工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

1、.實(shí)驗(yàn)一拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)是測(cè)定材料力學(xué)性能的最基本最重要的實(shí)驗(yàn)之一。由本實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的結(jié)果，可以說(shuō)明材料在靜拉伸下的一些性能，諸如材料對(duì)載荷的抵抗能力的變化規(guī)律、材料的彈性、塑性 、強(qiáng)度等重要機(jī)械性能，這些性能是工程上合理地選用材料和進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的重要依據(jù) 。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?)測(cè)定低碳鋼的流動(dòng)極限S 、強(qiáng)度極限b 、延伸率、截面收縮率和鑄鐵的強(qiáng)度極限b 。2) 觀察低碳鋼和鑄鐵在拉伸過(guò)程中表現(xiàn)的現(xiàn)象，繪出外力和變形間的關(guān)系曲線(xiàn)（F L曲線(xiàn)）。3) 比較低碳鋼和鑄鐵兩種材料的拉伸性能和斷口情況。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器材料試驗(yàn)機(jī) 、游標(biāo)卡尺 、兩腳標(biāo)規(guī)等三、拉伸試件金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)常用的試件形狀如圖所

2、示。 圖中工作段長(zhǎng)度l 稱(chēng)為標(biāo)距 ，試件的拉伸變形量一般由這一段的變形來(lái)測(cè)定，兩端較粗部分是為了便于裝入試驗(yàn)機(jī)的夾頭內(nèi)。dl圖1-1為了使實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果可以互相比較，試件必須按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)做成標(biāo)準(zhǔn)試件，即 l5d.專(zhuān)業(yè) .專(zhuān)注.或 l10d 。對(duì)于一般板的材料拉伸實(shí)驗(yàn)，也應(yīng)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)做成矩形截面試件。其截面面積和試件標(biāo)距關(guān)系為 l 11.3 A 或 l5.65 A ， A 為標(biāo)距段內(nèi)的截面積 。四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)：1)試件的準(zhǔn)備 ：在試件中段取標(biāo)距l(xiāng) 10d 或 l 5d 在標(biāo)距兩端用腳標(biāo)規(guī)打上沖眼作為標(biāo)志 ，用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距范圍內(nèi)測(cè)量中間和兩端三處直徑d （在每處的兩個(gè)互

3、相垂直的方向各測(cè)一次取其平均值）取最小值作為計(jì)算試件橫截面面積用。2)試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)備 ；首先了解材料試驗(yàn)機(jī)的基本構(gòu)造原理和操作方法，學(xué)習(xí)試驗(yàn)機(jī)的操作規(guī)程 。 根據(jù)低碳鋼的強(qiáng)度極限b 及試件的橫截面積，初步估計(jì)拉伸試件所需最大載荷，選擇合適的測(cè)力度盤(pán)，并配置相應(yīng)的擺錘 ，開(kāi)動(dòng)機(jī)器 ，將測(cè)力指針調(diào)到 “零點(diǎn) ”，然后調(diào)整試驗(yàn)機(jī)下夾頭位置，將試件夾裝在夾頭內(nèi) 。3) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) ：試件夾緊后 ，給試件緩慢均勻加載 ，用試驗(yàn)機(jī)上自動(dòng)繪圖裝置，繪出外力F 和變形L 的關(guān)系曲線(xiàn) （ FL 曲線(xiàn) ）如圖所示 。 從圖中可以看出，當(dāng)載荷增加到 A 點(diǎn)時(shí) ，拉伸圖上 OA 段是直線(xiàn) ，表明此階段內(nèi)載荷與試件的變形成

4、比例關(guān)系，即符合虎克定律的彈性變形范圍。當(dāng)載荷增加到 B 點(diǎn)時(shí) ，測(cè)力計(jì)指針停留不動(dòng)或突然下降到 B 點(diǎn)，然后在小的范圍內(nèi)擺動(dòng)，這時(shí)變形增加很快，載荷增加很慢 ；這說(shuō)明材料產(chǎn)生了流動(dòng) （或者叫屈服 ）與 B 點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)力叫上流動(dòng)極限，與 B 相應(yīng)的應(yīng)力叫下流動(dòng)極限 ，因下流動(dòng)極限比較穩(wěn)定，所以材料的流動(dòng)極限一般規(guī)定按下流動(dòng)極限取值 。 以 B 點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的載荷值FS除以試件的原始截面積A 即得到低碳鋼的流動(dòng)極限FSSA 流動(dòng)階段后 ，試件要承受更大的外力S ，才能繼續(xù)發(fā)生變形若要使塑性變形加大 ，必須增加載荷 ，如圖形中 C 點(diǎn)至 D 點(diǎn)這一段為強(qiáng)化階段。當(dāng)載荷達(dá)到最大值 Fb （ D 點(diǎn)） 時(shí)

5、，試件的塑性變形集中在某一截面處的小段內(nèi)，此段發(fā)生截面收縮，即出現(xiàn) “頸縮 ”現(xiàn)象 。 此時(shí)記下最大載荷值Fb ，用 Fb 除以試件的原始截面積A ，就得到低碳鋼的強(qiáng)度極限bbFb / A 。 在試件發(fā)生 “頸縮 ”后 ，由于截面積的減小，載荷迅速下降 ，到 E 點(diǎn)試件斷裂 。關(guān)閉機(jī)器 ，取下拉斷的試件，將斷裂的試件緊對(duì)到一起，用游標(biāo)卡尺測(cè)量出斷裂后試件標(biāo)距間的長(zhǎng)度l1 ，按下式可計(jì)算出低碳鋼的延伸率l 1 l100%l。.專(zhuān)業(yè) .專(zhuān)注.將斷裂的試件的斷口緊對(duì)在一起，用游標(biāo)卡尺量出斷口（細(xì)頸 ）處的直徑 d1 ，計(jì)算出面積 A1 ；按下式可計(jì)算出低碳鋼的截面收縮率，AA1100%AFDFBEA

6、 BFSFbFbOLOL圖 1-2圖 1-3從破壞后的低碳鋼試件上可以看到，各處的殘余伸長(zhǎng)不是均勻分布的。離斷口愈近變形愈大 ，離斷口愈遠(yuǎn)則變形愈小 ，因此測(cè)得 l1 的數(shù)值與斷口的部位有關(guān)。為了統(tǒng)一值的計(jì)算 ，規(guī)定以斷口在標(biāo)距長(zhǎng)度中央的1 3 區(qū)段內(nèi)為準(zhǔn) ，來(lái)測(cè)量 l 的值 ，若斷口不在 1 3 區(qū)段內(nèi)時(shí) ，需要采用斷口移中的方法進(jìn)行換算，其方法如下 ：設(shè)兩標(biāo)點(diǎn) C 到 C 之間共刻有 n 格，如圖 1-4所示 ，拉伸前各格之間距離相等 ，在斷裂試件較長(zhǎng)的右段上從鄰近斷口的一個(gè)刻線(xiàn)d 起，向右取 n / 2 格，標(biāo)記為 a ，這就相當(dāng)于把斷口擺在標(biāo)距中央 ，再看 a 點(diǎn)至 C1 點(diǎn)有多少格

7、， 就由 a 點(diǎn)向左取相同的格數(shù)，標(biāo)以記號(hào)b ，令 L 表示 C 到 b 的長(zhǎng)度 ，則 L 2L的長(zhǎng)度中包含的格數(shù)等于標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)的格數(shù)n ，故 l1L 2L 。當(dāng)斷口非常接近試件兩端，而與其頭部之距離等于或小于直徑的兩倍時(shí)，一般認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)效 ，需要重作實(shí)驗(yàn) 。LLcdb a c1斷口圖1-42、鑄鐵的拉伸實(shí)驗(yàn)：1)試件的準(zhǔn)備 ：用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距范圍內(nèi)測(cè)量中間和兩端三處直徑d 取最小值計(jì)算試件截面面積，根據(jù)鑄鐵的強(qiáng)度極限b ，估計(jì)拉伸試件的最大載荷。2) 試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)備 ；與低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)相同.專(zhuān)業(yè) .專(zhuān)注.3) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) ：開(kāi)動(dòng)機(jī)器 ，緩慢均勻加載直到斷裂為止。記錄最大載荷 Fb ，觀察

8、自動(dòng)繪圖裝置上的曲線(xiàn) ，如圖 1-3 所示 。將最大載荷值 Fb 除以試件的原始截面積A ，就得到鑄鐵的強(qiáng)度極限bbFb / A 。 因?yàn)殍T鐵為脆性材料在變形很小的情況下就會(huì)斷裂，所以鑄鐵的延伸率和截面收縮率很小，很難測(cè)出 。實(shí)驗(yàn)二壓縮實(shí)驗(yàn)在工程實(shí)際中，有些構(gòu)件承受壓力，而材料由于載荷形式的不同其表現(xiàn)的機(jī)械性能也不同 ，因此除了通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)了解金屬材料的拉伸性能外，有時(shí)還要作壓縮實(shí)驗(yàn)來(lái)了解金屬材料的壓縮性能，一般對(duì)于鑄鐵、水泥、磚、石頭等主要承受壓力的脆性材料才進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn) ，而對(duì)于塑性金屬或合金進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)是主要目的是為了材料研究。例如灰鑄鐵在拉伸和壓縮時(shí)的強(qiáng)度極限不相同，因此工程上就利用鑄

9、鐵壓縮強(qiáng)度較高這一特點(diǎn)用來(lái)制造機(jī)床底座 、床身 、汽缸、泵體等 。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?)測(cè)定在壓縮時(shí)低碳鋼的流動(dòng)極限S ，及灰鑄鐵的強(qiáng)度極限b 。h 2)觀察它們的破壞現(xiàn)象 ，并比較這兩種材料受壓時(shí)的特性。d二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備 ：材料試驗(yàn)機(jī) 、游標(biāo)卡尺.專(zhuān)業(yè) .專(zhuān)注.三、試件h13金屬材料的壓縮試件一般制成圓柱形，如圖所示 ，并制定d四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、低碳鋼的壓縮實(shí)驗(yàn)1)試件準(zhǔn)備 ：用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件的直徑 d 。2)試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)備 ：首先了解試驗(yàn)機(jī)的基本構(gòu)造原理和操作方法，學(xué)習(xí)試驗(yàn)機(jī)的操作規(guī)程。 選擇合適的測(cè)力刻度盤(pán) ，配置相應(yīng)的擺錘，開(kāi)動(dòng)機(jī)器 ，將刻度盤(pán)指針調(diào)到零點(diǎn)，然后將試件盡量準(zhǔn)確地放在機(jī)

10、器活動(dòng)承墊中心上，使試件承受軸向壓力 。3) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) ：開(kāi)動(dòng)機(jī)器 ，使試件緩慢均勻加載 ，低碳鋼在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生流動(dòng)以前基本情況與拉伸時(shí)相同 ，載荷到達(dá) B 時(shí)，測(cè)力盤(pán)指針停止不動(dòng)或倒退 ，這說(shuō)明材料產(chǎn)生了流動(dòng) ，當(dāng)載荷超過(guò)B 點(diǎn)后 ，塑性變形逐漸增加，試件橫截面積逐漸明顯地增大，試件最后被壓成鼓形而不斷裂，故只能測(cè)出產(chǎn)生流動(dòng)時(shí)的載荷FS ，由 S FS / A 得出材料受壓時(shí)的流動(dòng)極限而得不出受壓時(shí)的強(qiáng)度極限。FFFBFFbFSFOLOL圖 2-2圖 2-32、鑄鐵的壓縮實(shí)驗(yàn)鑄鐵壓縮與低碳鋼的壓縮實(shí)驗(yàn)方法相同，但鑄鐵受壓時(shí)在很小的變形下即發(fā)生破壞，只能測(cè)出 Fb ，由 bFb / A 得出

11、材料強(qiáng)度極限 。.專(zhuān)業(yè) .專(zhuān)注.鑄鐵破壞時(shí)的裂縫約與軸線(xiàn)成45 角左右 。五、注意事項(xiàng)1)試件一定要放在壓頭中心以免偏心影響2)在試件與上壓頭接觸時(shí)要特別注意減小油門(mén)，使之慢慢接觸 ，以免發(fā)生撞擊 ，損壞機(jī)器。3) 鑄鐵壓縮時(shí) ，應(yīng)注意安全 ，以防試件破壞時(shí)跳出打傷 。六、討論題1) 低碳鋼壓縮圖與拉伸圖有何區(qū)別？說(shuō)明什么問(wèn)題 ？2) 鑄鐵的破壞形式說(shuō)明什么問(wèn)題 ？3) 低碳鋼壓縮后為什么成鼓形 ？實(shí)驗(yàn)三扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)在實(shí)際工程機(jī)械中，有很多傳動(dòng)軸是在扭轉(zhuǎn)情況下工作，設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)軸所用的許用剪應(yīng)力，是根據(jù)材料在扭轉(zhuǎn)破壞實(shí)驗(yàn)時(shí)，所測(cè)出的剪切流動(dòng)極限S ，或剪切強(qiáng)度極限b 而求得的。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?)低碳

12、鋼的剪切流動(dòng)極限S 、剪切強(qiáng)度極限b 、及鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限b 。2) 觀察斷口情況 ，進(jìn)行比較和分析 。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī) 、劃線(xiàn)儀 、游標(biāo)卡尺等.專(zhuān)業(yè) .專(zhuān)注.三、扭轉(zhuǎn)試件根 據(jù) 國(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn) ， 一 般 采 用 圓 截 面 試 件 ， 標(biāo) 距 L100mm ， 標(biāo) 距 部 分 直 徑d 10mm 。 如圖 4-1 所示 。圖 4-1四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、低碳鋼試件的扭轉(zhuǎn)：1) 試件的準(zhǔn)備 ：在試件標(biāo)距內(nèi)的中間和兩端三處測(cè)量直徑，取最小值作為直徑尺寸d ，WP1d 3計(jì)算抗扭截面系數(shù) 。162) 試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)備 ；首先了解扭轉(zhuǎn)機(jī)的基本構(gòu)造原理和操作方法，學(xué)習(xí)掌握扭轉(zhuǎn)機(jī)的操作規(guī)程

13、。 根據(jù)材料性質(zhì)， 初步估所需最大扭矩，選擇合適的測(cè)力表盤(pán)， 配置相應(yīng)的擺錘，測(cè)力指針調(diào)到 “零點(diǎn) ”。M nM bM SM PO.專(zhuān)業(yè) .專(zhuān)注.SS圖 4-2RS圖 4-33) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn) ：將低碳鋼試件裝夾到試驗(yàn)機(jī)上，用 “手動(dòng) ”對(duì)試件緩慢均勻地加扭矩 ，加在試件上的扭矩 M n 和扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線(xiàn) ，如圖 4-2 所示 。 當(dāng)扭矩增加到A點(diǎn)，（即M nM p ）時(shí)，圖 4-2中 OA 段為直線(xiàn) ，表明此階段內(nèi)載荷與試件變形之間成比例關(guān)系，扭矩超過(guò) M p 后。試件截面的外緣外處 ，材料發(fā)生流動(dòng)形成環(huán)形塑性區(qū)，同時(shí)M n圖曲線(xiàn)稍微上上升，達(dá)到 B 點(diǎn)趨于平坦 ，這時(shí)測(cè)力指針幾乎不動(dòng)，這說(shuō)明塑性區(qū)已擴(kuò)展為整個(gè)截面 ，材料發(fā)生流動(dòng) ，記錄下此時(shí)的扭矩 M b 。在達(dá)到 M S 時(shí)，假定截面上各點(diǎn)的剪應(yīng)力同時(shí)達(dá)到流動(dòng)極限S （理想塑性 ）， 斷面上S 均勻分布 ，從而推