工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)-孫凱

1、工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)編著：張功學(xué) 陜西科技大學(xué)二00六年十二月3.1 材料的拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)是對(duì)塑性材料和脆性材料在常溫靜載作用下，測(cè)定其力學(xué)性能的試驗(yàn)。試驗(yàn)中測(cè)得的力學(xué)性能指標(biāo)，是工程設(shè)計(jì)以及鑒定工程材料的主要依據(jù)。本試驗(yàn)采用低碳鋼和鑄鐵作為塑性材料和脆性材料的代表，分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1)了解材料受拉伸時(shí)，力與變形的關(guān)系，繪制拉伸圖(Fl曲線(xiàn))。 (2)測(cè)定低碳鋼的屈服極限S、強(qiáng)度極限b、延伸率和截面收縮率。(3)測(cè)定鑄鐵的強(qiáng)度極限b、延伸率和截面收縮率(4)比較低碳鋼與鑄鐵的力學(xué)性能、破環(huán)過(guò)程和現(xiàn)象。 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備： 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺。三、試件：實(shí)驗(yàn)表明，試件的尺寸和形

2、狀對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響，為了避免這種影響和便于對(duì)各種材料力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果可進(jìn)行比較，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試件的尺寸、形狀作了統(tǒng)一規(guī)定，根據(jù)規(guī)定，拉伸試件可制成圓形或矩形截面，實(shí)驗(yàn)前、后的試件如圖所示。圖3-1 低碳鋼拉伸前后試件比較其中拉伸試件還可分為比例試件和非比例試件兩種。比例試件應(yīng)符合如下關(guān)系：式中 L為標(biāo)距即計(jì)算長(zhǎng)度；A0為初始橫截面面積；K系數(shù)，通常為565和113，前者稱(chēng)短試件，后者稱(chēng)長(zhǎng)試件。對(duì)圓形截面： 長(zhǎng)試件 L 10d0 短試件 L5d0 對(duì)矩形截面： 長(zhǎng)試件 L113A0 短試件 L565A 0 對(duì)于非比例試件，例如成品材料型材、板材、管材或細(xì)絲等，測(cè)試長(zhǎng)度與橫截面面積無(wú)一定比例關(guān)系。

3、試件兩端較粗部分是為裝入試驗(yàn)機(jī)夾頭中的夾持部分，該部分形狀視試驗(yàn)機(jī)夾頭的要求而定，可制成圓柱形、階梯形或螺紋形，其長(zhǎng)度至少應(yīng)為試驗(yàn)機(jī)楔形夾具長(zhǎng)度的三分之二。 四、實(shí)驗(yàn)原理： 1、低碳鋼拉伸 ： 金屬材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能指標(biāo)，是由拉伸試驗(yàn)來(lái)確定的。為此，將試件按國(guó)標(biāo)規(guī)定加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，利用試驗(yàn)機(jī)的繪圖裝置可以繪出測(cè)試材料的拉伸曲線(xiàn)圖，下圖為低碳鋼的拉伸曲線(xiàn)圖（F-l）。圖3-2 低碳鋼拉伸曲線(xiàn)圖（F-l）應(yīng)當(dāng)指出，由于在加載的最初階段，試件夾持部分在夾頭內(nèi)有滑動(dòng)等因素，因此繪出的拉伸圖的最初一段呈現(xiàn)曲線(xiàn)。但實(shí)際上最初這段線(xiàn)條應(yīng)是直線(xiàn)，故應(yīng)將直線(xiàn)部分延長(zhǎng)使與l軸

4、相交，交點(diǎn)O定為坐標(biāo)原點(diǎn)。 對(duì)于低碳鋼屈服階段的F-L圖是鋸齒形。B點(diǎn)為上屈服點(diǎn)，即屈服階段中力第一次下降前的最大載荷，用FSU來(lái)表示，對(duì)有明顯屈服現(xiàn)象的材料，一般只需要測(cè)定下屈服點(diǎn)C，用FS來(lái)表示。由于下屈服點(diǎn)比較穩(wěn)定，工程上均以此作為材料析屈服載荷。在屈服階段中，指針無(wú)規(guī)則來(lái)回?cái)[動(dòng)，要準(zhǔn)確判讀屈服載荷讀數(shù)有一定的難度，一般的判讀是試驗(yàn)機(jī)測(cè)力指針第一次回轉(zhuǎn)后所指示的最小載荷為下屈服點(diǎn)載荷。過(guò)了屈服階段，繼續(xù)加載曲線(xiàn)上升，至載荷達(dá)到最大值D點(diǎn)，此時(shí)也是試件的名義應(yīng)力達(dá)到最大值。過(guò)了D點(diǎn)，拉伸曲線(xiàn)開(kāi)如下降，測(cè)力指針開(kāi)始倒退，這時(shí)可觀察到試件在某一截面附近產(chǎn)生局部變形，即頸縮現(xiàn)象出現(xiàn)，直至E點(diǎn)試件

5、斷裂。2、鑄鐵拉伸 圖3-3 鑄鐵拉伸曲線(xiàn)圖（F-l）鑄鐵為脆性材料。試件受拉伸后、通過(guò)繪圖器繪出的鑄鐵拉伸圖如圖所示。圖中其拉伸的最初階段也沒(méi)有直線(xiàn)段，說(shuō)明在載荷很小的情況下，彈性變形的增長(zhǎng)也不與載荷成正比。鑄鐵試件在拉伸過(guò)程中變形很小，沒(méi)有屈服現(xiàn)象和頸縮現(xiàn)象，當(dāng)載荷達(dá)到最大值時(shí)，斷裂突然發(fā)生。因此，對(duì)鑄鐵只測(cè)定其最大載荷，即可得到強(qiáng)度極限。五、實(shí)驗(yàn)步驟 低碳鋼拉伸： 1、試件準(zhǔn)備 采用長(zhǎng)試件(L10d)。 用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距兩端和中間部位,分別沿相互垂直的兩個(gè)方向各測(cè)量一次直徑，并計(jì)算這三處的平均值，取其最小者作為試件直徑d，并計(jì)算出試件的橫截面面積A0。 2、試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備根據(jù)低碳鋼的強(qiáng)度

6、極限b和橫截面面積A0，估算出試驗(yàn)所需的最大載荷Fb，選擇合適的測(cè)力度盤(pán)，并配以相應(yīng)的擺錘。將緩沖器調(diào)至適當(dāng)位置，調(diào)整測(cè)力指針使其對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn)，調(diào)整好繪圖裝置。 3、安裝試件 先把試件夾持在試機(jī)的上夾頭內(nèi)，再將下夾頭移動(dòng)至試件所需的夾持位置，并把試件下端夾緊。 4、進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 開(kāi)動(dòng)實(shí)驗(yàn)機(jī)，緩慢勻速加載，隨時(shí)觀察測(cè)力指針與繪圖筆的移動(dòng)情況 。對(duì)低碳鋼試件，分別判讀出FSU，F(xiàn)SL并記錄，繼續(xù)加載，觀察曲線(xiàn)變化規(guī)律，直至載荷達(dá)到最大值。這時(shí)測(cè)力指針倒退，則可由副針讀取最大載荷Fb，仔細(xì)觀察頸縮現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展。試件拉斷后，取出試件觀察斷口。 5、延伸率和截面收縮率的測(cè)定 為了測(cè)定延伸率，將拉斷試件的兩端

7、對(duì)齊并盡量靠緊，由于斷口附近塑性變形最大，所以拉斷后的新長(zhǎng)度L 的量取與斷口的部位有關(guān)，L可用下述方法之一測(cè)定。 （1）直測(cè)法 ：如果斷口到鄰近標(biāo)記點(diǎn)的距離大于L/3時(shí)可用時(shí)可用游標(biāo)卡尺直接測(cè)量?jī)啥它c(diǎn)間的距離。 （2）移中法：如果斷口到鄰近標(biāo)距離小于或等于L/3，則應(yīng)按下述方法確定拉斷后試件標(biāo)距部分的長(zhǎng)度L 。 利用試驗(yàn)前將試件等分刻畫(huà)的10個(gè)小格，在拉斷后的長(zhǎng)段上，由斷口處取基本等于短段的格數(shù)，定出B點(diǎn)，若長(zhǎng)段內(nèi)所余格數(shù)為偶數(shù)時(shí)。接著取所余格數(shù)的一半得C點(diǎn)，則移動(dòng)中后的新長(zhǎng)度L為：L =l、+ 2l。 當(dāng)長(zhǎng)段所余格數(shù)為奇數(shù)時(shí)，接著取所余格數(shù)減1后的一半得C點(diǎn)、加1后一半得C1點(diǎn)，如圖2-4(

8、C)所示，則移中后的新長(zhǎng)度L為：L1 =l、+ 2l+a當(dāng)斷口非?？拷嚰啥嘶蛟谠嚰?biāo)距外時(shí)，認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效需重作試驗(yàn)。 為了測(cè)定截面收縮率，應(yīng)將兩段試件緊密地對(duì)接在一起，在斷口頸縮處沿兩個(gè)互相垂直方向各測(cè)量一次直徑，算出平均值即為拉斷后新直徑d，用來(lái)計(jì)算斷口處橫截面面積A 。鑄鐵拉伸 (1)試件準(zhǔn)備與尺寸測(cè)量；調(diào)整測(cè)力盤(pán)指針歸零；裝夾試件；準(zhǔn)備好繪圖裝置等試驗(yàn)步驟均同低碳鋼拉伸試驗(yàn)。 (2)進(jìn)行試驗(yàn)。開(kāi)機(jī)，緩慢加載，直至試件拉斷，讀出并記錄最大載荷值，此即為鑄鐵的強(qiáng)度極限載荷Fb 。 (3)取出試件，仔細(xì)觀察斷口并與低碳鋼拉伸試件斷口比較。(4)試驗(yàn)結(jié)束后，取下繪出的拉伸圖紙，注明坐標(biāo)及

9、繪圖比例。將試驗(yàn)機(jī)的機(jī)構(gòu)，部件復(fù)原，清理試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。下圖為脆性材料（鑄鐵）拉伸實(shí)驗(yàn)前后的試件圖。它在拉伸過(guò)程中沒(méi)有塑性破壞現(xiàn)象，所以它的斷裂面是沿著橫截面斷裂的。圖3-4 鑄鐵拉伸前后試件比較六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理(1)根據(jù)測(cè)得的屈服載荷Fs和最大載荷Fb計(jì)算屈服極限S和強(qiáng)度極限b 屈服極限： 強(qiáng)度極限： (2)根據(jù)試驗(yàn)前后的試件標(biāo)距長(zhǎng)度和截面面積、計(jì)算出低碳鋼的延伸率和截面收縮率。 延伸率： 截面收縮率： (3)計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字。 七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)報(bào)告建議采用表格或圖形的形式表達(dá)，并附以必要的文字說(shuō)明。拉伸試驗(yàn)報(bào)告推薦以下格式。材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 (供參考) 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)設(shè)備：

10、1、實(shí)驗(yàn)記錄及計(jì)算結(jié)果(1)試件尺寸(2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果 低碳鋼實(shí)驗(yàn) 屈服點(diǎn)載荷： Fs= （T）= （N） 最大載荷 ： Fb= （T）= （N） 屈服極限 ： = 強(qiáng)度極限：= 延伸率： = 截面收縮率： = 鑄鐵實(shí)驗(yàn) 最大載荷： Fb= （T）= （N） 強(qiáng)度極限：=2. 繪制F-L曲線(xiàn)及斷口形狀(定性畫(huà)出，但不能失真)3. 必要的文字說(shuō)明 實(shí)驗(yàn)日期；試驗(yàn)溫度及試驗(yàn)參照?qǐng)?zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)等。八、分析與思考題比較低碳鋼和鑄鐵拉伸時(shí)的力學(xué)性能。拉伸時(shí)低碳鋼的屈服高、低點(diǎn)如何確定？低碳鋼拉斷時(shí)的應(yīng)力是否就是強(qiáng)度極限？(4)低碳鋼拉伸時(shí)分為幾個(gè)階段?各是什么?各階段有何特征?3.2 材料的壓縮實(shí)驗(yàn)

11、 有些工程材料在拉伸和壓縮時(shí)所表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)并不相同，因此，有必要通過(guò)壓縮試驗(yàn)來(lái)測(cè)定材料受壓縮時(shí)的力學(xué)性能和破壞現(xiàn)象，并且多用于測(cè)定脆性材料，如鑄鐵、混凝土、磚、石等材料的力學(xué)性能。 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?(1)測(cè)定低碳鋼的壓縮屈服極限S和鑄鐵的抗壓強(qiáng)度極限b。 (2)觀察比較低碳鋼和鑄鐵壓縮時(shí)的變形和破壞現(xiàn)象，并進(jìn)行比較。 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 (1)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。 (2)游標(biāo)卡尺。 三、實(shí)驗(yàn)原理 低碳鋼和鑄鐵等金屬材料的壓縮試件一般制成圓柱形，如圖2-5所示。試件受壓時(shí)，兩端面與試驗(yàn)機(jī)上、下支承墊間的摩擦力約束試件的橫向變形，影響試件的強(qiáng)度。隨著比值h0 /d0的增加，端面摩擦力對(duì)試件中部的影響將會(huì)減弱，抗

12、壓強(qiáng)度降低。但h0 /d0比值也不能過(guò)大，否則將引起失穩(wěn)，因此，抗壓能力與試件高度h0和直徑d0的比值h0 /d0有關(guān)。由此可見(jiàn)，壓縮試件只有在相同的試驗(yàn)條件下，才能對(duì)不同材料的壓縮性能進(jìn)行比較。金屬材料壓縮試驗(yàn)所用試件，通常規(guī)定為1d/h3。低碳鋼為塑性材料，受壓后試件高度不斷縮短，橫截面面積增加，承載力隨之增大，試件形成桶狀如圖（a）所示，直至壓成餅狀而不致斷裂，因此不能測(cè)得其壓縮強(qiáng)度極限，只能測(cè)得屈服極限。 圖3-5 材料壓縮破壞圖鑄鐵為脆性材料，當(dāng)試件受壓后變形不大時(shí)即破裂上圖(b)故僅能測(cè)得強(qiáng)度極限。一、 實(shí)驗(yàn)方法及步驟 低碳鋼試件 (1)用游標(biāo)卡尺測(cè)量出試件的直徑和高度，并做好記錄

13、。 (2)將試件安裝于試驗(yàn)機(jī)上、下支承墊之間(圖2-5)，并注意使試件直立端正，保持球形支承墊的潤(rùn)滑、靈活。 (3)裝好自動(dòng)繪圖裝置，選擇壓縮曲線(xiàn)縱橫坐標(biāo)比例尺。(4)打開(kāi)進(jìn)油閥、緩慢加載。注意觀察測(cè)力指針的轉(zhuǎn)動(dòng)情況和繪圖紙上的壓縮圖，當(dāng)過(guò)比例極限荷載Fa后，開(kāi)始出現(xiàn)變形增長(zhǎng)較快的一小段，測(cè)力指針轉(zhuǎn)動(dòng)減慢，出現(xiàn)短時(shí)停頓或倒退現(xiàn)象，這時(shí)表示達(dá)到屈服荷載Fs，如圖2-7(a)所示。此后，圖形沿曲線(xiàn)斷續(xù)上升，這是因?yàn)樗苄宰冃窝杆俚卦鲩L(zhǎng)，試件截面面積也隨之增大，增大的面積能承受更大的荷載。因此，確定Fa時(shí)要特別小心地觀察、判讀。有時(shí)由于指針?biāo)俣鹊臏p慢不十分明顯，故常要借助繪出的F-L曲線(xiàn)來(lái)判斷Fb到達(dá)

14、的時(shí)刻。 圖3-6 低碳鋼和鑄鐵的壓縮曲線(xiàn) 鑄鐵試件 (1)試驗(yàn)機(jī)，試件準(zhǔn)備同前。 (2)安裝試件同前。 (3)加載。鑄鐵試件無(wú)屈服階段，故只能測(cè)得其破壞荷載，如圖2-7(b)所示。破壞主要是剪應(yīng)力引起的，記錄此時(shí)的最大荷載Fb。 (4)取下試件進(jìn)行觀察比較。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理 根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算出：低碳鋼壓縮屈服極限：鑄鐵的抗壓強(qiáng)度：式中 A0為試驗(yàn)前試件的橫截面面積。 六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?實(shí)驗(yàn)設(shè)備： 實(shí)驗(yàn)記錄及計(jì)算結(jié)果： (1)試件尺寸 (2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果 七、分析與思考題分析鑄鐵試件壓縮時(shí)沿軸線(xiàn)約成45角的破壞原因。試分別比較低碳鋼和鑄鐵在壓縮過(guò)

15、程中的異同點(diǎn)及力學(xué)性質(zhì)。壓縮時(shí)為什么必須將試件對(duì)準(zhǔn)中心位置，如沒(méi)有對(duì)中會(huì)產(chǎn)生什么影響？3.3 材料的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)研究不同材料的扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能，對(duì)于承受扭轉(zhuǎn)載荷的構(gòu)件，具有重要的實(shí)際意義。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)測(cè)定低碳鋼的剪切屈服極限s，剪切強(qiáng)度極限b。(2)測(cè)定鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限b。(3)比較低碳鋼和鑄鐵試件受扭時(shí)的變形規(guī)律及其破壞特征。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試件NJ100B型或K50型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。游標(biāo)卡尺。試件：按國(guó)標(biāo)規(guī)定，扭轉(zhuǎn)試件一般為圓截面如圖3-8所示。推薦采用直徑為10mm，標(biāo)距L為100 mm的圓形試件。三、實(shí)驗(yàn)原理 圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)，試件表面為純剪應(yīng)力狀態(tài)。試件的斷裂方式為分析材料的破壞原因和抗斷能力

16、提供了直接有效的依據(jù)。材料扭轉(zhuǎn)過(guò)程可用試件的變形(扭轉(zhuǎn)角)和載荷(扭矩T)的關(guān)系，即T-曲線(xiàn)來(lái)描述。圖3-9為兩種曲型材料的扭轉(zhuǎn)曲線(xiàn)。從T-曲線(xiàn)可見(jiàn)，低碳鋼扭轉(zhuǎn)在開(kāi)始變形的直線(xiàn)段內(nèi)，扭矩T與轉(zhuǎn)角之間成正比關(guān)系，為彈性階段。橫截面上的剪應(yīng)力成線(xiàn)性分布，最大剪應(yīng)力發(fā)生在橫截面周邊處，在圓心為零，如圖所示。隨著T的增大，試件將產(chǎn)生明顯的屈服階段，橫截面邊緣處的剪應(yīng)力首先到達(dá)剪切屈服極限s，剪應(yīng)力的分布不再是線(xiàn)性的，而是發(fā)生屈服形成環(huán)形塑性區(qū)。隨著扭轉(zhuǎn)變形的增加，塑性區(qū)不斷向圓心擴(kuò)展，直至全截面幾乎都是塑性區(qū)為止，即全面(理想)屈服。圖3-8 低碳鋼、鑄鐵試件扭轉(zhuǎn)前后比較圖3-9 低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)曲

17、線(xiàn)試件屈服過(guò)程中，在T-曲線(xiàn)上出現(xiàn)屈服平臺(tái)，扭矩度盤(pán)的指針基本不動(dòng)或輕微擺動(dòng)，則指針擺動(dòng)回退的最小值即為屈服扭矩Ts。 由T-曲線(xiàn)可見(jiàn)，過(guò)屈服階段后，材料的強(qiáng)化使扭矩又有緩慢的上長(zhǎng)。而變形非常顯著，試件的縱向畫(huà)線(xiàn)逐漸變成了螺旋線(xiàn)。直至到達(dá)C點(diǎn)、試件斷裂為止。此時(shí)，由扭矩度盤(pán)讀出C點(diǎn)的最大扭矩值Tb。 鑄鐵試件受扭轉(zhuǎn)時(shí)，變形很少即發(fā)生斷裂。其T-曲線(xiàn)如圖2-10(b)所示，比較明顯地偏離了直線(xiàn)，呈非線(xiàn)性。試件斷裂時(shí)的扭矩讀數(shù)就是最大扭矩Tb。 四、實(shí)驗(yàn)步驟 低碳鋼扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)1 試件尺寸測(cè)量試件直徑d。2 試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備 選擇合適的扭矩度盤(pán)，使測(cè)力指針對(duì)準(zhǔn)零點(diǎn)(主從動(dòng)針也應(yīng)重合)。3 裝夾試件及繪圖儀的

18、準(zhǔn)備為了觀察低碳鋼試件的變形狀態(tài)及斷后的扭轉(zhuǎn)變形圈數(shù)，事先在試件的標(biāo)矩長(zhǎng)度內(nèi)，沿試件軸線(xiàn)用粉筆劃一直線(xiàn)。然后把試件一端裝入測(cè)力矩夾頭，另一端裝入加載夾頭，先夾緊測(cè)力矩夾頭，再夾緊加載夾頭。再把繪圖器上的筆夾上裝上筆，選擇好合適的比例，并使之處于工作狀態(tài)。4 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 緩慢加載。觀察Mn-曲線(xiàn)，當(dāng)扭矩度盤(pán)上指針停止不動(dòng)或擺動(dòng)(回退)的最低刻度值即為屈服扭矩Ts，讀出并記錄Ts。過(guò)了屈服后可增大加載速度，材料進(jìn)一步強(qiáng)化，直到試件斷裂，由從動(dòng)針讀出并記錄最大扭矩Tb。 鑄鐵扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn) 試驗(yàn)步驟與低碳鋼試驗(yàn)相似，但應(yīng)注意觀察鑄鐵扭轉(zhuǎn)曲線(xiàn)與低碳鋼扭轉(zhuǎn)曲線(xiàn)的不同點(diǎn)，即試件從開(kāi)始受扭到試件破壞，近似一直線(xiàn)。由

19、于鑄鐵試件扭轉(zhuǎn)變形較小時(shí)即斷裂，因此，當(dāng)使用K-50型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)作試驗(yàn)時(shí)可用手搖加載；使用NJ-100B型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)時(shí)應(yīng)將扭轉(zhuǎn)速度控制在036/min范圍內(nèi)，試件斷裂后由從動(dòng)針讀出并記錄最大扭矩Tb。 低碳鋼和鑄鐵試驗(yàn)完畢后，取下斷裂后的試件，根據(jù)斷口特征，結(jié)合理論課知識(shí)分析比較試件的斷口，從而達(dá)到驗(yàn)證和鞏固理論的目的。 五、注意事項(xiàng) 參閱1-2扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)操作使用時(shí)的注意事項(xiàng)。 六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、低碳鋼扭轉(zhuǎn)屈服極限s，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限b的計(jì)算。由圖剪應(yīng)力分布情況，若認(rèn)為這時(shí)整個(gè)圓截面均為塑性區(qū)，則屈服載荷Ms與剪切屈服極限的關(guān)系為： 式中為抗扭截面系數(shù)。 與求s相似，低碳鋼的剪切強(qiáng)度極限b可近似地按

20、下式計(jì)算 但是，為了使測(cè)定的指標(biāo)相互可以比較，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB1012888規(guī)定，相應(yīng)的屈服極限s及強(qiáng)度極限均按彈性扭轉(zhuǎn)公式計(jì)算，即 剪切屈服極限：(MPa) 剪切強(qiáng)度極限：(MPa)2、鑄鐵剪切強(qiáng)度極限b的計(jì)算： 鑄鐵的扭轉(zhuǎn)曲線(xiàn)雖不是一直線(xiàn)，但可近似地視為一直線(xiàn)，其剪切強(qiáng)度極限b，仍可近似地用圓軸受扭時(shí)的應(yīng)力公式計(jì)算，即(MPa) 七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(供參考) 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?實(shí)驗(yàn)設(shè)備： 實(shí)驗(yàn)記錄及計(jì)算結(jié)果：1、試件尺寸2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3、計(jì)算結(jié)果 低碳鋼 剪切屈服極限 剪切強(qiáng)度極限 鑄鐵 剪切強(qiáng)度極限4、定性繪出T-圖及斷口形態(tài)5、必要的文字說(shuō)明實(shí)驗(yàn)日期、實(shí)驗(yàn)溫度及實(shí)驗(yàn)參有關(guān)的

21、標(biāo)準(zhǔn)等。八、分析與思考題 (1)低碳鋼和鑄鐵在扭轉(zhuǎn)破壞時(shí)有什么不同現(xiàn)象？斷口有何不同？試分析其原因。 (2)比較低碳鋼和鑄鐵在受扭時(shí)和受拉時(shí)其變形規(guī)律有何異同之處？3.4 低碳鋼剪切彈性模量G的測(cè)定在低碳鋼拉伸彈性模量E的測(cè)定中，已驗(yàn)證了拉伸胡克定律，即在比例極限內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變成正比關(guān)系。同樣，在比例極限內(nèi)剪應(yīng)力和剪應(yīng)變也服從胡克定律，保持正比關(guān)系，其比例常數(shù)就是剪切彈性模量G。它是除E、外的又一個(gè)材料常數(shù)，按國(guó)標(biāo)GB1012888規(guī)定可采用逐級(jí)加載法或圖解法測(cè)定，以下介紹逐級(jí)加載法測(cè)定G值。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 在比例極限內(nèi)驗(yàn)證剪切胡克定律；(2) 并測(cè)定低碳鋼的剪切彈性模量G。二、試驗(yàn)設(shè)備(1

22、)扭轉(zhuǎn)測(cè)G試驗(yàn)裝置。(2)百分表。(3)游標(biāo)卡尺。 三、實(shí)驗(yàn)原理 圖3-10 扭轉(zhuǎn)測(cè)G試驗(yàn)裝置 測(cè)定剪切彈性模量G，需要準(zhǔn)確測(cè)量試件的扭轉(zhuǎn)角，而試件兩截面的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角是非常微小的，因此，常借助百分表或千分表的放大功能并組合成能傳遞扭轉(zhuǎn)變形的儀器，扭角儀就是其中的一種，其構(gòu)造原理及安裝示意圖如圖所示。若給試件施加扭距T，則A，B 兩個(gè)截面將發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，百分表因此而產(chǎn)生讀數(shù)，此讀數(shù)即為A，B截面上距試件中心軸線(xiàn)為b的相對(duì)位移。截面A，B間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角= / a(弧度)。在比例極限線(xiàn)彈性范圍內(nèi)，由材料力學(xué)理論可得 式中 L0標(biāo)距； IP截面極慣性距，對(duì)于圓形截面IP=d04/32在試驗(yàn)時(shí)，由于試件

23、的標(biāo)距L0及慣性矩Lp是已知的，因此，只要獲得扭矩T就可測(cè)得相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角，根據(jù)(2-12)式可得到剪切彈性模量G的表達(dá)式為 試驗(yàn)采用增量法逐級(jí)加載，將扭矩等量增加Mni，與此同時(shí)測(cè)出相應(yīng)每一級(jí)扭矩增量所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角增量i，即 當(dāng)扭矩Ti等量增加時(shí)，相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角i也應(yīng)等量增加，若兩者呈線(xiàn)性關(guān)系，則剪切胡克定律就得到了驗(yàn)證。對(duì)試件施加扭矩，可以通過(guò)扭轉(zhuǎn)測(cè)G試驗(yàn)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，該裝置結(jié)構(gòu)如圖3-10所示將試件安裝在兩個(gè)支架之間。從圖示可見(jiàn)，一個(gè)支座為固定支座；一個(gè)支座為可轉(zhuǎn)動(dòng)鉸支座，在該支座處，試件與一加力懸臂梁固結(jié)相聯(lián)，其臂端掛一砝碼盤(pán)。把已擬定好的砝碼加于砝碼盤(pán)上，使試件產(chǎn)生扭矩T，其值等于砝碼重量

24、F乘以力臂長(zhǎng)度a。在試件計(jì)算長(zhǎng)度上安裝兩個(gè)百分表、并調(diào)整百分表到零，將砝碼逐級(jí)加于砝碼盤(pán)上，由百分表分別讀出位移a和b值(表盤(pán)刻度值)。 四、實(shí)驗(yàn)步驟 (1)將試件及百分表安裝于扭轉(zhuǎn)測(cè)G試驗(yàn)裝置上。 (2)調(diào)整百分表到零，試加一、二級(jí)砝碼觀察讀數(shù)是否等量增加，若未達(dá)到要求則需重新安裝調(diào)試。 (3)按已擬定好的砝碼載荷，分六級(jí)加載，并逐級(jí)讀出百分表刻度，即位移變化量值。同時(shí)還應(yīng)計(jì)算出在一級(jí)載荷增量T作用下的讀數(shù)增量，以此觀察T與之間應(yīng)存在的線(xiàn)性關(guān)系，由此可檢查試驗(yàn)的可靠性。 (4)卸載，重復(fù)試驗(yàn)兩次。 (5)結(jié)束試驗(yàn)，將砝碼放置原位。 五、注意事項(xiàng) (1)百分表的安裝應(yīng)與試件夾持牢固，否則，影響

25、傳遞扭轉(zhuǎn)變形。 (2)加載過(guò)程中應(yīng)小心平穩(wěn)地加上砝碼，防止沖擊及使試驗(yàn)裝置產(chǎn)生傾覆。加載后砝碼盤(pán)不得晃動(dòng)，應(yīng)使其穩(wěn)定后方可讀數(shù)。 六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)試件受扭后截面A、B間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角為式中 A、B兩截面間的位移，即百分表讀數(shù)； a百分表到試件中心的距離。 由于試驗(yàn)采用增量法，則可把上式寫(xiě)為： 然后代入(2-15)式，并逐次計(jì)算Gi，再按(2-16)式計(jì)算得到G。 也可以采用先計(jì)算百分表讀數(shù)增量的平均值，再算出扭轉(zhuǎn)角增量的平均值i=/b直接代入(2-15)式，將i換成i計(jì)算得到G。 七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?實(shí)驗(yàn)設(shè)備： 扭轉(zhuǎn)測(cè)G試驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)記錄及計(jì)算結(jié)果 (1) 實(shí)

26、驗(yàn)裝置尺寸 試件直徑 d0= mm 測(cè)點(diǎn)距離長(zhǎng) LAB= mm 力臂長(zhǎng)度 l = mm 百分表與試件中心間距 a= mm (2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 (3)計(jì)算結(jié)果 轉(zhuǎn)角增量的平均值： 極慣性矩： 剪切彈性模量： 八、分析與思考題(1) 測(cè)G試驗(yàn)裝置測(cè)得的轉(zhuǎn)角=/ b是相對(duì)轉(zhuǎn)角？還是絕對(duì)轉(zhuǎn)角？(2) 為什么要用逐級(jí)加載法，若不這樣加載能驗(yàn)證剪切胡克定律嗎？3.6 純彎曲梁正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)純彎曲是指梁的內(nèi)力只有彎矩而無(wú)剪力作用時(shí)產(chǎn)生的彎曲。通常采用四點(diǎn)彎曲的方法，使梁的中段部分產(chǎn)生純彎曲變形，然后用應(yīng)變儀測(cè)出相應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)變，再利用胡克定律來(lái)計(jì)算實(shí)測(cè)應(yīng)力，從而驗(yàn)證純彎曲梁橫截面上正應(yīng)力分布規(guī)律。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

27、1)測(cè)定純彎曲梁橫截面上正應(yīng)力分布，并與理論值進(jìn)行比較，以驗(yàn)證彎曲正應(yīng)力公式。(2)熟悉電測(cè)法的測(cè)試步驟，學(xué)會(huì)應(yīng)變儀的使用方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備(1)材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)或矩形梁彎曲試驗(yàn)裝置一套。(2)XL2118力&應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀或JDY-型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。(3)游標(biāo)卡尺、鋼尺。三、實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)采用矩形梁彎曲試驗(yàn)裝置，如圖3-12所示。用手動(dòng)加載，而使梁的 圖3-12 組合試驗(yàn)臺(tái)和應(yīng)變片布置圖中段產(chǎn)生純彎曲變形。根據(jù)縱向纖維間無(wú)擠壓假設(shè)和平面假設(shè)，可得到純彎曲正應(yīng)力計(jì)算公式為：式中 M彎矩 IY橫截面對(duì)中性軸的慣性矩；Z所求應(yīng)力點(diǎn)至中性軸的距離。 由上式可知，彎曲正應(yīng)力沿橫截面高度按線(xiàn)性規(guī)律

28、變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用分級(jí)加載方法，可以連續(xù)加載，當(dāng)每增加載荷增量F時(shí)，通過(guò)三級(jí)杠桿，使得距梁兩端支座各為a處分別增加作用力F /2。 為了測(cè)定梁純彎曲時(shí)橫截面上應(yīng)變分布規(guī)律，在梁的純彎曲段沿梁的側(cè)面各點(diǎn)軸線(xiàn)方向布置應(yīng)變片(圖4-1)。應(yīng)變片3貼在中性層上，應(yīng)變片1、5，應(yīng)變片2、4分別貼在距中性層h/4和梁上下表面。如果在載荷作用下，測(cè)得純彎曲時(shí)沿截面高度各點(diǎn)的軸向應(yīng)變?yōu)閕，則由單向應(yīng)力狀態(tài)下胡克定律公式，可求出各個(gè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力值。將實(shí)驗(yàn)應(yīng)力值與理論應(yīng)力值進(jìn)行比較， 即可驗(yàn)證彎曲應(yīng)力公式。一、 實(shí)驗(yàn)步驟：1、測(cè)量梁的截面尺寸bh=2040(mm)，根據(jù)材料的許用應(yīng)力=118MPa，計(jì)算截面所能承受

29、的最大彎矩Mmax,并換算成Fmax。 而 、 其中：a=140mm2、將梁對(duì)稱(chēng)的放于實(shí)驗(yàn)裝置的工作臺(tái)上，梁上安上滾珠和加載梁，調(diào)整好距離，注意左右要對(duì)稱(chēng)。3、將1、2、3、4、5個(gè)點(diǎn)的電阻應(yīng)變片的引出線(xiàn)接到電阻應(yīng)變儀的接線(xiàn)柱上， 調(diào)整好電阻應(yīng)變儀。 4、準(zhǔn)備好后，經(jīng)檢查無(wú)誤，開(kāi)始試驗(yàn)。先記錄下應(yīng)變儀的初始值，然后加載，每加一次砝碼，記錄一次讀數(shù)直到實(shí)驗(yàn)完畢。5、卸下砝碼，整理好儀器、工具。二、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理1、實(shí)驗(yàn)值計(jì)算按測(cè)量的各點(diǎn)應(yīng)變算出應(yīng)變?cè)隽浚⑶蟪龈鼽c(diǎn)的應(yīng)變?cè)隽康钠骄?，?yīng)用虎克定律，可求出各點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力值。上式中:E=200GPa2、 理論值計(jì)算根據(jù)彎曲正應(yīng)力公式可得： 式中3、

30、選用適當(dāng)比例繪圖選用適當(dāng)比例分別繪出各點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)值和理論值沿截面高度的分布曲線(xiàn)，將兩者進(jìn)行比較，如果兩者接近，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)是成功的。三、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器：實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1、 梁的有關(guān)尺寸及其他數(shù)據(jù)應(yīng)變片至中性層的距離（mm）梁的尺寸和相關(guān)參數(shù)Z120寬度bZ210高度hZ30跨度LZ410載荷距離aZ520彈性模量E泊松比慣性矩IZ2、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)值計(jì)算理論值計(jì)算繪出截面的應(yīng)力曲線(xiàn)(理論曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn))實(shí)驗(yàn)值與理論值比較四、 分析與思考題影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素是什么？彎曲正應(yīng)力的大小是否受彈性模量E的影響？實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有考慮梁的自重，會(huì)引起誤差嗎

31、？為什么？3.7 低碳鋼彈性模量E和泊松比的測(cè)定實(shí)驗(yàn) 彈性模量E和泊松比是反映材料在拉伸時(shí)，抵抗彈性變形的特征值，在工程上應(yīng)用極廣，測(cè)定E和的方法較多，本節(jié)僅介紹電測(cè)法。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模豪鞎r(shí)在比例極限內(nèi)，驗(yàn)證胡克定律:測(cè)定低碳鋼的彈性模量E、泊松比。 熟悉電阻應(yīng)變儀的正確使用方法。 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 (1)材料力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)。 (2)力$應(yīng)變參數(shù)性能測(cè)試儀。 (3)游標(biāo)卡尺。 (4)低碳鋼標(biāo)準(zhǔn)試件。 三、實(shí)驗(yàn)原理圖3-13 低碳鋼拉伸變形原理及曲線(xiàn)圖 測(cè)定材料的彈性模量通常采用拉伸試驗(yàn)。從低碳鋼拉伸圖F-L曲線(xiàn)中可以看到，在比例極限內(nèi)，其變形與載荷呈線(xiàn)性關(guān)系，即符合胡克定律，其關(guān)系式為： 由此可得

32、： 或式中 L0為試件的計(jì)算長(zhǎng)度(或?yàn)橐靸x的標(biāo)距)； A0為試件的橫截面面積； L為已知載荷F時(shí)，L0長(zhǎng)度內(nèi)的絕對(duì)伸長(zhǎng)；為實(shí)驗(yàn)應(yīng)力的增量；為橫向應(yīng)變量的增量；為縱向應(yīng)變量的增量。E低碳鋼的彈性模量，本實(shí)驗(yàn)中E=200Gpa。當(dāng)L0、A0均為已知數(shù)據(jù)，再用測(cè)得的L，即可由(2-1)式計(jì)算出彈性模量E。 為了驗(yàn)證胡克定律，并保證試驗(yàn)精確性，一般采用增量法，增量法就是把欲加的最終載荷分成若干等份，逐級(jí)加載來(lái)測(cè)量試件的變形，即加一級(jí)載荷F，則從應(yīng)變儀讀出相應(yīng)的應(yīng)變量、，再通過(guò)計(jì)算來(lái)求得應(yīng)力及其增量，最后求得彈性摸量E和泊松比。對(duì)試件逐級(jí)等量加載過(guò)程中，每級(jí)增加相等的載荷F時(shí)，如果測(cè)出的拉伸變形伸長(zhǎng)時(shí)

33、也等(L)，這就驗(yàn)證了材料在應(yīng)力不超過(guò)比例極限時(shí)，服從胡克定律。 四、實(shí)驗(yàn)步驟1、試件準(zhǔn)備與尺寸測(cè)量制備一矩形低碳鋼試件一根。在計(jì)算長(zhǎng)度范圍內(nèi)測(cè)量?jī)啥思爸虚g等三處截面的互相垂直方向上的尺寸各一次；取其平均值作為該處有效尺寸，并計(jì)算出試件的橫截面面積A0。2、根據(jù)低碳鋼的比例極限P=1800Kg/cm2和橫截面積A0,計(jì)算該試件能承受的最大載荷Fmax（Fmax=PA0）。3、試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備、裝夾試件。4、安裝應(yīng)變儀，并接線(xiàn)。5、施加初載荷 開(kāi)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)緩慢加載，先給試件施加一定量的初載荷，調(diào)整應(yīng)變儀讀數(shù)到零，若不調(diào)零也可讀出初讀數(shù)，并記錄該數(shù)。6、進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 按擬定的加載方案加載，每增加一級(jí)載荷，記錄一次應(yīng)變儀讀數(shù)，同時(shí)應(yīng)計(jì)算出應(yīng)變儀每一次后讀數(shù)和前讀數(shù)的差，即讀數(shù)增量、，借以判斷試驗(yàn)是否正常。7、實(shí)驗(yàn)結(jié)束 測(cè)試完成后，關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)開(kāi)關(guān)，將工作油缸里的油泄回油箱；將機(jī)器、儀器復(fù)原。 五、注意事項(xiàng)(1)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)操作和應(yīng)變儀安裝的注意事項(xiàng)參閱有關(guān)內(nèi)容。(2)測(cè)試時(shí)，操作要認(rèn)真，分組成員