阻應(yīng)變儀公共補(bǔ)償端。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)。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P。。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測試點(diǎn)的寬度b=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p=0.28附表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)載荷(N)P△P應(yīng)變儀讀數(shù)￡R1￡1△￡1平均值R2￡2△￡2平均值R3￡3△￡3

平均值R4￡4△￡4平均值實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、理論計(jì)算應(yīng)力2、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力3、理論值與實(shí)驗(yàn)值比較4、設(shè)計(jì)寬度b=20mm等強(qiáng)度懸臂梁，畫出梁的圖形。實(shí)驗(yàn)八薄壁圓筒在彎扭組合變形下主應(yīng)力測定圓筒1、理論計(jì)算應(yīng)力2、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力3、理論值與實(shí)驗(yàn)值比較4、設(shè)計(jì)寬度b=20mm等強(qiáng)度懸臂梁，畫出梁的圖形。實(shí)驗(yàn)八薄壁圓筒在彎扭組合變形下主應(yīng)力測定圓筒實(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b<[d]o計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力。，首先要確定主應(yīng)力，rr而主應(yīng)力的方向是未知的，所以不能直接測量主應(yīng)力。通過測定三個(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橋法測應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)思路：為了測量圓管的應(yīng)力大小和方向，在圓管某一截面的管頂B點(diǎn)、管底D點(diǎn)各粘貼一個(gè)45°應(yīng)變花，測得圓管頂B點(diǎn)的-45°、0°和45°三個(gè)方向的線應(yīng)變￡45、七、￡45實(shí)驗(yàn)裝置示意圖應(yīng)變花的粘貼示意圖關(guān)鍵技術(shù)分析:實(shí)驗(yàn)裝置示意圖由材料力學(xué)公式:&+St￡曹—￡】?一h—得&+/卻冬+奐從以上三式解得'-4511一馬+■>'希一品，呂甘一--主應(yīng)變/=，-■=<_■-■■-，=<_■-根據(jù)廣義胡克定律='：5二:一-「方向：a*：=-—1、實(shí)驗(yàn)得主應(yīng)力…b」E（廠+￡—）克E「；~L-大小1實(shí)卜一十土一7￥（&_一廠）2+（￡——廠）2bI2（1一日）2（1+日）*45。0。-45。0。2實(shí)）方向tg2a實(shí)=（廠+￡一）/（2廠—廠—￡一）2、理論計(jì)算主應(yīng)力3、誤差實(shí)驗(yàn)過程測量試件尺寸、力臂長度和測點(diǎn)距力臂的距離，確定試件有關(guān)參數(shù)。附表1擬定加載方案。先選取適當(dāng)?shù)某踺d荷Po（一般取Po=lO%Pmax左右）。估算Pmax（該實(shí)驗(yàn)載荷范圍Pmax<400N）,分4?6級(jí)加載。3.根據(jù)加載方案，調(diào)整好實(shí)驗(yàn)加載裝置。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，o依次記錄各點(diǎn)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變值，直