一低碳钢铸铁的拉伸

1、实验一低碳钢、铸铁的拉伸实验的方法之拉压实验是材料的力学性能实验中最基本最重要的实验，是工程上广泛使用的测定材料力学性能一、实验目的：1、了解万能材料试验机的结构及工作原理，熟悉其操作规程及正确使用方法。2、通过实验，观察低碳钢和铸铁在拉伸时的变形规律和破坏现象，弁进行比较。3、测定低碳钢拉伸时的屈服极限Z s、强度极限Z b、延伸率3和截面收缩率铸铁拉伸时的 强度极限Z bo、实验设备及试样1、万能材料试验机2、游标卡尺3、钢直尺由于试样的形状和尺寸对实验结果有一定影为便于互相比较，应按统一规定加工成标准试样。响，图27分别表示横截面为圆形和矩形的拉伸试Lo是测量试样伸长的长度，称为原始标距

2、。按现行国家GB6397-86的规定，拉伸试样分为比例试样和非比例试样两种。比例试样的标距L。与原始横截面Ao的关系规定为L - k A：（2.2）式中系数k的值取为5.65时称为短试样，取为11.3时称为长试样。对直径do的圆截面短试样,Lo =5.65; Ao=5do；对长试样，Lo=11.3、_ A=10d。本实验室采用的是长试样。非比例试样的Lo和Ao不受上列关系的限制。试样的表面粗糙度应符合国标规定。在图2.7中，尺寸L称为试样的平行长度，圆截面试样L不小于L o + d。；矩形截面试样L不小于L o + bo/2。为保证由平行长度到试样头部的缓和过渡， 要有足够大的过渡圆弧半径 R

3、o试样头部的形状和尺寸，与试验机的夹具结构有关，图2.7所示适用于楔形夹具。这时，试样头部长度不小于楔形夹具长度的三分之二。三、实验原理及方法常温下的拉伸实验是测定材料力学性能的基本实验。可用以测定弹性E和队 比例极限Z p,屈服极限Z s （或规定非比例伸长应力），抗拉强度 Z b,断后伸长率s和截面收缩率”等。这些力学性能指标都是工程设计的重要依据。1低碳钢拉伸实验1 ）、屈服极限Z s及抗拉强度Z b的测定对低碳钢拉伸试样加载，当到达屈服阶段时，低碳钢的 P-AL曲线呈锯齿形（图P su对应的应力称为上屈服点，它受变形速度和试样形状的影响，一般不作为强度指标。同样，载荷首次2.8 ）。与

4、最高载荷 下降的最低 si,除以试样的初始横截面面积A。，作为屈服极限Z s,即PsiZ s=A o(2.3)若试验机由示力度盘和指针指示载荷,则在进入屈服阶段指针停止前进，弁开始倒退，这时应注意指针的波动情况, 指的最低载荷Psi。屈服阶段过后，进入强化阶段，试样又恢复了抵抗继 力（图2.8）。载荷到达最大值 Pb时，试样某一局部小，出现“缩颈”现象。这时示力度盘的从动针停 则迅速倒退，表明载荷迅速下降，试样即将被拉断。 即不动，主动针拉强度Z b,针所以试样的初始横戳血血积Ao除巳得抗的能 明显缩PbA。(2.4)2）伸长率S及截面收缩率”的测定量出拉断后的标距长为 L i,断后伸长率应为

5、试样的标距原长为L。，拉断后将两段试样紧密地对接在一起S =LI_LoX10 0%(2.5)点（初始瞬时效应）也不作为强度指标。一般将初始瞬时效应以后的最低载荷如一* - 45 6 了卫(C)加图2.9断口移中法测L1断口附近塑性变形最大，所以 L1的量取与断口的部位有关。如断口发生于L。的两端或在L。之外，则实验无效，应重做。若断口距 L0的一端的距离小于或等于Lo （图2.9）,则按下述断移中法测定 L。在0 拉30断后的长段2.9b）,取其中一半得C点，上，由断口处a,BC长为b,则L i = a+ 2b。当长段剩余格数为奇数时（图 i的长度2.9c），取剩余格数减1后的一 取约等于短段

6、 分别为a、 i,由于断口不是规则的圆形，然后按下式计算断面收缩bi和b2,则L i = a+ bi+ b2o的格数得B 率：应在两个相互垂直的方向上量点，若剩余格 数为偶数（图 设AB长为 半得C点，加1后的一半得C i点，设AB、BC和BC试样拉断后，设缩颈处的最小横截面面积为A取最小截面的直径，以其平均值计算Ai,书二%Aoi00%(2.6)2、铸铁拉伸实验铸铁属于脆性材料，拉伸过程中，没有屈服和“颈缩”现象，它的P- L曲线近似一条斜直线（如图 2.i0）,本实验我们只测铸铁的抗 拉强度极，代bo限，所以实验结束后，主动针退回零位，从动针所指示的载荷即是出ZP入式（2.4）计算得四、实

7、验步骤沿两个相困丸i0铸铁feAP-AL曲线1、测量试样直径 在标距L 0的两端及中部三个位置上互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算各横截面面积,截面 再以三个横面积中的最小值为A2、试验机准备 根据试样尺寸和材料，估计最大载荷，选择相适应的示力度盘和摆锤重量，需要自动绘图时，事先应将滚筒上的纸和笔装妥。先关闭送油阀和回油阀，再开动油泵电机，待油泵工作正常后,开启送油阀将活动平台上升约 1cm,以消除其自重。然后关闭送油阀，调零。3、安装试样 安装拉伸试样时，对 A型试验机，可开动下夹头升降电机以调整下夹头的位置，但不能用下夹头升降电机给试样加载；对E型试验机，用横梁升降按钮调整拉压空间

8、。4、加载 缓慢开启送油阀，给试件平稳加载。应避免油阀开启过大，进油太快。试验进行中，注意不要触动摆杆和摆锤。试验完毕，关闭送油阀，停止油泵工作。破坏性试验先取下试样，再缓慢打开回油阀将油液放回油箱。非破坏性试验，自然应先开回油阀卸载，才能取下试样。五、实验数据处理按有关公式，将实验数据计算出来，其数值遵守表2.1的修约规定。有效数以后的数字进位规则见附录n。六、数据分析对你所得出的数据，作出合理的分析。表2.1性能指标数值的修约规定性能范围修约到Z pZ S、Z p0.2Z b200Mpa1000MPa5MPa 1000 MPa10MPa0.5%0.5%六、问题讨论试比较低碳钢和铸铁拉伸时的

9、力学性能有什么不同实验二 低碳钢、铸铁压缩演示实验(b)2.11b所图压缩试样示长试2.11样，多用于测定钢、铜等材料的弹性常数及比E、例极限和屈服极限等。三、实验原理及方法0M图2.12低碳钢压缩P-A L曲线3、铸铁的压缩实验：铸铁的压缩实验与拉伸实验的试验曲线形状很相似（如图2.10）。铸铁压缩时，破坏断口会沿 45 ? 55。左右斜截面断裂，此时，主 动 针会回到零点，从动针停在原位置不动，记录下载荷P b,代入式（2.4）计算得出铸铁的抗压强度极限Z bO4、低碳钢的压缩实验：低碳钢压缩时，其P、实验目的：1、进一步了解万能材料试验机的结构及工作原理，熟悉其操作规程及正确使用方通过演

10、示，观察低碳钢和铸铁在压缩时的变形规律和破坏现象，弁进行比 较。测定低碳钢压缩时的屈服极限Z s；铸铁压缩时的强度极限Z实验设备及试样1、万能材料试验机2、游标卡尺3、钢直尺4、压缩试样：压缩试样通常为圆柱形，也分短、长两种（图 示）。试他1 压时，两端面与试验机垫板间的摩擦力约束试样的横向变形，影响试样的强度。随着比值的增大，上述摩擦力对试h善do中部的影响减弱。但比值ho/do也不能过大，否则将引起失稳。测定材料抗压强度 的短试样（图2.11a示），通常规定iw ho/doW 3。至于图-4L曲线如图 2.12,到达屈服时，主动针会停顿甚至倒退，此时记录下屈服载荷 Ps,则有:此即低碳钢压

11、缩时的屈服极限。继续施加载荷，试样会越压越扁，但始终测不到四、实验步骤、测量试样直径在试样中部位置上，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算其横截面面积 A 0。、试验机准备 根据试样尺寸和材料，估计最大载荷，选择相适应的示力度盘和摆锤重量，需要 自动绘图时，事先应将滚筒上的纸和笔装妥。先关闭送油阀和回油阀，再开动油泵电机，待油泵工作正常后，开启送油阀将活动平台上升约 1cm, 以消除其自重。然后关闭送油阀，调零。、 安装试样直接将压缩试样放于工作台上，上升工作台，使试样与上、下垫板几乎接触为止。、 加载 缓慢开启送油阀，给试件平稳加载。应避免油阀开启过大，进油太快。试验进行中，注

12、意不要触动摆杆和摆锤。、 试验完毕，关闭送油阀，停止油泵工作。 应先开回油阀回油、卸载，才能取下试样。五、实验数据处理及分析 参照拉伸实验六、问题讨论、 铸铁压缩时沿450550 斜面断裂，表明导致破坏的原因是什么？、 低碳钢压缩时能否得到强度极限Z b?实验三 低碳钢弹性模量E 的测定、实验目的1、进一步熟练掌握万能材料试验机的操作规程及使用方法。2、验证胡克定律，测定低碳钢的弹性模量 E。3、熟悉球校式引伸仪的使用方法。、设备及试样1、万能材料试验机2、球校式引伸仪3、游标卡尺4、低碳钢拉伸试样(10倍试样):、实验原理及方法弹性模量是应力低于比例极限时应力与应变的比值，即PLoE =-名

13、 AoAL(2.7)可见，在比例极限内，对试样施加拉伸载荷P,弁 测出标距L o的相应伸长AL,即可求得弹性模量 Eo在弹性变形 阶段内试样的变形很小，测量变形需用放大倍数为2000倍(分度值为1/2000mm )的 球校式引伸仪。0 ALn图 2.13为检查载荷与变形的关系是否符合胡克定律，减少测量误差，试验一般采用等增量法加载，即把载荷分成若干相等的加载等级(图2.13),然后逐级加载。为保证应力不超出比例极限，加载前先估算 出试样的屈服载荷，以屈服载荷的 7 0%? 80% 作为测定弹性模量的最高载荷 Pno止匕外，为使试验机夹紧试样,消除引伸仪和试验机机构的间隙，以及开始阶段引伸仪刀刃

14、在试样上的可能滑动，对试样应施加一个初载荷将载荷分成n级，且不小于5,于是P 0,可取为P n的10%。从P。至U P n P=Pn . n(n5)例如，若低碳钢的屈服极限 Z s=235MPa ,试样直径do=10mm ,则Pn= 1 n do2X Z sX 80%=14800N (取为 15KN )4P0=PnX 10%=1.5KN实验时，从P。到Pn逐级加载，载荷的每级增量为Po对应着每个载荷Pi (1=1,2,3, , n ),记录下相应的伸长 Li, Li+1与公Li的差值即为变形增量 S ( L) i,它是 P引起的伸长增量。在逐级加载中，若得到的各级S ( L) i基本相等,就表

15、明 L与P成线性关系，符合胡克定律.完成一次加载过程,将得到P/D Li的一组数据，按线性拟合法求得2 2(HR)2-2o_iPiL Li - nAR . Li A。(2.8)上式的推导详见附录I，这里不再复述。除用线性拟合法确定E外,还可用下述弹性模量平均法 M应于每一个S （ L） i,由公式可以求得相应的E为EiR L0 , i =1,2,，n （2.9）A。心（乩办n个E的算术平均值1 -E= Ei（2.10）n即为材料的弹性模量。四、实验步骤1、测量试样尺寸在标距为L。的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直的方向，测量试样直径，以其平均值计算每个横截面面积，取三者中的最小值计算公式中

16、的Aoo2、试验机准备根据估计的最大载荷，选择合适的示力度盘和相应的摆锤，弁按试验机的操作规程进行操作。3、安装试样及引伸仪。4、进行预拉为检查机器和仪表是否处于正常状态，先把载荷预加到测定E的最高载荷Pn,然后卸载到0Po之间。5、加载加载按等增量法进行，应保持加载的均匀、缓慢，弁随时检查是否符合胡克定律。载荷 增加到Pn后卸载。测定E的试验应重复三次。6、实验完毕，卸载取下引伸仪。五、实验数据处理1、用直线拟合法测定 E在测定弹性模量所得的几组数据中，选取线性相关性较好的一组数据R、 Li,拟合为直线。按附录的公式（I .6 ）和（I .7 ）计算相关系数丫，弁按公式（2.8 ）计算弹性模

17、量E。2、用弹性模量平均法测定E利用上述数据组，按公式（2. 9 ）求出E,然后由公式（2.10 ）计算E。3、弹性模量一般取三位有效数。六、思考题1、测定E时，为何要加初载荷 Po?弁限制最高载荷 Pn?2、使用增量法加载的目的是什么？实验四扭转实验工程实际中，有很多构件，如各种机器的轴类零件、弹簧、钻杆等都承受扭转变形。材料在扭转变形下的力学性能，如切变模量 G、剪切屈服极限ns和剪切强度极限n b等，都是进行扭转强度和刚度计算的重要依据。此外，由扭转变形得到的纯切应力状态，是拉伸以外的又一重要应力状态，对研究材料的强度有着重要意义。、 了解扭转试验机的结构和工作原理，掌握其 正确使用方法

18、。2、测定低碳钢的剪切屈服极限ns,低碳钢和 铸铁的剪切强度极限 n b3、比较低碳钢和铸铁受扭时的变形规律及其破坏特征。囱。仃知娃、仔羊图2.18扭转试样二、设备及试样1、扭转试验机2、游标卡尺3、试样扭转试样一般为圆截面试样（图圆2.18）。L为平行长度。在低碳钢试样表面上画上两条纵向线和两圈周线，以便观察扭转变形。:、实验原理及方法1、低碳测定钢剪切屈服极限ns和剪切强度极限nb在比例极限内，T与0成线性关系。横截面上切应力沿半径线性分布如图2.19a 所示。随着T的增大，横截面边缘处的切应力首先到达剪切屈服极限n s,而且塑性区逐渐向圆心扩展，形成环形塑性区（图 2.19b） o但中心

19、部分仍然是弹性的，所以T仍可（图2.19 c ）,在T- u上出现屈服平台（图 Tso如认为这时整个圆截面皆为塑性区，增加，T和u的关系成为曲线。直到整个截面几乎都是塑性区.2 0）,示力度盘的指针基本不动或轻微摆动，相应的扭矩为 则Ts与ns的关系为式中WtV为抗扭截面系数。d34Ts J* 飞3T4Wt(2.11 )过屈服阶段后，材料的强化使扭矩又有缓慢上升（如图2.20 ），但变形非常显著，试样的纵向画线变成螺旋线。直到扭矩到达极限值Tb,试样被扭断。与 Tb相应的剪切强度极限 t b仍约定由公式（2.11 ）计 算，即即4W；2、铸铁剪切强度极限Tb的测定铸铁试样受扭时，变形很小即突然

20、断裂。其(pT- 0图接近直线如图2.21所示。如把它作为直线,T b可按线弹性公式计算，即四、问题讨论比较低碳钢和铸铁两种试样受扭时的破坏断口，弁分析其导致破坏的原因实验五弯曲正应力实验、实验目的：5个测点全部2、术初步掌握电测方法和多点应变测量技1、测定梁承受纯弯曲时的正应力分布，并与理论计算结果进行比较，以验证弯曲正应力公式。:、实验设备:1、组合式材料力学多功能实验台2、XL2118系列力&应变综合参数测试仪三、原理及方法:在载荷P作用下的矩形截面钢梁如图(3.22a)所示。1 _在梁的中部为纯弯曲，弯矩为M =Pa。在纯弯曲部分的侧面上，沿梁的横截面高度,2每隔h/4贴上平行于轴线的

21、应变片(共5片)。温补偿片要放置在钢梁附近。对每一待测应变片联同温度补偿片按半桥接线如图(3.22b)图3.22a受力及贴片位置图所示。测出载荷作用下各待测点的应变,由胡克定律四、实验步骤及注意事项1、按照 3.4介绍的电阻应变仪使用方法,根据应变片灵敏系数k,设定仪器灵敏系数k仪，使k仪=ko若无法使之相等，则按前面讲的方法操作。2、按半桥接法接线，公共补偿。预调平衡后，由Po 至 Pmax按增量 P逐级加载。测出每一 Pi对应的B3.225测星意应变是否按比例增长。每一测点加载到P max 然后卸载，重复测完为止。至三次。重复加载中出现偏差的大小，表明测量的可靠程度。测完一点再换另一点，直

22、至3、加载要均匀缓慢；测量中不允许挪动导线；小心操作，不要因超载压坏钢梁五、数据处理:1、对每一测点，求出应变增量的平均值，根据胡克定律得实测应力为二测二EL-i2、由弯曲正应力公式求出各测点应力的理论值为MyI1式中，I= bh3123、对每一测点求出Z测对Z理的相对误差理-c测-100%石理在梁的中性层内，因Z理=0,故只需计算绝对误差。表3- 5 （实验有关参数）应艾片至中性层距离（mm梁的尺寸和有关参数Y20宽度b = 20mmY210高度h = 40mmY30跨度L = 600 mmY410载何离支座距离a = 125 mmY520弹性模量E = 210 GPa泊松比P =0.26六

23、、问题讨论：1、对本实验而言，弯曲正应力的大小是否受材料弹性模量E的影响？实验六弯扭组合变形的主应力的测定一、实验目的：1、测定圆管在扭弯组合变形下一点处的主应力大小及方向2、自行设计加载方案。3、进一步掌握电测方法，独立完成全桥或半桥的接线。二、实验设备：组合式材料力学多功能实验台XL2118系列力&应变综合参数测试仪游标卡尺、钢板尺三、实验原理：（a）（b）图3.23小型圆管扭弯组合装置弯扭组合下（如图3.23a）,圆管的m点处于平面应力状态（图 3.23 b）。若在xy平面内，沿x、y方向 的线 应变为；X、，切应变为xy,根据应变分析（刘鸿文主编，材料力学，第三版，8.7,高教出版社，

24、1992。）沿 与X轴成a角的方向n （从x到n反时针的a为正）线应变为尽一尽1*c0s2 r 1 皿（3.9）:随a的变化而改变，在两个互相垂直的主方向上,：到达极值，称为主应变。主应变由下式计算(3.10)两个互相垂直的主方向；x ; y2a0由下式确定xytan2 :对线弹性各向同性材料，主应变1、2和主应力Z 1、Z 2方向一致，弁与下列广义胡克定律相联系，（3.12）二 2E2 （J;i）1 - ? 12本实验装置采用的是 45。直角应变花，在 mm,点各 贴一组应变花（如图3.24所示）,选定x轴如图 所示，则 a、b、c三枚应变片的a角分别为一 45、0、 450，代入式（3.9

25、）得出沿这三个方向的线应变分别图3.24应变花粘帖方向；yxy450。22:;xz + z Yx y xy2245从以上三式中解出 x= 0, y= 45 + 45 0丫 xy = - 45 45(a)由于 0。、 45。和 -45。可以直接测定，所以x、丫和丫 xy可由测量的结果求出。将它们代入公式)2(3.13)把1和2代入胡克定律（3.12）,便可确定m点的主应力。将式（a）代入式（3.11 ）,得tan2:0(3.14)由上式解出相差n /2的两个a 0,确定两个相互垂直的主方向。利用应变圆可知，若 x的代数值大于 y,则由x轴量起,绝对值较小的 a 0确定主应变 （对应于 （T 0

26、的方向。反之，若 x y则由x轴量 起，绝对值较小 a 0确定主 应变2 （对应于 （T 2）的方向。四、实验步骤及注意事项:1、设计好本实验所需的各类数据表格。2、测量试件尺寸、加力臂的长度和测点距力臂的距离，确定试件有关参数。见表3 63、将薄壁圆筒上的应变片按不同测试要求接到仪器上，组成不同的测量电桥。调整好仪器，检查整个测试系统是否处于正常工作状态。4、拟订加载方案。先选取适当的初载荷P0 （一般取P0 =10 % Pmax左右），估算fax,分4? 6级加载。5、根据加载方案，调整好实验加载装置。6、加载。均匀缓慢加载至初载荷 R,记下各点应变的初始读数；然后分级等增量加载，每增加一

27、级载荷，依次记录各点电阻应变片的应变值，直到最终载荷。实验至少重复两次。7、作完实验后，卸掉载荷，关闭电源，整理好所用仪器设备，清理实验现场，将所用仪器设备复原,实验资料交指导教师检查签字。&实验装置中，圆筒的管壁很薄，为避免损坏装置，注意切勿超载，不能用力扳动圆筒的自由端和力臂。表3-6 （试件相关数据）圆筒的尺寸和有关参数计算长度L = 240 mm弹性模量E = 210 GPa外径 D = =40 mm泊松比口 =0.26内径 d = 35.8 mm扇臂长度a = 250 mm五、数据处理:主应力及方向m点实测值主应力及方向计算 ；好的一组数据计算主应变、主应力、主方向时，代入的是应变增

28、量的平均值，三次测量中，重复性不好，或线性不 应作为可疑数据，舍去或重做。m点理论值主应力及方向计算 ；实测值与理论值比较（要求以表格形式）六、预习及思考题1、预习本节、电测理论知识和材料力学中有关应力状态分析和应变状态分析的内容。2、写预习报告时，要求将实测与理论主应力大小及方向的计算公式都推导出来。3、将实测值与理论值进行比较，如各点皆吻合较好（例如误差均小于5% ,即可。若误差较大，应 分析产生误差的原因。实验七 胶结复合梁弯曲正应力电测实验、实验目的1、测定由两种材料胶结而成的复合梁的正应力分布规律2、由实验结果探索梁的弯曲正应力计算公式;3、熟练掌握全桥、半桥的接线方法。:、实验仪器

29、设备与工具1、组合式材料力学多功能实验台2、XL2118c系列力&应变综合参数测试仪3、游标卡尺、钢板尺4、钢一铝胶结复合梁表3 7。在3.25(b)所示，应变片在如图3.25 (a)所示的叠梁为钢一铝复合梁，采用胶粘接形式，具相关参数及尺寸见 中间截面上，沿横截面高度布置了8枚平行于梁轴线的应变片，应变片的间距如图的编号由上到下依次为1 8。图3.25复合梁示意图(b)三、实验步骤要求1、独立制订实验方案，设计好本实验所需的各类数据表格；2、测量矩形截面梁的宽度 b和高度h、载荷作用点到梁支点距离 a及各应变片到中性层的距离 y见表3 73、在尚未获得理论计算公式之前，还难以估算保证梁在弹性

30、阶段工作的最大载荷。所以加载必须慎 重，不允许产生塑性变形。4、所得数据应该是准确的和可靠的，应采取什么办法来检验？四、实验报告及要求:1、实验报告应包括：目的、装置、实验方案和表格化的实验数据。2、作实测应变、应力的分布图，讨论其特征，弁得出实测中性轴位置。3、根据应变、应力分布规律，构想两种梁的力学模型，导出正应力计算公式。4、把按公式计算的结果与实测值比较，如各点皆吻合较好(例如误差均小于 误差较大，应讨论其原因或对公式进行修正。5%),则公式成立。若附I胶结复合梁电测实验理论计算公式125Eih/2rh/2其中:b=20; h=44; a=125; Ei=210GPa ; E2=70

31、GPa根据变形几何关系、物理关系、静力学平衡关系，建立平衡方程，联立方程解得中性层离上边缘的距离两种梁上的正应力分布h(Ei 3E2)4(Ei E2)Ei：iiEiliE2l 2iM 二厂 p ；Yi 各测点离公共中性层的距离；A面积li b ? (2)3 i2A Yi2I2J ?切32A2* Y 22Yi 指Ei的中性层对公共中性层的距离Y2 指E2的中性层对公共中性层的距离预习及实验报告要求实验H预习报告内容（预习报告上课时交，原始数据记录附在报告后。）实验名称：实验目的：实验设备：实验原理:实验步骤：1、实验报告内容实验名称：实验目的：实验设备：要求注明所用设备的具体名称、型号、实验所选量O原始数据记录：见