力學(xué)實驗指導(dǎo)書0512.doc

工程力學(xué)A、工程力學(xué)A(1)、材料力學(xué)實驗指導(dǎo)書1. 實驗總體目標培養(yǎng)學(xué)生利用萬能試驗機測定低碳鋼、鑄鐵的拉伸、壓縮力學(xué)性能曲線，利用電測法測量矩形截面梁在純彎曲時橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律的實驗動手能力、數(shù)據(jù)處理能力，運用應(yīng)力狀態(tài)分析方法解釋材料的破壞現(xiàn)象的綜合分析能力，以提高學(xué)生的實驗技能和工作實踐能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)、分析和解決問題的能力。2. 適用專業(yè)材料科學(xué)與工程、熱能與動力工程、水利水電工程、核技術(shù)和核工程、風(fēng)能與動力工程3. 先修課程高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理4. 實驗課時分配實驗項目名稱學(xué)時實驗一 塑性材料和脆性材料的力學(xué)性能測試與分析2實驗二 梁的彎曲正應(yīng)力測定2 實驗環(huán)境（對實驗室、機房、服務(wù)器、打印機、投影機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等配置及數(shù)量要求）110t微機控制電子萬能試驗機；230t微機控制電液伺服萬能試驗機；3多用電測實驗臺；4YJ一25型電阻應(yīng)變儀；5P20R25到預(yù)調(diào)平衡箱；6游標卡尺、鋼板尺。 實驗總體要求熟悉低碳鋼、鑄鐵的拉伸、壓縮力學(xué)性能曲線測定，斷口形貌觀察以及塑形指標的測量，并能綜合運用應(yīng)力狀態(tài)分析方法解釋材料破壞的現(xiàn)象；熟悉測量矩形截面梁在純彎曲時橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律。 本實驗的重點、難點及教學(xué)方法建議本實驗的重點是熟悉低碳鋼、鑄鐵的拉伸、壓縮力學(xué)性能曲線測定、斷口形貌觀察以及塑形指標的測量以及測量矩形截面梁在純彎曲時橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律。本實驗的難點是綜合運用應(yīng)力狀態(tài)分析方法解釋材料的破壞現(xiàn)象。實驗一 塑性材料和脆性材料的力學(xué)性能測試與分析一、實驗?zāi)康?熟悉萬能材料試驗機的使用方法。2低碳鋼、鑄鐵拉伸、壓縮力學(xué)性能曲線的測定。3測定低碳鋼的力學(xué)性能參數(shù)：ss、sb、y、d，測定鑄鐵的力學(xué)性能參數(shù)sb。4應(yīng)用應(yīng)力狀態(tài)分析方法解釋材料的破壞現(xiàn)象。二、實驗類型（含驗證型、設(shè)計型或綜合型）綜合型三、實驗儀器110t微機控制電子萬能試驗機；230t微機控制電液伺服萬能試驗機；3游標卡尺、鋼板尺。四、實驗原理（一）拉伸和壓縮試樣按照國家標準GB639786金屬拉伸試驗試樣，金屬拉伸試樣的形狀分為圓形截面試樣、矩形截面試樣、異形截面試樣和不經(jīng)機加工的全截面形狀試樣四種。其中最常用的是圓形截面試樣和矩形截面試樣。如圖1-1所示，圓形截面試樣和矩形截面試樣均由平行、過渡和夾持三部分組成。平行部分的試驗段長度l0稱為試樣的標距。圓形截面比例試樣通常取： 圖1-1 拉伸試樣矩形截面比例試樣通常?。?。對試樣的形狀、尺寸和加工的技術(shù)要求參見國家標準GB639786。 圖1-2 壓縮試樣按照國家標準GB731487金屬壓縮試驗方法，金屬壓縮試樣分為圓柱體試樣、正方形柱體試樣兩種。如圖12所示。材料的抗壓能力與試件高度l和直徑d的比值l/d有關(guān)，比值愈大，鑄鐵的抗壓強度極限就愈小。因此，壓縮實驗必須在相同的實驗條件下進行，這樣才能使不同材料的壓縮性能具有可比性。金屬材料壓縮破壞實驗所用的試件，一般規(guī)定為：（二）低碳鋼、鑄鐵的拉伸、壓縮實驗1低碳鋼、鑄鐵拉伸實驗在實驗過程中，與微機控制電子萬能試驗機聯(lián)機的計算機的顯示屏上實時繪出試樣的拉伸曲線(也稱為F l 曲線)，如圖1-3所示。 圖1-3 低碳鋼、鑄鐵拉伸圖 低碳鋼試樣的拉伸曲線(圖1-3a)分為四個階段彈性、屈服、強化、局部變形階段。鑄鐵試樣的拉伸曲線(圖1-3b)比較簡單，既沒有明顯的直線段，也沒有屈服階段，變形很小時試樣就突然斷裂，斷口與橫截面重合，斷口形貌粗糙?？估瓘姸萻b較低，無明顯塑性變形。與電子萬能試驗機聯(lián)機的微型電子計算機自動給出低碳鋼試樣的屈服載荷Ps 、最大載荷Pb 和鑄鐵試樣的最大載荷Pb。取下試樣測量試樣斷后最小直徑d1 和斷后標距l(xiāng)1，由下述公式：， ， ， 可計算低碳鋼的拉伸屈服強度s、抗拉強度b 、伸長率和斷面收縮率；鑄鐵的抗拉強度極限b。若實驗前將試樣的初始直徑d0、初始標距長度l0等數(shù)據(jù)輸入計算機，計算機可直接計算出以上數(shù)據(jù)并在實驗結(jié)束后給出該材料的屈服強度s 和強度極限b。在測量斷后標距l(xiāng)1時，若斷口位置到最臨近的標距線大于l0/3，則可直接測量試樣標距兩端的距離得到l1。否則就要采用斷口移位法使斷口居于標距的中央附近。具體方法是，在進行實驗前，先把試樣在標距內(nèi)n等份（一般以10mm為一份），并打上標記。試件拉斷后，將拉斷的試件斷口對緊（如圖1-4所示），以斷口O為起點，在長段上取基本等于短段格數(shù)得B點。若長段所余格數(shù)為偶數(shù)（圖1-4（a），則取其所余格數(shù)的一半得出C點，將BC段長度移到試件左端，此時，l1=AB+2BC。若長段所余格數(shù)為奇數(shù)時（圖1-4（b），可在長段上量取所余格數(shù)減1后的一半得C點，再量取長段上所余格數(shù)加1后的一半得C1點，此時，l1= AB+BC+BC1。若斷口落在標距之外則實驗無效，需重作實驗。圖1-4 斷口移位法2低碳鋼、鑄鐵壓縮實驗試驗機上一般均應(yīng)附有球形承墊，如圖1-5所示。球形承墊位于試件下端或上端。當(dāng)試件兩端面稍有不平行時，球形承墊可以起調(diào)節(jié)作用，使壓力通過試件軸線。 圖1-5 壓縮時球形承墊 圖1-6 低碳鋼壓縮圖 圖1-7 鑄鐵壓縮圖進行低碳鋼壓縮試驗時，為測取材料的壓縮屈服點，應(yīng)緩慢加載，同時仔細觀察Fl 曲線的發(fā)展情況，曲線由直線變?yōu)榍€的拐點處所對應(yīng)的載荷即為屈服載荷Fs。材料屈服之后開始強化，由于壓縮變形使試樣的橫截面積不斷增大，盡管載荷不斷增大，但是，直至將試樣壓成餅形也不會發(fā)生斷裂破壞，如圖1-6所示。因此無法測量低碳鋼的抗壓強度Fb，壓縮試驗載荷變形曲線如圖1-6所示。低碳鋼的屈服極限公式為：鑄鐵壓縮試驗時，由壓縮試驗載荷變形曲線(圖1-7)可看出，隨著載荷的增加，破壞前試樣也會產(chǎn)生較大的變形，直至被壓成“微鼓形”之后才發(fā)生斷裂破壞，破壞的最大載荷即為斷裂載荷。破壞斷口與試樣加載軸線約成45角(如圖1-7)。由于單向拉伸、壓縮時的最大切應(yīng)力作用面與最大正應(yīng)力作用面約成45角，因此，可知上述破壞是由最大切應(yīng)力引起的。仔細觀察試樣斷口的表面，可以清晰地看到材料受剪切錯動的痕跡。鑄鐵的極限強度公式為： （三）應(yīng)力狀態(tài)分析方法 軸向拉伸和壓縮時任一斜截面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力可用如下公式表示： 圖1-8 軸向拉伸時任一斜截面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力其中：-橫截面上的正應(yīng)力 -斜橫截面外法線與x軸的夾角。從以上兩式中可以看出：的截面（即橫截面）上正應(yīng)力最大，的截面上剪應(yīng)力最大，且。 根據(jù)低碳鋼、鑄鐵在拉伸、壓縮時的斷口特征和應(yīng)力狀態(tài)分析方法即可分析出低碳鋼、鑄鐵在拉伸和壓縮時的破壞現(xiàn)象。五、實驗內(nèi)容和要求1低碳鋼、鑄鐵的拉伸實驗及力學(xué)性能曲線測定，低碳鋼的力學(xué)性能參數(shù)ss、sb、y、d 和鑄鐵的力學(xué)性能參數(shù)sb的測定。2低碳鋼、鑄鐵的壓縮實驗力學(xué)性能測定，低碳鋼的力學(xué)性能參數(shù)ss和鑄鐵的力學(xué)性能參數(shù)sb的測定。3觀察低碳鋼、鑄鐵在拉伸、壓縮破壞時斷口特征，應(yīng)用應(yīng)力狀態(tài)分析方法解釋低碳鋼、鑄鐵在拉伸和壓縮時的破壞現(xiàn)象。六、注意事項1實驗前認真預(yù)習(xí)、閱讀實驗指導(dǎo)書，明確實驗原理、任務(wù)、操作步驟；2實驗過程中嚴格遵守操作規(guī)程，自覺遵守實驗室各項規(guī)章制度；3認真觀察和分析實驗現(xiàn)象，作好實驗數(shù)據(jù)記錄；4按照格式要求認真撰寫實驗報告，不得抄襲。七、思考題1分別畫出低碳鋼、鑄鐵拉伸時的曲線2試分別比較低碳鋼和鑄鐵在軸向拉伸和壓縮下的力學(xué)性能。3比較低碳鋼、鑄鐵拉伸和壓縮的斷口形貌，應(yīng)用應(yīng)力狀態(tài)分析方法解釋其破壞的原因。 實驗二 梁的彎曲正應(yīng)力測定一、實驗?zāi)康?.熟悉電測法的基本原理和靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的使用方法。2.測量矩形截面梁在純彎曲時橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律。3.比較正應(yīng)力的實驗測量值與理論計算值的差別。二、實驗類型（含驗證型、設(shè)計型或綜合型）驗證型三、實驗儀器1多用電測實驗臺；2YJ一25型電阻應(yīng)變儀；3P20R25到預(yù)調(diào)平衡箱；4游標卡尺及鋼尺。四、實驗原理實驗裝置如圖2-1所示，矩形截面梁采用低碳鋼或中碳鋼制成。在梁承發(fā)生純彎曲變形梁段的側(cè)面上，沿與軸線平行的不同高度的線段、（線位于中性層上，線位于梁的上表面，線位于梁的下表面，和、和各距線等距，其距離分別用和表示）上粘貼有五個應(yīng)變片作為工作片，另外在梁的右支點以外粘貼有一個應(yīng)變片作為溫度補償片。將五個工作片和溫度補償片的引線以半橋形式分別接入電阻應(yīng)變儀后面板上的五個通道中，組成五個電橋（其中工作片的引線接在每個電橋的和端，溫度補償片接在電橋的和端）。當(dāng)梁在載荷作用下發(fā)生彎曲變形時，工作片的電阻值將隨著梁的變形而發(fā)生變化，通過電阻應(yīng)變儀可以分別測量出各對應(yīng)位置的應(yīng)變值。根據(jù)胡克定律，可計算出相應(yīng)的應(yīng)力值式中，為梁材料的彈性模量。梁在純彎曲變形時，橫截面上的正應(yīng)力理論計算公式為式中：為橫截面上的彎矩；為梁的橫截面對中性軸的慣性矩；為中性軸到欲求應(yīng)力點的距離。在實驗指定截面的電阻片布置如圖21所示，各電阻片的應(yīng)變值測出后就能計算出其應(yīng)力大小和分布并與理論值比較。ABCD圖2-1 矩形截面梁的純彎曲五、實驗內(nèi)容和要求1. 測量矩形截面梁在純彎曲時橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律。2. 比較正應(yīng)力的實驗測量值與理論計算值的差別。六、注意事項1實驗前認真預(yù)習(xí)、閱讀實驗指導(dǎo)書，明確實驗原理、任務(wù)、操作步驟；2實