单元7 材料力学实验.

1、单元单元7 材料力学实验材料力学实验教学目标：1.了解材料力学实验的基本知识；2.掌握金属拉压实验的基本操作步骤。本单元内容本单元内容金属轴向压缩实验金属轴向压缩实验 7.2金属转向拉伸实验金属转向拉伸实验 7.17.1金属拉伸实验金属拉伸实验返回下一页上一页7.1.1实验目的实验目的返回下一页上一页（1） 观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化和颈缩等现象），特别是外力和变形间的关系，并绘制拉伸图。（2） 测定低碳钢的屈服极限s 、强度极限b ;延伸率和截面收缩率。（3） 测定铸铁的强度极限b 。（4） 观察试件断口，比较低碳钢和铸铁两种材料的拉伸时的力学性能和破坏特点。7.

2、1.2实验设备和仪器实验设备和仪器返回下一页上一页（1） 万能材料实验机（2） 游标卡尺7.1.3实验原理实验原理返回下一页上一页为了便于比较实验结果，按国家标准GB/T2282002中的有关规定，实验材料要按上述标准做成比例试件，即圆形截面试件 （长试件） （短试件）矩形截面试件 （长试件） （短试件）式中：试件的初始计算长度（即试件的的标距）；试件的初始截面面积；试件标距段的初始直径。实验室里使用的金属拉伸试件通常制成标准圆形截面试件，如图7.1所示。0010dl 005dl 003 .11Al 0065. 5Al 0l0A0d图7.17.1.3实验原理实验原理返回下一页上一页金属拉伸实验

3、是测定金属材料力学性能的一个最基本的实验，是了解材料力学性能最全面、最方便的实验。本实验主要是测定低碳钢和铸铁在轴向静载拉伸过程中的力学性能。在实验过程中，利用实验机的自动绘图装置可绘出低碳钢的拉伸图（如图7.2（a）所示）和铸铁的拉伸图（如图7.2（b）所示）。由于试件在开始受力时，其两端的夹紧部分在实验机的夹头内有一定的滑动，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。图7.2试件拉伸达到最大载荷之前，在标距范围内的变形是均匀的。从最大载荷开始，试件产生颈缩，截面迅速变细，载荷也随之减小。因此，测力度盘上的主动针开始回转，而从动针则停留在最大载荷的刻度上，给我们指示出最大载荷Fb，则材料的强度极限为：

4、7.1.3实验原理实验原理返回下一页上一页 对于低碳钢，在确定屈服载荷FS时，必须注意观察试件屈服时测力度盘上主动针的转动情况，国标规定主动针停止转动时的恒定载荷或第一次回转的最小载荷值为屈服载荷FS ，故材料的屈服极限为： 0AFss0AFbb7.1.3实验原理实验原理试件断裂后，将试件的断口对齐，测量出断裂后的标距和断口处的最小直径，则材料的延伸率和截面收缩率分别为：1l1d%100001lll%100010AAA式中，、分别为实验前的标距和横截面面积；、分别为实验后的标距和断口处的横截面面积。0l1l0A1A返回下一页上一页7.1.3实验原理实验原理返回下一页上一页如果断口不在试件距中部

5、的三分之一区段内，则应按国家标准规定采用断口移中法来计算试件拉断后的标距。其具体方法是：实验前先在试件的标距内，用刻线器刻划等间距的标点或圆周线11个，即将标距长度分为10等份。实验后将拉断的试件断口对齐，如图7.3所示，以断口O为起点，在长段上取基本等于短段的格数得B点。当长段所余格数为偶数时，如图7.3(a)所示，则取所余格数的一半得出C点，于是1lBCABl21若长段所余格数为奇数时，如图7.3(b)所示，可在长段上取所余格数减1之半得C点，再取所余格数加1之半得C1点，于是11BCBCABl 当断口非常接近试件两端部，而与其端部的距离等于或小于直径的两倍时，需重作实验。图7.37.1.

6、4实验方法和步骤实验方法和步骤返回下一页上一页1试件准备先用游标卡尺测量试件中间等直杆段两端及中间这三个横截面处的直径；在每一横截面内沿互相垂直的两个直径方向各测量一次直径并取其平均值。用所测得的三个平均值中最小的值作为试件的初始直径，并按计算试件的初始横截面面积。再根据试件的初始直径计算试件的标距，并用游标卡尺在试件中部等直杆段内量取试件标距，用刻线器将标距长度分为十等份。2实验机准备熟悉万能实验机的操作规程。估算拉伸实验所需的最大载荷，并根据值选定实验机的测力度盘（值在测力度盘4080范围内较宜）。调整测力指针对准零点，并使从动指针与之靠拢，同时调整好自动绘图装置。3试件安装先将试件安装在

7、实验机的上夹头内，再移动下夹头到适当位置，并把试件下端夹紧。0d0d0A0d0l0lbFbFbF7.1.4实验方法和步骤实验方法和步骤返回下一页上一页4检查及试机请教师检查以上准备情况。经教师许可后开动实验机，加少量载荷（勿使应力超过比例极限），检查实验机和绘图装置工作是否正常，然后卸载。5进行实验开动实验机以慢速均匀加载，注意观察测力指针的转动、自动绘图情况及试件在拉伸过程中的各种现象。当测力指针不动或倒退时，说明材料开始屈服，测力指针停止转动时的恒定值或第一次回转的最小值就是屈服载荷。当测力指针和从动指针再次分离时，试件开始颈缩，直至最后被拉断。测力指针回到零点，而从动指针则指示出最大载荷

8、。关闭实验机，取下试件。将断裂的试件对齐并尽量靠紧，用游标卡尺测量拉断后标距段的长度及断口处最小直径。7.1.4实验方法和步骤实验方法和步骤返回下一页上一页6结束实验从实验机上取下已绘好的拉伸曲线图纸，并请教师检查实验记录。清理实验现场，将实验机复原、归还有关工具，填写实验记录。7注意事项（1）参看液压式万能材料实验机的工作原理及操作注意事项。（2）试件安装必须正确，防止试件偏斜、夹入部分过短等现象。（3）实验时听见异常声音或发生任何故障，应立即停止，并马上报告实验指导教师。7.1.5实验结果处理实验结果处理返回下一页上一页整理实验数据，按要求填写实验报告并写出结论。铸铁拉伸实验步骤与低碳钢拉

9、伸实验步骤相同，只记录最大载荷并绘出拉伸曲线。7.2金属压缩实验金属压缩实验返回下一页上一页7.2.1实验目的实验目的返回下一页上一页 （1） 测定低碳钢压缩时的屈服极限s。 （2） 测定铸铁压缩时的强度极限b。 （3） 观察低碳钢和铸铁压缩时的变形过程和破坏现象，并分析破坏原因。7.2.2实验设备和仪器实验设备和仪器返回下一页上一页（1） 液压式万能材料实验机（2） 游标卡尺7.2.3实验原理实验原理返回下一页上一页图7.4图7.5金属材料的压缩试件一般制成圆柱形，如图7.4所示。一般规定：试件细长容易压弯，太短则其端面与实验机垫板之间的摩擦力会对其承载能力产生较大影响。为了尽量使试件承受轴

10、向压力，试件两端面必须完全平行，并且与试件轴线保持垂直。试件端面的加工光洁度要高，试件接触面要适当润滑，以减小摩擦的影响。实验台上最好附加球面承垫，如图7.5所示，以使压力自动调中，保证试件承受均匀的轴向压力。 3100dh7.2.3实验原理实验原理返回下一页上一页实验时，实验机的自动绘图装置自动绘出试件的压缩图。由如图7.6（a）所示的低碳钢压缩图可知：低碳钢在均匀缓慢加载下，试件开始变形时服从虎克定律，说明低碳钢压缩变形的第一阶段仍为弹性阶段；当出现变形增长较快的非线性曲线小段时，表示进入了压缩屈服阶段，但是，这时并不像拉伸实验那样有明显的的测力指针回转和摆动，而只是测力指针转动减慢、稍微

11、的停顿或倒退，此时的载荷即为屈服载荷F，其屈服极限为：0AFss7.2.3实验原理实验原理此后，压缩图形沿曲线继续上升，塑性变形迅速增长，试件越压越扁而不会断裂，故无法测出最大载荷及其强度极限。所以当加载超过屈服点后，试件被压成鼓形时应停止实验。从图7.6（b）所示的铸铁压缩图可以看出：对于铸铁来说，其压缩图无明显的直线部分，也没有屈服阶段。试件承载达到最大载荷Fb之前没有明显的塑性变形。达到Fb时就突然破坏并沿与试件轴线大约成45角的斜截面断裂，此时测力指针迅速倒退到零点，从动指针指出最大载荷值Fb ，其强度极限为0AFbb返回下一页上一页7.2.3实验原理实验原理返回下一页上一页铸铁试件的

12、断裂面与试件轴线大约成45角，说明破坏主要是由剪应力引起的。图7.67.2.4实验方法和步骤实验方法和步骤返回下一页上一页1试件准备用游标卡尺测量试件两端及中间三处横截面的直径，取三处中平均直径最小者来计算横截面面积(具体做法与拉伸实验相同)。2实验机准备根据低碳钢的屈服极限估算其屈服载荷，选择测力度盘 ; 指针调零，并调整好自动绘图装置。3试件安装将试件两端面涂以润滑剂，然后准确地放在实验机工作平台的下垫板或球面承垫的中心处。7.2.4实验方法和步骤实验方法和步骤返回下一页上一页4检查及试机请教师检查以上各步骤准备情况。空升实验机的工作平台，使试件随之上升，当试件上端面与实验机的上垫板接近时

13、（注意不要使二者接触受力），减慢活动台上升的速度，使试件与实验机上垫板刚刚接触且没有受力。然后用慢速预先加少量载荷，卸载接近零点，以检查实验机工作是否正常。5进行实验缓慢均匀地加载。注意观察测力指针的转动情况和自动绘图情况，及时记录屈服载荷，继续加载使试件压成鼓形后即可停机。所加载荷不得超过测力度盘的量程。6结束实验与拉伸实验相同。铸铁试件的压缩实验步骤与低碳钢压缩实验步骤相同，其不同点是：安装试件后要在试件周围加防护罩，以免试件破裂时碎片飞出伤人，加载至铸铁试件出现裂纹破坏后停机，记录铸铁试件破坏时的最大载荷。7.2.5实验结果处理返回下一页上一页整理实验数据，按要求填写实验报告并写出结论。

14、知识拓展知识拓展 材料力学实验基本知识材料力学实验基本知识返回下一页上一页实验是进行科学研究的重要手段，对材料力学有其更重要的一面。因为材料力学理论的建立和验证、强度计算中极限应力的测定等无不以严格的实验为基础，实际工程中某些构件的几何形状和荷载都很复杂，难以靠单纯的计算取得构件中应力的正确值，而必须借助于实验应力分析的手段。因此，材料力学实验是材料力学课程中不可缺少的实践性教学环节。通过实验可以使学生巩固和加深理解所学的基本理论知识，掌握测定材料力学性质的实验的基本知识、基本技能和基本方法，了解实验应力分析的基本概念和初步掌握验证材料力学理论的方法，培养学生的动手能力，既掌握一定的实验技术、

15、机器仪器的操作、现代技术在材料力学实验中的应用以及实验方法等，又养成严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学习惯，对提高学生在今后工作中的实际能力有着重要而深远的意义。知识拓展知识拓展 材料力学实验基本知识材料力学实验基本知识返回下一页上一页1. 实验内容简介 材料力学实验按其性质一般分为三个方面：材料力学性质的测定实验、材料力学理论的验证性实验、应力分析实验。知识拓展知识拓展 材料力学实验基本知识材料力学实验基本知识返回下一页上一页（1）测定材料的力学性质材料力学是关于构件及结构的强度、刚度和稳定性的科学，主要任务是为按照安全与经济的原则去设计各种构件（主要是等直杆）提供计算理论和计算方法。要合理

16、使用材料，就必须了解各种材料的力学性质，就要进行相应的实验，这便是材料力学实验的一个重要任务。所谓材料的力学性质，主要是指材料在外力作用下表现出来的变形和破坏方面的性能指标。材料的力学性质包括材料的弹性性能指标（如比例极限、弹性极限、弹性模量、泊松比等）、材料的强度指标（如屈服极限、强度极限等）、材料的塑性指标（如材料的延伸率、截面收缩率等），还有材料的持久性指标等等，这些都是构件设计计算的基本参数和依据。这些参数一般要通过材料的拉伸、压缩、扭转、剪切、疲劳等实验来测定。随着材料科学的发展，各种新型合金材料、合成材料不断出现，测定材料的力学性质是研究每一种新型材料的首要任务。让学生按照国家标准

17、规范地进行这些实验，可以使学生巩固所学的材料力学性质的知识，初步掌握测定材料力学性质的基本操作方法。测定材料力学性质的实验是多种多样的，其中常温、静载条件的材料轴向拉伸和压缩实验是最简单、最基本的一种。返回下一页上一页知识拓展知识拓展 材料力学实验基本知识材料力学实验基本知识（）验证材料力学的重要理论及公式材料力学的理论及公式都是建立在简化和假设的基础上，如变形固体的基本假设、杆件基本变形中的平面假设等。将实际构件抽象成理想的力学模型、提出假设、推导并建立相关理论及公式，这就是材料力学研究问题的基本方法和过程，其中的简化假设多来自实验观察，所建立的理论及公式是否正确必须经过实验进行验证，这就是

18、材料力学实验的第二个任务。梁的弯曲正应力实验便属于这一类实验。此外，一些近似解答的精确度也必须经过实验验证后才能在工程实际中使用。通过这类实验可以加深对材料力学理论及公式的认识和理解，明确理论及公式的正确性和使用范围，从而让学生学会验证理论及公式的实验方法。返回下一页上一页（）实验应力分析工程实际中，有些构件、零部件的几何形状不规则或受力较复杂，其应力分布情况及相应的强度计算没有合适的理论或单靠理论计算难以得到满意的结论，在这种情况下，采用电测法、光弹性法、云纹法、全息干涉法等方法，通过模型或直接在现场测定实际结构中的应力和变形再进行分析计算，便成为最有效的方法，这种方法就是实验应力分析。应力

19、分析实验采用了较先进的科学技术和仪器来解决理论计算难以解决的问题。通过这类实验有利于开发学生的智力、扩充学生的知识面，培养学生学会运用基本理论确定科学实验方案、分析实验现象和解决具体问题的能力。其中的电测法在工程实际中得到了广泛的应用。知识拓展知识拓展 材料力学实验基本知识材料力学实验基本知识返回下一页上一页2. 材料力学实验须知）实验标准 材料的力学性质，如屈服极限、强度极限、材料的延伸率等，虽是材料的固有属性，却与试件的形状及尺寸、加工精度、实验环境、加载速度等有关。为使实验结果具有可比性，国家对试件的取材、形状及尺寸、加工精度、实验手段及方法、数据处理等做出了统一规定，即国家标准。）实验程序及相关要求为了保证实验能够正常进行、获得较好的教学效果，应严格执行正常的实验程序。完整的实验程序包括：实验前的准备，实验中的观察、测量和记录，整理实验结果并填写实验报告。知识拓展知识拓展 材料力学实验基本知识材料力学实验基本知识返回下一页上一页 实验前的准备实验前的准备工作是实验顺利进行的保证。实验前的准备工作有： 复习有关理论部分并认真阅读实验指导书，基本上了解实验的目的、内容、程序、有关机器仪器的