材料力学A实验指导书

1、材料力学 A实验指导书（第一版）大连大学2012 年 12 月实验一 拉伸实验拉伸实验是测定材料力学性能最基本、 最重要的实验之一， 它为土木 工程设计、 机械制造及其他各种工业部门提供可靠的材料强度数据， 便于 合理地使用材料来保证结构构件、 机器零件的强度。 本实验将选用两种典 型的材料 低碳钢和铸铁，作为常温和静载下塑性和脆性材料的代表，做拉伸实验。一、实验目的1. 测定低碳钢的屈服极限、强度极限 、延伸率 和断面收缩率 。2. 测定铸铁的强度极限 。3. 观察拉伸过程的几个阶段、现象、绘制拉伸图。4. 比较低碳钢与铸铁的力学性能。二、实验设备及量具1. 电子万能试验机2. 游标卡尺3.

2、 钢尺三、试样试件一般制成圆形或矩形截面， 圆形截面形状如图 1 所示，试件中断 用于测量拉伸变形，此段的长度成为“标距” 。两端较粗部分是头部，为 装入试验机夹头内部分， 试件头部形状视试验机夹头要求而定， 可制成圆 柱形（图 1a）、阶梯形（图 1b）、螺纹形（图 1c）。图1 样件示图试验表明，试件的尺寸和形状对试验结果会有影响。 为了避免这种影 响，便于各种材料力学性能的数值互相比较， 所以对试件的尺寸和形状国 家都有统一规定，即所谓“标准试件” ，其形状尺寸的详细规定参阅国家 标准金属材料室温拉伸试验方法 GB/T228-2002。标准试件的直径为 ， 测标距 或 ，一般取 10mm

3、 或 20mm。矩形截面试件标 距 L 与横截面积 A 的比例为 或 。四、实验原理将划好刻度线的标准试件， 安装于电子万能试验机的上下夹头内。 试 验机备用各种形式的夹头， 一般采用楔形夹头如下左图， 该夹头内配有 V 形夹块和平夹块，适用于棒状试样和板状试样如下右图。低碳钢的拉伸曲线和铸铁拉伸曲线可通过自动记录装置绘制。 图 2-4 为低碳钢的拉伸图。 应当指出， 在加载的最初阶段， 由于夹持部位在夹头 内滑动较大， 因此所绘出的拉伸曲线最初为一段曲线。 典型的低碳钢拉伸 时力和变形的关系曲线（曲线），可分为弹性线性阶段（ OA）、屈服阶段（ AB）、强化阶段（ BCD）和局部变形阶段（

4、DE）。1. 屈服极限的测定 同低碳钢相类似的具有明显屈服现象的材料， 应测定其屈服强度。 在 屈服阶段，若载荷是恒定的， 则此时的应力成为屈服强度 。上屈服强度则是试样发生屈服而力首次下降前的最高应力，下屈服强度 则是屈 服期间不计初始瞬时效应时的最小应力。屈服强度 、上屈服强度 、 下屈服强度 分别按式（ 1）-（ 3）计算。（1）(2)(3)2. 强度极限的测定屈服阶段过后， 要使试样继续变形， 就必须增加载荷， 此时进入强化 阶段。试样拉至断裂， 从拉伸图上确定实验过程中的最大拉力值与原始横 截面值之比称为抗拉强度 。(4)3. 断后伸长率的测定试样拉断后，标距内的伸长与原始标距的百分

5、比称为断后伸长率(5)其中， 是试样断后标距。 测量时将其断裂部分在断裂处紧密对接在 一起，尽量使其轴线位于同一轴线上量取。 由于断口附近的塑性变形最大， 所以的 量取与端口部位有关。 的测定可采取以下方法之一。直测法：当断口到最邻近标距端点的距离大于 时，直接测量断 后标距。移位法：当断口到最邻近标距端点的距离小于或等于 时，需按下列方法测量 ：在长段上从拉断处 0 区基本等于 OA 的格数，得 B 点，若所剩的格 数为偶数，取剩余的格数一半得 C 点，见图 2(a)；若所剩余的格数为奇 数，所剩余的格数分别减 1 与加 1的一般，得 C 和 点，见图 2-5(b)。则移位后的断后标距 分别

6、为：（所剩余格数为偶数 ）（所剩余格数为偶数 ）图 2 移位示意图4. 断面收缩率的测定断面收缩率 是试样拉断后， 原始横截面积 与颈缩处最小横截面积之差与原始横截面积的百分率：由于断口不是规则的圆形， 应在两个互相垂直的方向上量取最小截面 的直径，取其平均值 计算 。五、低碳钢的拉伸试验步骤1. 测量试件尺寸：用游标卡尺在试件标距长度范围内，测量两端及中间 等三处截面的直径， 在每一处截面垂直交叉各测量一次。 取三处中最小一 处的平均直径计算横截面积（要求测量精度精确到0.02mm）。在试样标距长度内， 可以用两个小冲点或一系列等分细线做出原始标记， 用来为断 口位置的补偿做准备。2. 试验

7、机准备：根据试件横截面积和材料的大致强度极限，设定实验所 需的最大载荷。3. 安装试件：先将试件安装在试验机上夹头内，再开动下架头升降电机 （或转动下夹头升降手轮）使其达到适当的位置，然后把试件下端夹 紧，试件深入夹头部分要足够长切注意对中。4. 检查：先请指导教师检查以上步骤完成情况，并经准许后方可进行下 步实验。5. 实验：按预设的速率是试件缓慢匀速加载，注意观察试件拉伸过程中 的几个阶段和电脑屏幕显示的曲线，读出下屈服力及最大拉力。6. 低碳钢延伸率和截面收缩率的测定 去下拉断后的试件，用游标卡尺 测定断裂后的标距长度 及断口处的最小直径 。观察、分析对比。7. 计算强度指标、 塑性指标

8、。 实验出现下列情况之一者， 实验结果无效；（ 1） 试样在标距外断裂，造成性能指标不合格。（ 2） 由于操作不当而致试样受力偏心。（ 3） 实验记录有误或设备发生故障而影响实验结果准确性遇有上述实验结果无效时，应补做同样数量试样的实验。表 1 拉伸试件尺寸数据直径材料标距截面截面截面横截面 积(1)(2)平 均(1)(2)平 均(1)(2)平 均低碳 钢铸铁六、数据处理与表示1. 试样原始截面计算值应修约到两位有效数字2. 比例试样的原始标距计算值，应精确到± 0.5%。对于短比试样应修约 到接近 10mm 的倍数，如为中间数值则向较大的一方修约。七、思考题1. 试述低碳钢拉伸过程

9、四个阶段的力学特性。2. 试比较低碳钢与铸铁的拉伸力学性能。3. 从不同断口形状说明材料的两种基本破坏形式。4. 为什么不顾断口的明显缩小，仍以原始截面面积 计算低碳钢的拉伸 强度？实验二 弹性模量 E 及泊松比 的测定一、实验目的1. 了解电测静应力实验的基本原理和方法，并做初步操作练习2. 在比例极限内测定钢材的弹性模量 E 和泊松比 。3. 验证胡克定律。二、实验设备及量具1.材料力学多功能实验台主机力 /应变 综合参数测试仪2.游标卡尺三、实验原理杆件受轴向拉伸时，在比例极限内由胡克定律可知：P弹性模量： E（1）泊 松 比：S0 纵横（2）式中， P拉伸力；S杆件的横截面面积；纵 纵

10、向线应变；横 横向线应变、纵由（ 1）式、（ 2）式可见，求 E， 需先测出线应变，本实验采用电测静应变的 方法，它是工程上最常用测定变形的方法之一。本次实验在测试 E， 时，采用分段等间距加载法， 即从初始拉力 p0 到最高拉 力 pmax 等分为若干级进行读数，其好处是可以避开初始时的系统影响，并能及时发 现试验中是否有差错，以及数据重复性和读数差值的离散性如何，并观察符合胡克定律的程度、这样，应以读数的平均值计算PBt X3）（4）式中， P 每级拉力增量，单位牛顿；X Y 分别相应于 P 的纵向和横向线应变增量， 单位均为应变 （ ）；B， t分别为板试件的宽度和厚度，单位为毫米。实验

11、装置见图 1，采用板试样，在试件的正、反两面各贴有一片纵向电阻片和一片横向电阻片。其目的为消除试件负荷偏心影响，测定结果的准确度大为提高。图1 实验装置四、实验步骤1. 在试样标距内两端及中间处测量厚度和宽度。 将三处测得的横截面 积的算术平均值作为试样原始横截面积。2. 估算材料在弹性范围内最大允许载荷 F max ，制定加载方案。采用 分段等间距加载方案，确定初始载荷 F0 ，载荷等级及每次载荷增量 F3. 熟悉与掌握电阻应变仪操作方法、104. 取 K仪=K片 ，把电阻片的导线接到应变仪上，并调平应变仪。5. 待一切正常，正式开机实验。顺时针旋转加载手轮，对试件旋加拉 力，采用等分段加载

12、法，取 P1=1KN， P max =5KN ， P =1KN 。将测试 数据填入表 1，每片工作片测读三遍，共测读四个工作片。6. 测度完毕，检查数据，若不符合要求应重新测试。最后经指导教师 鉴定。表 1 测试数据表荷载 （ KN ）纵（横）向片二三读数差值读数差值读数差值P1=P2=P3=P4=P5=平均差值123五、数据处理1.计算每一个电阻应变片各遍读数的算术平均值：ni1 i（ 5）n再将正反两面纵向片横向片的算术平均值分别取平均值后， 代入（3） 式和（ 4）式计算 E 和 。2.画出各片的 P 图，观察其符合胡克定律的程度。六、思考题1.为什么测试时，要采用分段等间距加载法？为什

13、么不测 F=0 时的读数？2.为什么要在试件的正、反两面对称地贴电阻应变片？11实验三 梁的纯弯曲正应力的测定一、 实验目的1测定梁纯弯曲段正应力大小及分布，并与理论计算结果进行作比较； 2进一步熟悉电测静应力法的原理和操作方法，掌握应变仪的操作。二、 实验设备仪器及装置主机 1材料力学多功能实验台力/ 应变综合参数测试仪2、游标卡尺及钢尺。三、实验原理 由理论推导出梁纯弯曲时横截面上的正应力公式为MY理 I（ 1）Iz式中 M 纯弯曲段截面上弯矩；Iz 矩形截面对中性轴 Z 的惯性矩；Y 截面上所测点距中性轴的距离；图 1 纯弯曲梁力学模型为了验证此理论公式的正确性， 在梁纯弯曲段的侧面，

14、沿不同的高度 粘贴了电阻应变片， 测量方向均平行于梁轴线， 布片方案及各片的编号见 图 1 所示，这样，以测定五个不同高度处的线应变来得到相应的正应力12实验测定的各点正应力值为2)i =E i式中 i高度为 yi 的 i 点的测定应变；E 材料的弹性模量。(i) E (i)3)在比例极限内要对梁反复加荷测定， 因而采取分段等间距加载读测得 方法观察符合胡克定律的情况，并得到弯矩增量 M=1 Fa 下的应变增 2 量 。从而测定应力值增量式中 (i ) 为 i 点应变增量的各遍平均 值。与之相比较的理论值：(i)FaY2I4)式中 a 梁的支点到弯曲压头的距离如测定过程正常，则各遍应变增量离散

15、度应在规定范围内13四、实验步骤1 、测量实验梁的高度和厚度。2、估算材料在弹性范围内最大允许载荷 Fmax，制定加载方案。 采用分 段等间距加载方案，确定初始载荷 F0，载荷等级及每次载荷增量 F。3、熟悉和掌握电阻应变仪操作方法。4、取 K仪=K 片，把电阻片的导线接到应变仪上，并调平应变仪。5、待一切正常，正式开机实验。顺时针旋转加载手轮，对试件旋加 拉力，采用等分段加载法，取 P1=800N，Pmax=4000N，P=800N。将测试数 据填入表 1，每片工作片测读三遍，工测度四个工作片。6、测读完毕，检查数据，若不符合要求应重新测试。最后经指导教 师鉴定。五、数据计算1 、计算每个测试点应变的算术平均值n式中 i 为 I 点应变增