材料力学实验指导书

1、力学实验指导书工程力学实验室实验是进行科学研究的重要方法， 科学史上许多重大发明是依靠科学实验而得到的， 许多新理论的建立也要靠实验来验证。例如材料力学中应力应变的线性关系就是虎克于 1668年到 1678 年间作了一系列的弹簧实验之后建立起来的。 不仅如此，实验对材料力学 有着更重要的一面，因为材料力学的理论是建立在将真实材料理想化，实际构件典型化， 公式推导假设化基础之上的，它的结论是否正确以及能否在工程中应用，都只有通过实 验验证才能断定。在解决工程设计的强度，刚度等问题时，首先要知道材料的力学性能 和表达力学性能的材料常数。这些常数只有靠材料试验才能测试。有时实际工程中构件 的几何形状

2、和载荷都十分复杂，构件中的应力单纯靠计算难以得到正确的数据，这种情 况下必须借助于实验应力分析的手段才能解决。所以材料力学实验是学习材料力学课程 不可缺少的重要环节。材料力学实验包括以下三个方面的内容。一、测定材料的力学性质。材料的力学性质通常是通过拉伸、压缩、扭转、断裂韧 性测试等试验来测定的。通过这些试验，学会测量材料力学性能的基本方法。在工程上， 各种材料的力学性能是设计构件时不可缺少的依据。二、验证理论公式的正确性。在理论分析中，将实际问题抽象为理想模型，并做出 某些科学假设（如弯曲中的平截面假定等） ，使问题简化，从而推出一般性结论和公式， 这是理论研究中常用的方法。但是这些假设和结

3、论是否正确，理论公式能否应用于实际 之中，必须通过实验来验证。三、实验应力分析。在工程实践中，很多构件的形状和受载情况比较复杂，单纯依 靠理论计算不易得到正确的结果，必须用实验的方法来了解构件的应力分布规律，从而 解决强度问题，这种办法称为实验应力分析。目前实验应力分析的方法很多，这里只介 绍应用较广的电测法。通过材料力学的实验课，要求学生初步掌握试验方法；各种试验机、电阻应变仪等 试验设备的使用方法；以及实验结果整理方法等基本内容。实验守则一、要按指定的时间进行实验。准时进入实验室，不得迟到、早退。二、每次实验前，要仔细阅读实验指导书，基本了解实验内容，目的，实验步骤及 机器和仪器的主要原理

4、与使用方法等。三、以小组为单位进行实验。小组长负责管理使用的设备，并组织分工和统一指挥。四、要爱护实验室的一切设备，非指定使用的机器设备不得乱动，以免发生危险或 损坏事故。五、在实验过程中，如机器或仪器发生故障应立即向实验指导人员报告，进行检查 以便及时排除故障，保证实验的正常进行。六、实验结束后，要清理机器、仪器工具。如有损坏、应及时向实验指导人员报告， 听候处理。七、要保持实验室的清洁和安静，养成良好的科学作风。八、实验完毕后，要认真做好实验报告，并对思考进行讨论。实验一 （ 一 ） 拉伸实验拉伸实验是检验材料机械性能的最基本的实验。一、实验目的1了解试验设备万能材料试验机的构造和工作原理

5、，掌握其操作规程及使用时 的注意事项。2测定低碳钢的屈服极限 （流动极限 ）s, 强度极限 b、伸长率 、断面收缩率3测定铸铁的强度极限 b。4观察以上两种材料在拉伸过程中的各种现象，并利用自动绘图装置绘制拉伸图 （P一 L 曲线）。5比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）拉伸时的机械性质。二、实验设备和量具1量具：游标卡尺、钢尺、分规。2设备：万能材料试验机。图 1-1 液压式万能材料试验机外形图面将万能材料试验机的构造、工作原理及操作规程介绍如下：在材料力学实验中，最常用的机器是万能材料试验机。它可以做拉伸、压缩、剪切、弯曲等试验，故习惯上称它为万能材料试验机，简称为全能机。全能机有多种

6、类型。这 里仅对常用的两种类型介绍如下：）WE10 型液压摆式万能材料试验机WE10 型液压摆式万能材料试验机的外形如图 11，它的构造原理示意图如图图 1-2 液压摆式万能材料试验机原理示意图（1）加力部分 在试验机的底座上，装有两根固定立柱 2，立柱支承着固定横梁 3 及工作油缸 4。当开动油泵电动机后，电动机带动油泵 5，将油箱里的油，经送油阀 23 送至工作油缸 4，推动其工作活塞 6，使上横梁 7、活动立柱 8 和活动平台 9向上移动。 如将拉伸样装于上夹头 10 和下夹头 11 内，当活动平台向上移动时，因下夹头不动，而 上夹头随着平台向上移动，则试样受到拉伸；如将试样装于平台的承

7、压座12 内，平台上升时，则试样受到压缩。做拉伸实验时，为了适应不同长度的试样，可开动下夹头的电动机使之带动蜗杆、 蜗杆带动蜗轮、蜗轮再带动丝杆，可控制下夹头上、下移动，调整适当的拉伸空间。（2）测力部分 装在试验机上的试样受力后，它受力大小，可在测力盘上直接读出。 试样受了载荷的作用，工作油缸内的油就具有一定的压力。这压力的大小与试样所受载 荷的大小成比例。而测力油管将工作油缸与测力油缸 14 联通，则测力油缸就受到与工作 油缸相等的油压。此油压推动测力活塞 15，带动测力拉杆，使摆杆 21和摆锤 16 绕支点 转动。试样受力愈大，摆的转角也愈大。 摆杆转动时，它上面的推杆便推动水平齿条 1

8、7， 从而使齿轮带动测力指针旋转，这样便可从测力度盘上读出试样受力的大小。摆锤的重 量可以调换，一般试验机可以更换三种锤重，故测力度盘上也相应有三种刻度，这三种 刻度对应着机器的三种不同的量程。 WE10 型万能试验机有 020KN、060KN、0 100KN三种测量量程。（3）操作步骤加载前，测力指针应指在度盘的“零”点，否则必须加以调整。调整时，先开动 油泵电动机， 将活动平台升起 35mm左右，然后稍旋动摆杆上的平衡铊 20，使摆杆保持 铅直位置，再转动水平齿条使指针对准“零”点。其所以先升起活动平台才调整零点的 原因，是由于上横梁、活动立柱 8 和活动平台等有相当大的质量，要有一定的油

9、压才能 将它升起。但是这部分油压并未用来给试样加载，不应反映到试样载荷的读数中去。选择量程，装上相应的锤重。再一次按方法，校准“零”点。调好回油缓冲器 的旋钮，使之与所选的量程相同。安装试样。压缩试样必须放置垫板。拉伸试样则须调整下夹头位置，使拉伸区间 与试样长短适应。注意：试样夹紧后，绝对不允许再调整下夹头，否则会造成烧毁下夹 头电动机的严重事故。调整好自动绘图仪的传动装置和笔、纸等。检查送油、回油阀，一定要注意它们均应在关闭位置。开动油泵电动机，缓缓打开送油阀，用慢速均匀加载。实验完毕，立即停车取下试样。这时关闭送油阀，缓慢打开回油阀，使油液泄回 油箱，于是活动平台到原始位置。最后将一切机

10、构复原，并清理机器。（4）注意事项开车前和停车后，送油阀、回油阀一定要在关闭位置。加载、卸载和回油均应缓 慢进行。加载时要求测力指针匀速平稳地走动，应严防送油阀开得过大，测力指针走动 太快，致使试样受到冲击作用。拉伸试样夹住后，不得再调整下夹头的位置，以使带动下夹头升降的电动机烧坏。机器运转时，操纵者必须集中注意力，中途不得离开，以免发生安全事故。试验时，不得触动摆锤，以免影响试验读数。在使用机器的过程中，如果听到异声或发生任何故障应立即停车（切断电源） ，进 行检查和修复。三、实验原理1 为了检验低碳钢拉伸时的机械性质，应使试样轴向受拉直到断裂，在拉伸过程中 以及试样断裂后，测读出必要的特征

11、数据（如； PS、Pb、L1、dl ）经过计算，便可得到表示材料力学性能的四大指标：铸铁属脆性材料，轴向拉伸时，在变形很小的情况下就断裂，故一般测定其抗拉 强度极限 b。四、实验试样试样的各部分名称如图 l 4。夹持部分用来装入试验 机夹具中以便夹紧试样，过渡部分用来保证标距部分能均匀受力，这两部分的形状和尺寸，决定于试样的截面形状 和尺寸以及机器夹具类型。标距 10 是待试部分，也是试样的主体，其长度通常简称为标距，也称为计算长度试样的尺寸和形状对材料的塑性性质影响很大。 为了能正确地比较材料的机械性质， 国家对试样尺寸作了标准化规定。拉伸试样分比例试样和非比例试样两种。比例试样系按公式10

12、 K A0 计算而得 式中 10为标距，A0为标距部分原始截面积，系数 K 通常为 5.65 和11.3 （前者称为短试 样，后者称为长试样） 。据此，短、长圆形试样的标距长度 10 分别等于 5d010d0。非比例 试样的标距与其原横截面间无上述一定的关系。根据国家标准（ GB228 76）将比例试样尺寸列表如下：试样标距长度 L0（mm）横截面积 A0（ mm）圆形试样直 径表示伸长率 的符号比长11.3 A010d0任意的任意的10例短5.65 A05d05表中 d0表示试样标距部分的原始直径， 10， 5分别表示标距长度 L0为 d0的 10倍或 5 倍的试样伸长率。常用试样的形状尺寸

13、、光洁度等可查国家标准 GB228 76 中的附录五、实验方法及步骤低碳钢试样的拉伸实验）测定试样的截面尺寸圆试样测定其直径 d0的方法是：在试样标距长度的两端 和中间三处予以测量，每处在两个相互垂直的方向上各测一次，取其算术平均值，然后 取这三个平均数的最小值作为 d0；矩形试样测三个截面的宽度 b 与厚度 a，求出相应的三 个 A0，取最小的值作为 A0。A0的计算精确度：当 A0100mm2 时 A0 取小数点后面一位，当 A0100mm2时 A0取整数。所需位数以后的数字按四舍五入处理。2 ）试样标距长度 10除了要根据圆试样的直径 d0或矩形试样的截面积 A0来确定外， 还应将其化整

14、到 5mm或 10mm的倍数。小于 1.5mm的数值舍去之；等于或大于 2.5mm但小 于 7.5 者化整为 5mm；等于或大于 7.5mm者进为 10mm。在标距长度的两端各打一小标点， 此二点的位置， 应做到使其联线平行于试样的轴线。 两标点之间用分划器等分 10 格或 20 格，并刻出分格线，以便观察变形分布情况，测定延伸率 。）根据低碳钢的强度极限，估计加在试样上的最大载荷，据此选择适当的机器量程 （也称载荷级）。每台全能机都有几个载荷级，其刻度范围均自零至该级载荷的最大值。由于机器测 力部分本身精确度的限制，每级载荷的刻度范围只有一部分是有效的。有效部分的规律 如下：下限不小于该载荷

15、级最大值的 10，且不小于整机最大载荷的 4。 上限不大于该载荷级最大值的 90。实验时应保证全部待测载荷均在此范围之内。就本次实验来说，也就是须保证屈服 载荷 Ps和极限载荷 Pb均在该范围之内。 假使机器有两个载荷级都能满足要求， 则应取较 小的载荷级以提高载荷测读精度。选定好机器量程，挂好相应摆锤之后就可按一般程序调整试验机，安装试样，并试 车一次，即预加少量载荷然后卸载，至零点附近。试车的目的是检查包括自动绘图装置 在内的试验机工作是否正常。）试车正常后，正式实验即可开始。 用慢速加载，使试样的变形匀速增长。国家标准规定的拉伸速度是：屈服前，应力 增加速度为 10Nmm2s（1kgf

16、mm2s），屈服后，试验机活动夹头在负荷下的移动速度 不大于 0.51 0min。在试样匀速变形的过程中，测力盘上的指针起初也是匀速前进的， 但是，当指针停止前进或来回摆时就表明试样进入屈服阶段，读出此时的最小载荷Ps。借助于试验机上自动绘出的载荷变形曲线可以帮助我们更好的判断屈服阶段的到 达。对于 A3 钢来说，屈服时的曲线如图 15（a） 所示，其中 PS上叫做上屈服载荷，与锯齿 状曲线段最低点相应的最小载荷 PS下叫下屈服载荷。 由于上屈服载荷随试样过度部分的不 同而有很大差异，而下屈服载荷则基本一致，因此一般规定以下屈服载荷来计算屈服极限 s Ps / A0 ,Ps下 / A0。有些材

17、料，屈服时的 PL曲线基本上是一个平台的曲线而不是呈现出锯齿形状，如图 1 5(b) 所示。 屈服阶段终了以后，要使试样继续变形，就必须加大载荷。这时载荷变形曲线 将开始上升。不同钢材的屈服图材料进入强化阶段。如果在这一阶段的某一点处进行卸载，则可以在自动绘图仪上 得到一条卸载曲线，实验表明，它与曲线的起始直线部分基本平行。卸载后若重新加载， 加载曲线则沿原卸载曲线上升直到该点，此后曲线基本上与未经卸载的曲线重合，这就是冷作硬化效应图 1-6 低碳钢拉伸图随着实验的继续进行，载荷变形曲线将前因后果趋平缓。当载荷达到最大Pb 之后，测力指针也相应地由慢到快地回转。 最后试样断裂。根据测得的 Pb

18、可以按 b Pb /A0 计算出强度极限 b试样断后标距部分长度 11 的测量：将试样拉断后的两段在拉断处紧密对接起来，尽 量使其轴线位于一条直线上。拉断处由于各种原因形成缝隙，则此缝隙应计入试样拉断 后的标距部分长度内。 11 用下述方法之一测定。直测法：如拉断处到邻近标距端点的距离大于 103 时，可直接测量两端点间的长度。 移位法：如拉断处到邻近标距端点的距离小于 103 时，则可按下法确定 11：在长段上从拉断处 0 取基本等于短段格数，得 B 点，接着取等于长段所余格数（偶 数，图 l 7a）之半，得 C点；或者取余格数（奇数，图 1 一 7b）减 1 与加 1 之半，分 别得 C与

19、C1点，移位后的 11分别为 AOOB2BC或 AOOBBCBC1。测量了 1 1，按下式计算伸长率，即11 10 100%10短、长比例试样的伸长率分别以 5、 10 表示。 拉断后缩颈处截面积 A1 的测定： 圆形试样在缩颈最小处两个相互垂直方向上测量其直径，用二者的算术平均值作为 断口直径 d1，来计算其 A1。断面收缩率按下式计算：A0 A1 100A0图 1-7 断口移位法示意图最后，在进行数据处理时，按有效数字的选取和运算法则确定所需的位数，所需位 数后的数字，按四舍六入五单双法处理。灰铸铁试样的拉伸实验灰铸铁这类脆性材料拉伸时的载荷一变形曲线如图 18 所示。它不象低碳钢拉伸 那

20、样明显可为分线性、屈服、颈缩、断裂等四个阶段而是一根非常接近直线状的曲线， 并没有下降段。灰铸铁试样是在非常微小的变形情况下突然断裂的，断裂后几乎测不到 残变形。注意到这些特点，可知灰铸铁不仅不具有 s ，而且测定它的 和 也没有实际 义。这样，对灰铸铁只需测定它的强度极限 b 就可以了。测定 b 可取制备好的试样，只测出其截面积 A0，然后装在试验机上逐渐缓慢加载直到试样断裂，记下最后载荷 Pb，据此即可算得强度极限 b PbA0六：思考题1 、由拉伸试验所确定的材料机械性能数值有何实用价值？、为什么拉伸试验必须采用标准试样或比例试样？材料和直径相同而长短不同的试 样，它们的延伸率是否相同？

21、图 1-8 铸铁拉伸图实验一 （ 二 ） 压缩实验一、实验目的1 测定压缩时低碳钢的屈服极限 s 和铸铁的强度极限 b、设备和量具1 万能材料试验机2 游标卡尺三、实验原理及步骤低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试样一般制成圆柱形，高ho与直径 do 之比在 13的范围内。目前常用的压缩试验方法是两端平压法。这种压缩试验方法，试样的上下两 端与试验机承垫之间会产生很大的摩擦力，它们阻碍着试样上部及下部的横向变形，导 致测得的抗压强度较实际偏高。当试样的高度相对增加时，摩擦力对试样中部的影响就 变得小了，因此抗压强度与比值 hodo 有关。由此可见，压缩试验是与试验条件有关的。 为了在相同的试验条件下

22、，对不同材料的抗压性能进行比较，应对hodo 的值作出规定。实践表明，此值取在 13 的范围内为宜。若小于 l ，则摩擦力的影响太大；若大于 3， 虽然摩擦力的影响减小，但稳定性的影响却突出起来。为了保证正确地使试样中心受压，试样两 端面必须平行及光滑，并且与试样轴线垂直。 实验时必须要加球形承垫，如图 21 所示，它 可位于试样上端，也可以位于下端。球形承垫 的作用是，当试样两端稍不平行，它可起调节 作用。低碳钢试样压缩时同样存在弹性极限、 比例极限、屈服极限而且数值和拉伸所得的相 应数值差不多，但是在屈服时却不象拉伸那样明显从进入屈服开始，试样塑性变形就有较大的增长，试样截面面积随之增大。

23、由于截面面积的增大，要维持屈服时的应力，载荷也就要相应增大。因此，在整个屈服阶段，载荷也是上升的，在测力盘上看不到指针倒退现象，这样，判定压缩时的Ps 要特别小心 地注意观察。在缓慢均匀加载下，测力指针是等速转动的，当材料发生屈服时，测力指针的转动将出现减慢，这时所对应的载荷即为屈服载荷 Ps。由于指针转动速度的减慢不十分明显，故还要结合自动绘图装置上绘出的压缩曲线中的的拐点来判断和确定Ps低碳钢的压缩图（即 P 一1曲线）如图 22 所示，超过屈服之后，低碳钢试样由 原来的圆柱形逐渐被压成鼓形，即如图 24。继续不断加压，试样将愈压愈扁，但总不 破坏。所以，低碳钢不具有抗压强度极限（也可将它

24、的抗压强度极限理解为无限大） ，低碳钢的压缩曲线也可证实这一点图 2-2 低碳钢压缩图 图 2-3 铸铁压缩图灰铸铁在拉伸时是属于塑性很差的一种脆性材料，但在受压时，试件在达到最大载荷 Pb前将会产生较大的塑性变形， 最后被压成鼓形而断裂。 铸铁的压缩图（P一 1 曲线） 如图 2 3 所示，灰铸铁试样的断裂有两特点：一是断口为斜断口，如图25 所示。图 2-4 压缩时低碳钢变形示意图图 2-5 压缩时铸铁破坏断口二是按 Pb /A 0求得的 b远比拉伸时为高，大致是拉伸时的 3 4 倍。为什么象灰铸铁 这脆性材料的抗拉坑压能力相差这么大呢？这主要与材料本身情况（内因）和受力状态（外因）有关。

25、铸铁压缩时沿斜截面断裂，其主要原因是由剪应力引起的。假使测量铸 铁受压试样斜断口倾角 ，则可发现它略大于 45o 而不是最大剪应力所在截面， 这是因为 试样两端存在摩擦力造成的四、试验步骤1 低碳钢试样的压缩实验l ）测定试样的截面尺寸用游标卡尺在试样高度中央取一处予以测量，沿两个互 相垂直的方向各测一次取其算术平均值作为 do 来计算截面面积 Ao。用游标卡尺测量试样 的高度。2 ）试验机的调整估算屈服载荷的大小，选择测力度盘，调整指针对准零点，并 调整好自动绘图仪。）安装试样将试样准确地放在试验机活动平台承垫的中心位置上。）检查及试车试车时先提升试验活动平台，使试样随之上升。当上承垫接近试

26、 样时，应大大减慢活动台上升的速度。注意：必须切实避免急剧加载。待试样与上承垫 接触受力后，用慢速预先加少量载荷，然后卸载接近零点，检查试验机包括自动绘图部 分）工作是否正常。）进行试验缓慢均匀地加载，注意观察测力指针的转动情况和绘图纸上曲线， 以便及时而正确地确定屈服载荷，并记录之。屈服阶段结束后继续加载，将试样压成鼓形即可停止。2 铸铁试样的压缩实验铸铁试样压缩试验的步骤与低碳钢压缩试验基本相同，但不测屈服载荷而测最大载 荷。此外，要在试样周围加防护罩；以免在试验过程中试样飞出伤人。五、思考题1 铸铁的破坏形式说明了什么？2低碳钢和铸铁在拉伸及压缩时机械性质有何差异？实验二 扭转试验一、实

27、验目的1 测定低碳钢的剪切屈服极限 s及剪切强度极限 b。2 测定铸铁的剪切强度极限 b。观察并比较低碳钢及铸铁试件扭转破坏的情况。二、实验设备和量具1 游标卡尺2 扭力试验机扭力试验机是一种可对试样施加扭矩并能指示出扭矩大小的机器。它的类型有好多 种，构造也各有不同。下面介绍两种常见的扭力机。1 ） K50型扭力试验机此种试验机采用机械传动加载，用摆式机构测示扭矩。它的量程随所用摆锤的不同 重量而分三种： 100Nm（10Kgm）、200Nm（ 20Kgm）500Nm（50Kgm）；相应的 精度分别为 0.5N m（0.05Kgm）、1.0N p（0.10Kg m）、2.0N m（020Kg

28、 m）。 它适用于直径为 10 25mm长度为 100 700mm的试件。图 3-1 K 50 型扭力试验机外形图试验机的外形如图 31所示，其传动系统如图 32 所示。其操作步骤如下：图 3-2 K 50 型扭力试验传动系统图（1）检查试验机夹头 1、 2 的形式与试件是否配合；测角度盘 15 置“ 0”；检查自动 绘图器工作是否正常。（2）估计试件所需的最大扭矩，选择适宜的测力度盘 12 并配置相应的摆锤 13。（3）当摆杆保持铅直时，测力指针 12 应对准“零”点。否则，松开度盘上的螺母， 转动度盘使指针对准“零”点。再拧紧螺母。（4）安装试件先将试件的一端放在固定夹头 2 中，摇动调距

29、手柄 3，使活动夹头 1 连同与它在一起的齿轮箱 17沿传动主轴 8 和水平导轴 4移动，使试件另一端插入活动 夹头中后，再予以夹紧。（5）加载有手摇加载与电动加载之分。手摇加载：将变速杆 5 放在“空转”位置，摇动手摇柄 6，带动变速箱中的轴 II ， 使传动主轴 8、活动夹头 I 旋转。通过试件使固定夹头 2 也跟着旋转。这样，与固定夹头 连在一起的摆杆 11 和摆锤 13 也就跟着摆起来了，以平衡活动夹头加在试件上的力偶， 于是试件便发生扭转变形，随受扭矩作用。因此，摆锤力矩就等于试件所承受的扭矩。 摆锤在摆起时推动与测力度盘相联的齿杆，使齿轮和指针转动，于是指针便在测力度盘 12 上指

30、出试件所受扭矩的大小。电动加载：将变速杆 5 放在“ 0.3 转分”或 1 转分”处，此时，轴 I 上的两个 齿轮之一，便通过滑键与轴 I 联在一起，开动电机 10，经三角皮带动轴 I 、II 等传动系 统，对试件快速加载。（6）测扭转角传动主轴 8 除带动活动夹头转动外，在它的一端还装有一个测角度盘 15，用它指示试件转动端的绝对扭转角。测角度盘上的测角指标16 与试件被动端联动，因此指标杆在度盘上所指数值便是试件两端的相对扭转角。度盘最小刻度为1o，因 此只适用于测量大变形。测角度盘上还附有一个计数装置，可以指出试件扭转的总圈数。（7）自动绘图如果需要记录试验过程中扭矩和扭转角的关系曲线，

31、应在加载荷前 调好自动绘图器的传动装置、图纸、笔尖和墨水。笔尖由推动测力指针的齿杆带动，而 图纸滚动则与传动主轴 8 联动。这样，随着试验过程的进行，笔尖便在图纸上自动地绘 出 Mn一 曲线。曲线上各点的纵坐标为扭矩，横坐标为试件转动端的绝对扭转角。（8）注意事项机器运转时，操作者不得离开。所见异声或发生故障，应立即停车。在实验时，不得触动摆锤，以免影响测读扭矩精度。采用电动加载时，手摇柄必须先取掉，以免其飞出造成事故。2 ）NN100A型扭力试验机此机是一种机械传动加载，摆式机构测扭矩的扭力试验机。它有三种量程：200Nm（20Kgm）、 500Nm（50Kgm）、1000Nm（100Kgm

32、）；相应的精度分别为 0.4Nm （0.04Kgm）、1.0N m（0.10Kg m）、2.0N m（0.20Kg m）。它适用于直径为 10 20mm，长度为 100600mrn 的试件。试验机的外形如图 33 所示，其测力机构的传动系统如图 3 4 所示。其操作步骤 如下：（1）检查试验机夹头 1、2 的形式是否与试件配合， 离合器杆 4 是否放在正确位置上。（2）根据试件所需的最大扭矩， 转动调节轮 10 至相应位置，以选择适当的测力度盘。（3）安装试件先将试件一端装在固定夹头 1 中，向左移动活动车头 12并转动加载夹 头 2，使试件的另一端插人夹头 2 中。（4）旋动调零手轮使测力度

33、盘上的指针对“零” 。（5）加载也有手动和电动之分。手动加载：将离合器杆调到中央位置上（即“空车”位置） ，用手转动手轮 11 加载。 电动加载：选用离合器杆可使加载夹头具有四种转速： 7 度分、 21度分、 60度分、 180度分。电动加载时，先将离合器杆 4 调到所欲用的转速位置上， 按下开关按扭（“正 向”、“反向”均可），开动电动机 6 通过变速箱 5、齿轮箱 3 等传动系统，使加载夹头 2 顺时针（或逆时针）传动，试件便产生扭转变形。试件受力后，固定夹头就会旋转一个不大的角度（不超过 2 o7），与固定夹头团结 在一起的大杠杆也就跟着旋转。无论这种旋转是顺时针的还是反时针的，通过反向

34、杠杆、 变支点杠杆，总使拉杆下行。拉杆下行的结果，一方面扬起摆锤来平衡加载夹头加在试样上的力偶，使试件受到扭矩的作用，另一方面带动拨杆、推杆，使指针旋转，从而在图 3-3 NN 100 型扭力试验机外形图图 3-4 NN 100 型扭力试验机测力机构图1反向杠杆， 2变支点杠杆， 3拉杆， 4摆锤， 5拨杆， 6推杆， 7指针， 8 限位开关， 9大杠杆， 10摆杆， 11平衡铊， 12滑架， 13调节轮， 14调零 手轮， 15轮， 16绳轮 表盘上显示试样所受的扭矩。如所加扭矩超过了所用的测力量程，则扬起的摆杆上的一 个弹簧片就会使限位开关动作，切断电源，自动停车。（8）注意事项一旦试样承

35、受了扭矩，即测力指针已经走动之后，就不允许再改变量程。在实验时，不得触动活动车头。如发生异常现象，应立即停车。三、实验原理本试验使用圆形截面试件。 将试件装在扭力试验机上，开动机器，给试件加扭矩。利用机器上的自动绘图装置， 可以得到 Mn 一 曲线。这 Mn一 曲线也叫扭转图。低碳钢试件的 Mn一 曲线，如图 35所示。图 3-5 低碳钢试件扭转图图中起始直线段 OA表明试件在这阶 段中的 Mn 与 成比例， 截面上的剪应力 呈线性分布，如图 3 6（a）。在 A 点处， Mn 与 的比例关系开始破坏，此时截面周 边上的剪应力达到了材料的剪切屈服极限 s ，相应的扭矩记为 MP。 由于这时截面

36、内部的 剪应力尚小于 s ，故试件仍具有承载能力， Mn 曲线呈继续上升的趋势。扭矩超过 MP后，截面上的剪应力分布发生变化，如图 3 6（b）。在截面上出现了 一个环状塑性区，并随着 Mn 的增长，塑性区逐步向中心扩展， Mn 曲线稍微上升，直 到 B 点趋于平坦，截面上各材料完全达到屈服，扭矩度盘上的指针几乎不动或摆动，此 时测力度盘上指示出的扭矩或指针摆动的最小值即为屈服扭矩Ms。如图 36（C），根据静力平衡条件，可以求得 s与 Ms的关系为：M s A sdAA将式中 dA 用环状面积元素 2 d 表示，则有d /2 2 42dsWn ( 3 1)o 3 s n故剪切屈服极限 s 3

37、M s4Wn3式中Wn 1d6 是试件的抗扭截面模量。图 3-6 截面上剪应力分布图继续给试件加载，试件再继续变形，材料进一步强化。当达到Mn一 曲线上的 C 点时，试件被剪断。由测力度盘上的被动计可读出最大扭矩 得剪切强度极限Mb，与公式（ 31）相似，可3M b b b4Wn32)铸铁的 Mn一 曲线如图 3一 7所示。从开始受扭，直到破坏，近似为一直线，按弹性应力公式，其剪切强度极限：b M bb Wn试件受扭，材料处于纯剪切应力状态，在33)垂直于杆轴和平行于杆轴的各平面上作用着剪应力，而与杆轴成 45o角的螺旋面上。则分别只作用着 13 的正应力，如图图 3-8 试冲受扭的应力分布图

38、38 所示。 由于低碳钢的抗拉能力高于抗剪能力，故试件沿横截面剪断，而铸铁的抗拉能力低于抗剪能力， 故试件从表面上某一最弱处，沿与轴线成 45o方向拉断成一螺旋面。四、试验步骤1 用游标卡尺测量试件直径，求出抗扭截面模量 Wn。在试件的中央和两端共三处，每处测一对正交方向，取平均值作该处直径，然后取三处直径最小者，作为试件直径d，并据此计算 Wn。2 根据求出的 Wn、估计试件材料的 b ，求出大致需要的最大载荷，确定所需的机器 量程。3将试件两端装入试验机的夹头内，调整好绘图装置，将指针对准零点，并将测角 度盘调整到零。4用粉笔在试件表面上画一纵向线，以便观察度件的扭转变形情况。5 对于低碳

39、钢试件，可以先用手动（或慢速电动加载）缓慢而均匀地加载，当测力 指针前进速度渐渐减慢以至停留不动或摆动，这时，它表明的值就是Ms（注意：指针停止不动时间很短，因此要留心观察） 。然后卸掉手摇柄，用电动加载（或换成快速电动加 载）直至试件破坏并立即停车。记下被动指针所指的最大扭矩，注意观察测角度盘的读 数。6 铸铁试件的试验步骤与低碳钢相同，可直接用电动加载，记录试件破坏时的最大 扭矩值。五、思考题1 低碳钢与铸铁试样破坏等情况有何不同？为什么。2根据拉伸、压缩和扭转三种试验结果，综合分析低碳钢与铸铁的机械性质。实验三 纯弯曲梁正应力分布电测实验、实验目的1）学习使用电阻应变仪，初步掌握电测方法

40、。2）测量纯弯曲梁上应变随高度的分布规律，验证平面假设的正确性。实验设备1）WQ5 纯弯曲梁实验装置2）DH3818静态电阻应变仪。3）温度补偿块。三、实验原理和方法WQ5 纯弯曲梁实验装置如图 3.1 所示，试样简支于 A、B两点，在对称的 C、D两点 通过拉杆和横杆螺旋加载使梁产生弯曲变形， CD梁受纯弯曲作用。采用转动手轮使螺旋 下移加载，总荷载的大小由压力传感器来测量。试样的受力如图 3.2 所示。梁的材料为 合金钢，弹性模量为 E210Gpa，其它参数列于表 3 1。表 3 1 原始参数表材料弹模 （Gpa）几何参数应变片参数应变仪 灵敏度 系数 K 仪b(cm)h(cm)a(cm)

41、灵敏度 系数 K 片电阻值 （）合金钢为了测量应变随试样截面高度的分布规律，应变片的粘贴位置如图 3.3 所示。这样可以 测量试件上下边缘、中性层及其他中间点的应变，便于了解应变沿截面高度的变化规律。由材料力学可知，矩形截面梁受纯弯时正应力公式为理MyIz式中： M为弯距； y 为中性轴至欲求应力点的距离； Iz 1 bh3为横截面对 z 轴的惯性距。z 12 本实验采用逐级等量加载的方法加载，每次增加等量的载荷P , 测定各点相应的应变增量一次，即：初载荷为零，最大载荷为 5kN，等量增加的载荷 P为 1 kN。分别取应变增量的平均值（修正后的值） 实 ，求出各点应力增量的平均值 实 把测量

42、得到的应力增量 实 与理论计算出的应力增量 理 加以比较，从而可以验证公 式的正确性，把上述理论公式中的 M 按下式求出：实 E 实理 M yIz3.1）（3.2）1M P a（3.3 ）2四、实验步骤（1）开电源，使应变仪预热约 20 分钟。（2）载荷为零时，调节应变仪初始读数为零或记录初始应变值（重复三次） 。（3）加载。按箭头指示方向旋转加载手轮缓慢加载。本实验中第一级载荷P00.0kN ，最大载荷 Pmax5.0 kN ，载荷增量 P1.0 kN 。记录每级载荷下各测点的应变值（包 括正负号，负号表示压应变，正号不显示） 。（4）注意：载荷最大加至 5.0 kN，不能超载；在测量过程中

43、， 尽量避免连接导线的晃动。（5）实验完毕将载荷卸为零，工具复原，经指导老师检查方可关闭应变仪电源。五、实验结果的整理（1）求出各测量点在等量载荷作用下，应变增量的平均值测 。（2）考虑到应变仪与应变片灵敏系数不同， 按下式对应变增量的平均值 测 进行修正得 到实际的应变增量平均值 实 K 仪 实 测（ 3.4 ）K片式中 K仪、K片 分别为电阻应变仪和电阻应变片的灵敏系数。（3）以各测点位置为纵坐标， 以修正后的应变增量平均值实 为横坐标， 画出应变随试件高度变化曲线。（4）根据各测点应变增量平均值实 ，计算测量的应力值实 E 实 。（5）根据实验装置的受力图和截面尺寸，先计算横截面对 z轴的惯