材料力學實驗指導書1

1、土木工程基礎實驗實驗指導書 中國礦業(yè)大學銀川學院土木工程實驗室楊維武 郭賓 編2013年11月實 驗 守 則 一、要按指定的時間進行實驗。準時進入實驗室，不得遲到、早退。 二、每次實驗前，要仔細閱讀實驗指導書，基本了解實驗目的、實驗設備，實驗原理、實驗方法與步驟等，做到心中有數(shù)。三、以小組為單位進行實驗。小組長負責組織分工和統(tǒng)一指揮。四、要愛護實驗室的一切設備，非指定使用的機器設備不得亂動，以免發(fā)生危險或損壞事故。 五、在實驗過程中，要聽從實驗指導教師安排。 六、實驗結束后，要清理機器、及時上交其它輔助儀器工具，如有損壞必須向教師報告，不得隱瞞。 七、要主動配合小組其它成員打掃實驗室衛(wèi)生，保持

2、實驗室的清潔和安靜，養(yǎng)成良好的科學作風。八、要認真填寫實驗報告，如實做好實驗數(shù)據(jù)處理，不得抄襲他人。實驗一 拉伸實驗拉伸試驗是測定在靜載荷作用下材料力學性能的一個最基本最重要試驗。通過拉伸試驗中得到的屈服強度、抗拉強度、延伸率、截面收縮率等力學性能指標，是工程中強度和剛度計算的主要依據(jù)，也為工程設計中各種材料的選擇提供了數(shù)據(jù)。在本次拉伸試驗中，我們選擇低碳鋼與鑄鐵作為塑性材料和脆性材料的代表，分別進行試驗。一、實驗目的1、測定低碳鋼材料（塑性材料）拉伸時的屈服極限s、強度極限b、延伸率和截面收縮率。2、測定鑄鐵材料（脆性材料）拉伸時的強度極限b 。3、觀察兩種材料拉伸過程中的各種現(xiàn)象、拉斷后的

3、斷口情況，分析二者的力學性能。4、熟悉萬能材料實驗機和其它儀器的使用。二、實驗設備1、WEW-300D微機屏顯式萬能材料試驗機。2、 游標卡尺等。三、拉伸試件介紹由于試件的形狀和尺寸對實驗結果有一定的影響，為便于互相比較，應按統(tǒng)一規(guī)定加工成標準試件。按國家有關標準的規(guī)定，拉伸試件分為比例試件和非比例試件兩種。在試件中部，用來測量試件伸長的長度，稱為原始標距（簡稱標距）。比例試件的標距L0與原始橫截面面積A0的關系規(guī)定為：式中系數(shù)k的取值為5.65時為短試件，取11.3時為長試件。對直徑為d0的圓截面試件，短試件和長試件的標距L0分別為5 d0和10 d0，非比例試件的L0和A0不受上述關系限制

4、。 本次材料拉伸試驗采用L0=10 d0（L0為標距即工作段長度，d0 為直徑，d0=10mm）圓形截面試樣（圖1-1）。為確保材料處于單向拉伸狀態(tài)以衡量它的各種性能，拉伸試樣有工作部分、過渡部分和夾持部分。其中工作部分即標距處必須表面光滑，以保證材料表面的單向應力狀態(tài)；過渡部分必須有適當?shù)呐_肩和圓角，以降低應力集中，保證該處不會變形或斷裂；試樣兩端的夾持部分是裝入試驗機夾頭中的，起傳遞拉力的作用。 試驗前，需對低碳鋼試樣打標距，用試樣打點機或手工的方法在試樣工作段確定L0=100mm的標記。由于塑性材料徑縮局部及其影響區(qū)的塑性變形在斷后延伸率中占很大比重，顯然同種材料的斷后延伸率不僅取決于材

5、質、而且取決于試樣的標距。試樣越短，局部變形所占比例越大，也就越大。為便于相互比較，試樣的長度應當標準化。 圖11 拉伸試樣四、實驗原理1為了檢驗低碳鋼拉伸時的機械性質，應使試件軸向受拉直至斷裂，在拉伸過程中以及試件斷裂后，測讀出必要的特征數(shù)據(jù)（如；屈服載荷PS、最大載荷Pb、斷后標距部分長度L1、斷后最細部分截面直徑d1。）經過計算，便可得到表示材料力學性能的指標：屈服極限s、強度極限b、延伸率和斷面收縮率。由此可計算：屈服極限：s =； 強度極限：b延伸率：； 斷面收縮率： （1）屈服極限s及強度極限b的測定 彈性階段過后，當?shù)竭_屈服階段時，低碳鋼的P -曲線（圖1-2）呈鋸齒形。與最高載

6、荷PP對應的應力稱為上屈服點，它受變形速度和試樣形狀的影響，一般不作為強度指標。同樣，載荷首次下降的最低點（初始瞬時效應）也不作為強度指標。一般將初始瞬時效應以后的最低載荷Ps，除以試樣的初始橫截面面積A0，作為屈服極限s，即：s =； 屈服階段過后，進入強化階段，試樣又恢復了抵抗繼續(xù)變形的能力，強化后的材料就產生了殘余應變，卸載后再重新加載，具有和原材料不同的性質，材料的強度提高了，但是斷裂后的殘余變形比原來降低了。這種常溫下經塑性變形后，材料強度提高，塑性降低的現(xiàn)象稱為冷作硬化。載荷到達最大值Pb時，試樣某一局部的截面明顯縮小，出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象，試樣即將被拉斷。以試樣的初始橫截面面積A0除

7、Pb得強度極限b，即b圖12低碳鋼拉伸圖 （2）延伸率及斷面收縮率的測定試樣的標距原長為L0，拉斷后將兩段試樣緊密地對接在一起，量出拉斷后的標距長為L1，斷后延伸率應為：。斷口附近塑性變形最大，所以L1的量取與斷口的部位有關。對于塑性材料，斷裂前變形集中在緊縮處，該部分變形最大，距離斷口位置越遠，變形越小，即斷裂位置對延伸率是有影響的。為了便于比較，規(guī)定斷口在標距中央三分之一范圍內測出的延伸率為測量標準。如斷口不在此范圍內，則需進行折算，也稱斷口移中。具體方法如下：以斷口O為起點，在長度上取基本等于短段格數(shù)得到B點，當長段所剩格數(shù)為偶數(shù)時（見圖1-3b），則由所剩格數(shù)的一半得到C點，取BC段長

8、度將其移至短段邊，則得斷口移中得標距長，其計算式為：。如果長段取B點后所剩格數(shù)為奇數(shù)（見圖1-3c），則取所剩格數(shù)加一格之半得C1點和減一格之半得C點，移中后標距長為： ；將計算所得的L1代入式中，可求得折算后的延伸率。試樣拉斷后，設頸縮處的最小橫截面面積為A1 ，由于斷口不是規(guī)則的圓形，應在兩個相互垂直的方向上量取最小截面的直徑，以其平均值計算A1，然后按下式計算斷面收縮率： 。 圖13斷口移中示意圖2鑄鐵屬脆性材料，軸向拉伸時，在變形很小的情況下就斷裂，故一般測定其抗拉強度極限b。五、實驗方法與步驟1、試件準備與尺寸測量用劃線機劃上試件的標距，并將其分成10格（圖14），以便觀察標距范圍內

9、沿軸向的變形情況。用游標卡尺測量試件標距部分的直徑。在標距范圍的中間及兩端處，每處兩個互相垂直的方向上各測量一次，取其平均值為該處直徑。用所測得的三個平均值中的最小的值計算試件的橫截面面積A0,計算A0時取兩位有效數(shù)字，將測得數(shù)據(jù)記錄在實驗報告的表格中。L圖14 用劃線機將標距10等分2、 開機、準備進行試驗接好電源線，打開計算機進入winPws軟件界面，按油源控制柜“電源開”按鈕，指示燈亮。1) 按“油泵開”按鈕，啟動油泵，預熱30分鐘（此步驟可先于其它工作提前做），根據(jù)試樣尺寸把相應的鉗口裝入上下鉗口座內，調整鉗口位置對中。2) 逆時針旋轉送油閥手輪，使工作臺上升10毫米，然后順時針旋轉送

10、油閥手輪關閉送油閥。如果工作臺已升起，則不必開泵送油。3) 將旋鈕旋至“夾緊”檔，將試樣一端夾持于上鉗口中。4) 根據(jù)試樣性質，記錄試樣直徑或厚度，并輸入到winPws。5) 將橫梁鉗口升降到合適高度，調整零點。6) 將試樣另一端夾持于下鉗口中。7) 將旋鈕旋至“工作”檔，緩慢的擰開送油閥進行加荷試驗。加荷應保持勻速、緩慢。測出屈服載荷Ps后，可稍加實驗速率，最后直到將試件拉斷，記錄最大載荷Pb 。對鑄鐵試件，應緩慢勻速加載，直至試件被拉斷，記錄最大載荷Pb。8) 試樣斷裂后，關閉送油閥，取下斷裂的試樣。9) 處理、保存試驗結果，退出winPws軟件界面，關閉計算機。10) 按“油泵關”按鈕，

11、停止油泵工作。11) 打開回油閥，工作臺落到初始位置后按“電源關“按鈕，關閉電源。注意事項：試驗過程中碎片可能飛濺，為避免發(fā)生事故，請勿靠近主機面對試樣。試驗結束時，將活塞降低到最低位置。3、試驗后的測量和斷口的觀察低碳鋼材料拉斷后，須計算其延伸率和截面收縮率，因此要測量斷后標距部分長度L1、斷后最細部分截面直徑d1。分析拉伸試樣的斷口，對于評價材料的質量是很重要的，而且還有助于判斷材料的塑性、強度及其綜合性能。觀察低碳鋼鑄鐵兩種材料的斷口，并分析原因。低碳鋼：斷后有較大的宏觀塑性變形，斷口呈灰暗色纖維狀，不完全杯錐狀，周邊為45°的剪切唇塑性較好。鑄鐵：斷口與正應力方向垂直，沒有頸

12、縮現(xiàn)象，長度沒有變化，斷口齊平為閃光的結晶狀組織脆性。4、試驗后力學性能比較 對不同材料力學性能的比較，我們主要從拉伸過程中材料表現(xiàn)出的不同現(xiàn)象和試樣拉斷后斷裂的現(xiàn)象進行比較，同學們試驗過程中要仔細觀察。六、低碳鋼與鑄鐵強度指標與塑性指標的計算1） 低碳鋼屈服極限 ：（MPa） 1MPa=1 強度極限： （MPa）延伸率： 斷面收縮率2） 鑄鐵 強度極限 ： （MPa）注：以上，為所測三個平均值中的最小值。實驗二 壓縮實驗在實際工程中有些構件承受壓力，而材料由于受力形式的不同，其表現(xiàn)的機械性能也不同，因此除了通過拉伸試驗了解金屬材料的拉伸性能外，有時還要作壓縮試驗來了解金屬材料的壓縮性能。一般

13、對于鑄鐵、水泥、磚、石頭等主要承受壓力的脆性材料才進行壓縮試驗，而對塑性金屬或合金進行壓縮試驗的主要目的是為了材料研究。例如灰鑄鐵在拉伸和壓縮時的極限不同，因此工程上就利用鑄鐵壓縮強度較高這一特點來制造機床底座、床身、汽缸、泵體等。一、實驗目的1、測定在壓縮時低碳鋼的屈服極限S，鑄鐵的強度極限b 。2、觀察兩種材料的破壞現(xiàn)象，并比較這兩種材料受壓時的特性。二、實驗設備1、WEW-300D微機屏顯式萬能材料試驗機。2、 游標卡尺。三、壓縮試件介紹本次壓縮試驗用短形試樣見圖所示。試樣兩端須經研磨平整，互相平行，且端面須垂直于軸線。試樣尺寸對壓縮變形量和變形抗力均有很大影響。為使結果能互相比較，必須

14、采取相同的值。此外試樣端部的摩擦力不僅影響試驗結果，而且改變破斷形式，應盡量減少。本次試驗試樣規(guī)格H：D=2：1。圖31 壓縮試件四、實驗原理壓縮實驗是研究材料性能常用的實驗方法。對鑄鐵、鑄造合金、建筑材料等脆性材料尤為合適。通過壓縮實驗觀察材料的變形過程、破壞形式，并與拉伸實驗進行比較，可以分析不同應力狀態(tài)對材料強度、塑性的影響，從而對材料的機械性能有比較全面的認識。 當試件受壓時，其上下兩端面與試驗機支撐之間產生很大的摩擦力，使試件兩端的橫向變形受到阻礙，故壓縮后試件呈鼓形。摩擦力的存在會影響試件的抗壓能力甚至破壞形式。為了盡量減少摩擦力的影響，實驗時試件兩端必須保證平行，并與軸線垂直，使

15、試件受軸向壓力。另外。端面加工應有較高的光潔度。低碳鋼壓縮時也會發(fā)生屈服，但并不象拉伸那樣有明顯的屈服階段。因此，在測定PS時要特別注意觀察。在緩慢均勻加載下，試驗力值均勻增加，當材料發(fā)生屈服時，試驗力值增加將減慢，甚至減小，這時對應的載荷即為屈服載荷PS。屈服之后加載到試件產生明顯變形即停止加載。這是因為低碳鋼受壓時變形較大而不破裂，因此愈壓愈扁。橫截面增大時，其實際應力不隨外載荷增加而增加，故不可能得到最大載荷Pb,因此也得不到強度極限，所以在實驗中是以變形來控制加載的。鑄鐵試件壓縮時，在達到最大載荷Pb前出現(xiàn)較明顯的變形然后破裂，此時試驗力值迅速減小，鑄鐵試件最后略呈鼓形，斷裂面與試件軸

16、線大約呈450。五、實驗方法與步驟1、試驗前的準備工作接到試樣后，核對壓縮試樣是否與要測試的材料相符，然后檢查外觀是否符合要求。工程中，對于短試樣用游標卡尺在互相垂直的方向上測量兩次，將數(shù)據(jù)記入表中，并將試樣信息輸入到winPws。2、開機、準備進行試驗1)安裝壓縮試驗用的上下壓盤，將試樣放到下壓盤中央，并按刻線放正。試樣放置的中心線必須與壓板中心線重合，避免偏心受力。2)按下按鈕盒“移動橫梁：下降”，使下移動橫梁向下移動，當上壓盤表面和試樣上表面距離間距約為23mm的位置時，停止移動。3)調節(jié)送油閥，使試樣隨工作臺向上移動進行壓縮試驗。4)對于低碳鋼加載時，載荷緩慢均勻增加，試樣逐漸壓扁，記錄好其屈服載荷PS后，繼續(xù)開送油閥直至壓成圓鼓形，觀察其變形。對鑄鐵材料加載時，要眼睛盯住試驗力值加載，破壞時，記錄最大載荷Pb，迅速關閉送油閥，記錄峰值或打印結果，保存結果，退出winPws，關閉計算機。打開回油閥，使活塞回落至初始位置，取出試樣觀察其變形。注意事項：試驗過程中碎片可能飛濺，為避