工程力學(xué)實驗指導(dǎo)

工程力學(xué)實驗指導(dǎo)工程力學(xué)實驗指導(dǎo)/NUMPAGES13工程力學(xué)實驗指導(dǎo)工程力學(xué)實驗指導(dǎo)實驗一拉伸實驗拉伸實驗是測定材料力學(xué)性能的最基本最重要的實驗之一。由本實驗所測得的結(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能力的變化規(guī)律、材料的彈性、塑性、強度等重要機(jī)械性能，這些性能是工程上合理地選用材料和進(jìn)行強度計算的重要依據(jù)。一、實驗?zāi)康囊鬁y定低碳鋼的流動極限、強度極限、延伸率、截面收縮率和鑄鐵的強度極限。觀察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（曲線）。比較低碳鋼和鑄鐵兩種材料的拉伸性能和斷口情況。二、實驗設(shè)備和儀器材料試驗機(jī)、游標(biāo)卡尺、兩腳標(biāo)規(guī)等三、拉伸試件金屬材料拉伸實驗常用的試件形狀如圖所示。圖中工作段長度稱為標(biāo)距，試件的拉伸變形量一般由這一段的變形來測定，兩端較粗部分是為了便于裝入試驗機(jī)的夾頭內(nèi)。為了使實驗測得的結(jié)果可以互相比較，試件必須按國家標(biāo)準(zhǔn)做成標(biāo)準(zhǔn)試件，即或。對于一般板的材料拉伸實驗，也應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)做成矩形截面試件。其截面面積和試件標(biāo)距關(guān)系為或，為標(biāo)距段內(nèi)的截面積。四、實驗方法與步驟1、低碳鋼的拉伸實驗：試件的準(zhǔn)備：在試件中段取標(biāo)距或在標(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（在每處的兩個互相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(jī)的準(zhǔn)備；首先了解材料試驗機(jī)的基本構(gòu)造原理和操作方法，學(xué)習(xí)試驗機(jī)的操作規(guī)程。根據(jù)低碳鋼的強度極限及試件的橫截面積，初步估計拉伸試件所需最大載荷，選擇合適的測力度盤，并配置相應(yīng)的擺錘，開動機(jī)器，將測力指針調(diào)到“零點”，然后調(diào)整試驗機(jī)下夾頭位置，將試件夾裝在夾頭內(nèi)。進(jìn)行實驗：試件夾緊后，給試件緩慢均勻加載，用試驗機(jī)上自動繪圖裝置，繪出外力和變形的關(guān)系曲線（曲線）如圖所示。從圖中可以看出，當(dāng)載荷增加到點時，拉伸圖上段是直線，表明此階段內(nèi)載荷與試件的變形成比例關(guān)系，即符合虎克定律的彈性變形范圍。當(dāng)載荷增加到點時，測力計指針停留不動或突然下降到點，然后在小的范圍內(nèi)擺動，這時變形增加很快，載荷增加很慢；這說明材料產(chǎn)生了流動（或者叫屈服）與點相應(yīng)的應(yīng)力叫上流動極限，與相應(yīng)的應(yīng)力叫下流動極限，因下流動極限比較穩(wěn)定，所以材料的流動極限一般規(guī)定按下流動極限取值。以點相對應(yīng)的載荷值除以試件的原始截面積即得到低碳鋼的流動極限，流動階段后，試件要承受更大的外力，才能繼續(xù)發(fā)生變形若要使塑性變形加大，必須增加載荷，如圖形中點至點這一段為強化階段。當(dāng)載荷達(dá)到最大值（點）時，試件的塑性變形集中在某一截面處的小段內(nèi)，此段發(fā)生截面收縮，即出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象。此時記下最大載荷值，用除以試件的原始截面積，就得到低碳鋼的強度極限。在試件發(fā)生“頸縮”后，由于截面積的減小，載荷迅速下降，到點試件斷裂。關(guān)閉機(jī)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，按下式可計算出低碳鋼的延伸率。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(xì)頸）處的直徑，計算出面積；按下式可計算出低碳鋼的截面收縮率，圖1-2 圖1-3從破壞后的低碳鋼試件上可以看到，各處的殘余伸長不是均勻分布的。離斷口愈近變形愈大，離斷口愈遠(yuǎn)則變形愈小，因此測得的數(shù)值與斷口的部位有關(guān)。為了統(tǒng)一值的計算，規(guī)定以斷口在標(biāo)距長度中央的區(qū)段內(nèi)為準(zhǔn)，來測量的值，若斷口不在區(qū)段內(nèi)時，需要采用斷口移中的方法進(jìn)行換算，其方法如下：設(shè)兩標(biāo)點到之間共刻有格，如圖1-4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起，向右取格，標(biāo)記為，這就相當(dāng)于把斷口擺在標(biāo)距中央，再看點至點有多少格，就由點向左取相同的格數(shù)，標(biāo)以記號，令表示到的長度，則的長度中包含的格數(shù)等于標(biāo)距長度內(nèi)的格數(shù)，故。當(dāng)斷口非常接近試件兩端，而與其頭部之距離等于或小于直徑的兩倍時，一般認(rèn)為實驗結(jié)果無效，需要重作實驗。2、鑄鐵的拉伸實驗：試件的準(zhǔn)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取最小值計算試件截面面積，根據(jù)鑄鐵的強度極限，估計拉伸試件的最大載荷。試驗機(jī)的準(zhǔn)備；與低碳鋼拉伸實驗相同進(jìn)行實驗：開動機(jī)器，緩慢均勻加載直到斷裂為止。記錄最大載荷，觀察自動繪圖裝置上的曲線，如圖1-3所示。將最大載荷值除以試件的原始截面積，就得到鑄鐵的強度極限。因為鑄鐵為脆性材料在變形很小的情況下就會斷裂，所以鑄鐵的延伸率和截面收縮率很小，很難測出。實驗二壓縮實驗在工程實際中，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(jī)械性能也不同，因此除了通過拉伸實驗了解金屬材料的拉伸性能外，有時還要作壓縮實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(jìn)行壓縮實驗，而對于塑性金屬或合金進(jìn)行壓縮實驗是主要目的是為了材料研究。例如灰鑄鐵在拉伸和壓縮時的強度極限不相同，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(jī)床底座、床身、汽缸、泵體等。一、實驗?zāi)康暮鸵鬁y定在壓縮時低碳鋼的流動極限，及灰鑄鐵的強度極限。觀察它們的破壞現(xiàn)象，并比較這兩種材料受壓時的特性。二、實驗準(zhǔn)備：材料試驗機(jī)、游標(biāo)卡尺三、試件金屬材料的壓縮試件一般制成圓柱形，如圖所示，并制定四、實驗方法與步驟1、低碳鋼的壓縮實驗試件準(zhǔn)備：用游標(biāo)卡尺測量試件的直徑。試驗機(jī)的準(zhǔn)備：首先了解試驗機(jī)的基本構(gòu)造原理和操作方法，學(xué)習(xí)試驗機(jī)的操作規(guī)程。選擇合適的測力刻度盤，配置相應(yīng)的擺錘，開動機(jī)器，將刻度盤指針調(diào)到零點，然后將試件盡量準(zhǔn)確地放在機(jī)器活動承墊中心上，使試件承受軸向壓力。進(jìn)行實驗：開動機(jī)器，使試件緩慢均勻加載，低碳鋼在壓縮過程中產(chǎn)生流動以前基本情況與拉伸時相同，載荷到達(dá)時，測力盤指針停止不動或倒退，這說明材料產(chǎn)生了流動，當(dāng)載荷超過點后，塑性變形逐漸增加，試件橫截面積逐漸明顯地增大，試件最后被壓成鼓形而不斷裂，故只能測出產(chǎn)生流動時的載荷，由得出材料受壓時的流動極限而得不出受壓時的強度極限。圖2-2 圖2-32、鑄鐵的壓縮實驗鑄鐵壓縮與低碳鋼的壓縮實驗方法相同，但鑄鐵受壓時在很小的變形下即發(fā)生破壞，只能測出，由得出材料強度極限。鑄鐵破壞時的裂縫約與軸線成角左右。五、注意事項試件一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注意減小油門，使之慢慢接觸，以免發(fā)生撞擊，損壞機(jī)器。鑄鐵壓縮時，應(yīng)注意安全，以防試件破壞時跳出打傷。六、討論題低碳鋼壓縮圖與拉伸圖有何區(qū)別？說明什么問題？鑄鐵的破壞形式說明什么問題？低碳鋼壓縮后為什么成鼓形？實驗三扭轉(zhuǎn)實驗在實際工程機(jī)械中，有很多傳動軸是在扭轉(zhuǎn)情況下工作，設(shè)計扭轉(zhuǎn)軸所用的許用剪應(yīng)力，是根據(jù)材料在扭轉(zhuǎn)破壞實驗時，所測出的剪切流動極限，或剪切強度極限而求得的。一、實驗?zāi)康囊蟮吞间摰募羟辛鲃訕O限、剪切強度極限、及鑄鐵的剪切強度極限。觀察斷口情況，進(jìn)行比較和分析。二、實驗設(shè)備和儀器扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)、劃線儀、游標(biāo)卡尺等三、扭轉(zhuǎn)試件根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，一般采用圓截面試件，標(biāo)距，標(biāo)距部分直徑。如圖4-1所示。圖4-1四、實驗方法與步驟1、低碳鋼試件的扭轉(zhuǎn)：試件的準(zhǔn)備：在試件標(biāo)距內(nèi)的中間和兩端三處測量直徑，取最小值作為直徑尺寸，計算抗扭截面系數(shù)。試驗機(jī)的準(zhǔn)備；首先了解扭轉(zhuǎn)機(jī)的基本構(gòu)造原理和操作方法，學(xué)習(xí)掌握扭轉(zhuǎn)機(jī)的操作規(guī)程。根據(jù)材料性質(zhì)，初步估所需最大扭矩，選擇合適的測力表盤，配置相應(yīng)的擺錘，測力指針調(diào)到“零點”。圖4-2圖4-3進(jìn)行實驗：將低碳鋼試件裝夾到試驗機(jī)上，用“手動”對試件緩慢均勻地加扭矩，加在試件上的扭矩和扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，如圖4-2所示。當(dāng)扭矩增加到點，（即）時，圖4-2中段為直線，表明此階段內(nèi)載荷與試件變形之間成比例關(guān)系，扭矩超過后。試件截面的外緣外處，材料發(fā)生流動形成環(huán)形塑性區(qū)，同時圖曲線稍微上上升，達(dá)到點趨于平坦，這時測力指針幾乎不動，這說明塑性區(qū)已擴(kuò)展為整個截面，材