金属轴向拉压和扭转实验报告工程力学

金属轴向拉压和扭转实验报告工程力学摘要：本实验通过对金属材料进行轴向拉压和扭转实验，测定了材料的力学性能参数，包括弹性模量、屈服强度、抗拉强度、伸长率以及扭转切应力和扭转角等。分析了材料在不同加载方式下的力学行为，验证了相关力学理论。实验结果表明，所测材料具有良好的强度和塑性，为工程设计和材料选用提供了重要依据。

一、引言金属材料的力学性能是工程设计和材料应用的重要依据。轴向拉压和扭转实验是测定金属材料力学性能的基本实验方法。通过轴向拉压实验，可以得到材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和伸长率等重要力学性能指标；通过扭转实验，可以测定材料的扭转切应力和扭转角关系，了解材料的抗扭性能。本实验旨在通过对金属材料进行轴向拉压和扭转实验，掌握实验方法和数据处理技巧，深入理解金属材料的力学性能及其内在规律。

二、实验目的1.测定金属材料的弹性模量E、屈服强度σs、抗拉强度σb和伸长率δ。2.测定金属材料的扭转切应力τ和扭转角φ的关系，计算剪切弹性模量G。3.观察金属材料在轴向拉压和扭转过程中的变形现象和破坏形式，分析其力学行为。4.掌握万能材料试验机和扭转试验机的操作方法，学会实验数据的采集和处理。

三、实验设备及材料1.万能材料试验机：用于轴向拉压实验，最大试验力为[X]kN，精度为±0.5%。2.扭转试验机：用于扭转实验，最大扭矩为[X]N·m，精度为±1%。3.游标卡尺：精度为0.02mm，用于测量试样尺寸。4.引伸计：精度为0.001mm，用于测量试样的变形量。5.金属拉伸试样：按照国家标准加工，标距长度为[X]mm，直径为[X]mm。6.金属扭转试样：按照国家标准加工，标距长度为[X]mm，直径为[X]mm。

四、实验原理

轴向拉压实验原理1.胡克定律在弹性范围内，应力与应变成正比，即：\(\sigma=E\varepsilon\)其中，\(\sigma\)为应力，\(\varepsilon\)为应变，\(E\)为弹性模量。2.屈服强度和抗拉强度当材料承受拉力时，应力逐渐增加，当应力达到某一值时，材料开始产生明显的塑性变形，此时的应力称为屈服强度\(\sigma_s\)。当应力继续增加，材料所能承受的最大应力称为抗拉强度\(\sigma_b\)。3.伸长率伸长率\(\delta\)是衡量材料塑性的指标，计算公式为：\(\delta=\frac{l_1l_0}{l_0}\times100\%\)其中，\(l_0\)为试样原始标距长度，\(l_1\)为试样拉断后的标距长度。

扭转实验原理1.圆轴扭转时的应力和变形对于实心圆轴，扭转切应力计算公式为：\(\tau=\frac{T\rho}{I_p}\)其中，\(T\)为扭矩，\(\rho\)为计算点到圆心的距离，\(I_p\)为极惯性矩。扭转角计算公式为：\(\varphi=\frac{Tl}{GI_p}\)其中，\(l\)为试样标距长度，\(G\)为剪切弹性模量。2.剪切弹性模量G的测定在弹性范围内，通过测量扭矩\(T\)、扭转角\(\varphi\)和试样尺寸，由上式可计算出剪切弹性模量\(G\)。

五、实验步骤

轴向拉压实验步骤1.用游标卡尺测量拉伸试样的标距长度\(l_0\)和直径\(d_0\)，并记录数据。2.将引伸计安装在试样标距段上，调整万能材料试验机的初始参数，包括试验力量程、速度等。3.缓慢加载，记录试样在弹性阶段的载荷\(F\)和对应的变形量\(\Deltal\)，直至材料屈服。4.记录屈服载荷\(F_s\)和屈服阶段的变形量，继续加载直至材料拉断，记录拉断载荷\(F_b\)和拉断后的标距长度\(l_1\)。5.实验结束后，卸载试验机，取下试样和引伸计，清理实验现场。

扭转实验步骤1.用游标卡尺测量扭转试样的标距长度\(l_0\)和直径\(d_0\)，并记录数据。2.将扭转试样安装在扭转试验机上，调整试验机的初始参数，包括扭矩量程、转速等。3.缓慢施加扭矩，记录扭矩\(T\)和对应的扭转角\(\varphi\)，直至材料破坏。4.实验结束后，卸载试验机，取下试样，清理实验现场。

六、实验数据记录与处理

轴向拉压实验数据记录与处理1.原始数据记录试样编号：[编号]标距长度\(l_0\)（mm）：[具体数值]直径\(d_0\)（mm）：[具体数值]弹性阶段载荷变形量数据：|载荷\(F\)（kN）|变形量\(\Deltal\)（mm）||::|::||[数值1]|[数值2]||[数值3]|[数值4]||......|......|屈服载荷\(F_s\)（kN）：[具体数值]屈服阶段变形量：[具体数值]拉断载荷\(F_b\)（kN）：[具体数值]拉断后标距长度\(l_1\)（mm）：[具体数值]2.数据处理计算各点应力\(\sigma=\frac{F}{A}\)，其中\(A=\frac{\pid_0^2}{4}\)。计算各点应变\(\varepsilon=\frac{\Deltal}{l_0}\)。绘制应力应变曲线，根据曲线确定弹性模量\(E\)、屈服强度\(\sigma_s\)和抗拉强度\(\sigma_b\)。计算伸长率\(\delta=\frac{l_1l_0}{l_0}\times100\%\)。

扭转实验数据记录与处理1.原始数据记录试样编号：[编号]标距长度\(l_0\)（mm）：[具体数值]直径\(d_0\)（mm）：[具体数值]扭矩扭转角数据：|扭矩\(T\)（N·m）|扭转角\(\varphi\)（°）||::|::||[数值1]|[数值2]||[数值3]|[数值4]||......|......|破坏扭矩\(T_b\)（N·m）：[具体数值]2.数据处理计算各点扭转切应力\(\tau=\frac{T\rho}{I_p}\)，其中\(I_p=\frac{\pid_0^4}{32}\)，\(\rho=\frac{d_0}{2}\)。计算各点扭转角\(\varphi\)（弧度），\(\varphi_{rad}=\frac{\varphi_{deg}\times\pi}{180}\)。绘制扭矩扭转角曲线，根据曲线计算剪切弹性模量\(G\)。

七、实验结果与分析

轴向拉压实验结果与分析1.应力应变曲线分析通过绘制的应力应变曲线可以看出，材料在弹性阶段应力与应变呈线性关系，符合胡克定律。当应力达到屈服强度后，材料进入塑性变形阶段，应力基本保持不变，应变继续增加。当应力达到抗拉强度后，材料开始颈缩，直至拉断。2.弹性模量E计算得到的弹性模量\(E\)反映了材料抵抗弹性变形的能力。不同材料的弹性模量不同，本实验所测材料的弹性模量表明其在弹性范围内具有较好的刚度。3.屈服强度\(\sigma_s\)和抗拉强度\(\sigma_b\)屈服强度和抗拉强度是衡量材料强度的重要指标。本实验所测材料的屈服强度和抗拉强度值表明其具有一定的承载能力，可用于相应的工程结构设计。4.伸长率\(\delta\)伸长率反映了材料的塑性变形能力。本实验所测材料的伸长率表明其具有较好的塑性，在受力变形时能够产生较大的塑性变形而不破坏。

扭转实验结果与分析1.扭矩扭转角曲线分析通过绘制的扭矩扭转角曲线可以看出，材料在弹性范围内扭矩与扭转角呈线性关系。随着扭矩的增加，扭转角逐渐增大，当扭矩达到一定值后，材料开始出现塑性变形，曲线斜率发生变化。2.剪切弹性模量G计算得到的剪切弹性模量\(G\)反映了材料抵抗扭转变形的能力。本实验所测材料的剪切弹性模量表明其在扭转时具有一定的刚度。3.破坏形式分析观察试样的破坏形式，发现扭转破坏通常发生在与轴线成45°的螺旋面上，这是由于在扭转时，该面上的切应力最大。

八、结论通过本次金属轴向拉压和扭转实验，成功测定了金属材料的弹性模量\(E\)、屈服强度\(\sigma_s\)、抗拉强度\(\sigma_b\)、伸长率\(\delta\)以及剪切弹性模量\(G\)等力学性能参数。实验结果表明，所测材料具有良好的强度和塑性，在轴向拉压和扭转作用下呈现出典型的力学行为。实验过程中掌握了万能材料试验机和扭转试验机的操作方法，学会了实验数据的采集和处理，为今后进一步研究金属材料的力学性能和工程应用奠定了基础。

九、讨论1.在实验过程中，加载速度对实验结果有一定影响。加载速度过快可能导致测得的力学性能参数不准确，因此应严格按照实验要求控制加载速度。2.实验数据存在一