材料力學實驗三、四指導書

1、材料力學實驗指導書機電工程學院二O一四年十二實驗三 金屬材料扭轉(zhuǎn)實驗實驗項目性質(zhì)：驗證性所涉及課程：材料力學計劃學時：2學時【實驗?zāi)康摹?、測定低碳鋼的屈服點（剪切屈服極限）eL、抗扭強度（剪切強度極限）m。2、測定鑄鐵的抗扭強度m。3、觀察、比較和分析上述兩種典型材料在受到扭轉(zhuǎn)載荷時的變形和破壞形式，并對試件斷口進行分析。【實驗設(shè)備】1. LCJ材料力學教學實驗機，型號WDD-LCJ-150；2. 游標卡尺；3. 記號筆； 4. 低碳鋼（Q235）、鑄鐵（HT）試件；【實驗原理】低碳鋼試件在發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時，其T曲線如圖3所示，類似低碳鋼拉伸實驗，可分為四個階段：彈性階段、屈服階段、強化階段和

2、斷裂階段，相應(yīng)地有三個強度特征值：剪切比例極限e 、剪切屈服極限eL和剪切強度極限m 。對應(yīng)這三個強度特征值的扭矩依次為Te、TeL、Tm。TOTmTeLTe圖3 低碳鋼扭轉(zhuǎn)圖在比例極限內(nèi)，T與成線性關(guān)系，材料完全處于彈性狀態(tài)，試件橫截面上的剪應(yīng)力沿半徑線性分布。如圖4(a)所示，隨著T的增大，開始進入屈服階段，橫截面邊緣處的剪應(yīng)力首先到達剪切屈服極限，而且塑性區(qū)逐漸向圓心擴展，形成環(huán)塑性區(qū)，如圖4(b)所示，但中心部分仍然是彈性的，所以T仍可增加，T的關(guān)系成為曲線。直到整個截面幾乎都是塑性區(qū)，如圖4(c)所示。meL (a) (b) (c)圖4低碳鋼圓軸試件扭轉(zhuǎn)時的應(yīng)力分布示意圖在T出現(xiàn)屈服

3、平臺，示力度盤的指針基本不動或有輕微回擺，由此可讀出屈服扭矩TeL，低碳鋼扭轉(zhuǎn)的剪切屈服極限值可由下式求出：式中為試件的抗扭截面系數(shù)。屈服階段過后，進入強化階段，材料的強化使扭矩又有緩慢的上升，但變形非常明顯，試件的縱向畫線變成螺旋線，直至扭矩到達極限扭矩值Tm進入斷裂階段，試件被剪斷，由示力度盤的從動針可讀出，則低碳鋼扭轉(zhuǎn)的剪切強度極限m 可同下式求出：2鑄鐵扭轉(zhuǎn)實驗：鑄鐵在扭轉(zhuǎn)實驗時，變形很小就突然斷裂，其T曲線如圖210所示。TOTm圖4 鑄鐵扭轉(zhuǎn)圖從開始受扭，直到破壞，近似為一直線。沒有屈服階段和強化階段，唯一的強度特征值是剪切強度極限m可按線彈性公式計算求出，即：3試件的破壞現(xiàn)象分析

4、：試件受扭，材料處于純剪切應(yīng)力狀態(tài)，在試件的橫截面上作用有剪應(yīng)力，同時在與軸線成45的斜截面上，會出現(xiàn)與剪應(yīng)力等值的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力，如圖211(a)所示。454521 (a) (b) (c)圖5 純剪應(yīng)力狀態(tài)與扭轉(zhuǎn)斷口示意圖低碳鋼的抗剪能力比抗拉和抗壓能力差，試件將會從最外層開始，沿橫截面發(fā)生剪斷破壞，如圖5(b)所示，而鑄鐵的抗拉能力比抗剪和抗壓能力差，則試件將會在與桿軸成45的螺旋面上發(fā)生拉斷破壞，如圖5(c)所示?！緦嶒灢襟E及內(nèi)容】1、試樣準備量取試件標距：采用標準圓截面拉伸試樣（長試件或短試件），試樣的形狀及尺寸見圖（1）。取，=10mm, =100mm。首先用細砂布打磨光亮低碳鋼

5、試樣表面，然后在試樣的等值段內(nèi)量取100mm，確定原始標距長度的兩端點，用劃線機（或鐵鉆子）輕輕打上印記，用粉筆（或金屬筆）畫一至兩條縱向線。量取試樣直徑：應(yīng)用游標卡尺在標距長度的中央和兩端的截面處，按兩個垂直的方向測量直徑，取其算術(shù)平均值，選用三處截面中最小值為值，并立即記入實驗報告。2、準備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)啟動微機。啟動“材料力學實驗”軟件。3試樣安裝安裝扭轉(zhuǎn)夾頭。安裝扭轉(zhuǎn)試樣：將準備好的標準扭轉(zhuǎn)試樣，裝入兩夾頭之間。方法是：首先將試樣長度與實驗機兩夾頭間距離比較一下，然后，點擊程序操作板上的“允許加載”，點擊集中力加載下的“上升”或“下降”按鈕， 使動力加載梁上下移動，直到兩夾頭距離適合裝入

6、試樣。點擊“扭轉(zhuǎn)夾頭復位”按鈕，等待扭轉(zhuǎn)上夾頭轉(zhuǎn)到零點位置，再將試樣裝入。圖7 扭轉(zhuǎn)試驗加載圖4設(shè)置扭轉(zhuǎn)實驗參數(shù)：按程序的實驗步驟進行試驗（具體操作參見程序中的提示）。5試件加載按下軟件中操作板上的扭矩力“加載”按鈕，加載開始。低碳鋼這類塑性材料試件，調(diào)速一般在50200即可；鑄鐵類脆性材料的試件調(diào)速應(yīng)慢些，以4-50為宜。6、數(shù)據(jù)采集過程一邊觀察實驗機上試樣標距范圍內(nèi)沿軸向變形的情況，一邊注意顯示器顯示的實驗曲線的變化情況。低碳鋼試樣扭斷需時較長，鑄鐵試樣扭斷需時較短，試件斷裂后程序設(shè)置有自動停機，如若自動停機沒有抓到，只需盡快點擊扭矩力下的“停機”按鈕即可停機。停機后，存儲XY曲線數(shù)據(jù)，存

7、儲實時數(shù)據(jù)。取下斷裂試樣：a. 觀察試樣的斷口形狀；b. 對上茬口后，觀察并測量標距及直徑的尺寸變化。填寫實驗報告，回放實驗數(shù)據(jù)。7、實驗完畢后退出數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)。關(guān)閉微機。關(guān)閉實驗機電源。清理現(xiàn)場。【實驗數(shù)據(jù)記錄及處理】試件材料低碳鋼實驗前截面直徑測量部位上中下121212測量數(shù)值平均值截面面積標距長度屈服扭矩鑄鐵拉伸扭轉(zhuǎn)屈服極限無最大扭矩扭轉(zhuǎn)強度極限【實驗注意事項】1、試件裝夾前后，別忘了沿試件縱向用彩筆在試件上畫線條，以利觀察。 2、塑性材料（如低碳鋼）在扭轉(zhuǎn)時的角位移很大，一般要轉(zhuǎn)2-5圈，需稍長時間。3、脆性材料試件扭轉(zhuǎn)到破斷，時間較短，故應(yīng)將速度調(diào)慢一些，慢慢加載?！緦嶒灲Y(jié)論】1

8、.利用MATLAB軟件繪制低碳鋼、鑄鐵扭轉(zhuǎn)曲線圖，并打印。 2.分析低碳鋼、鑄鐵扭轉(zhuǎn)斷口特點與形狀，拍照并打印。 3.提交實驗報告?！舅伎紗栴}】1、根據(jù)試驗記錄，分析低碳鋼與鑄鐵的扭轉(zhuǎn)斷裂原因。2、鑄鐵的壓縮與扭轉(zhuǎn)實驗，試樣斷口都與試樣軸線成45度左右，請分析不同的破壞原因。3、根據(jù)拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)實驗結(jié)果,總結(jié)低碳鋼與鑄鐵的力學性能。實驗四 純彎曲梁實驗實驗項目性質(zhì)：驗證性所涉及課程：材料力學計劃學時：2學時【實驗?zāi)康摹?測定梁在純彎曲時橫截面上正應(yīng)力大小和分布規(guī)律。2驗證純彎曲梁的正應(yīng)力公式?！緦嶒炘O(shè)備】1、力爾公司材料力學教學試驗機；2、游標卡尺、鋼尺；3、彎曲試驗裝置圖1.純彎曲試驗裝

9、置圖 BH載荷P加載梁純彎曲梁L2SL1CDAB 力爾材料力學教學試驗機配備的純彎曲試驗裝置如圖1所示，由上下兩根梁疊放構(gòu)成，上梁稱為加載梁（或稱為輔梁：2#梁），其作用是將加載頭垂直加于附梁的中點處傳來的載荷F，分為兩個分力各為F/2，加載到下梁上，下梁稱為純彎曲試驗梁（也稱為主梁：3#梁），該梁接受了加載梁傳來的兩個支座反力，主梁在這兩力作用點之間的部分，主梁成純彎曲狀態(tài)，故稱為純彎曲梁。純彎曲梁為矩形截面。圖2 純彎曲梁尺寸圖40梁的各部分尺寸如下：L1=200mm，L2=400mm，S=50mm， B=30mm， H=50mm。其它尺寸見圖2。 【實驗原理】純彎曲主梁的中間段是純彎曲變

10、形，根據(jù)純彎曲變形時，沿梁高各縱向纖維之間無擠壓應(yīng)力的假設(shè)，各縱向纖維是單向應(yīng)力狀態(tài)，故可用虎克定律，計算出各點處的理論應(yīng)力，相應(yīng)的貼片方案如下：ABUeR1R2R3R4CD圖3 惠斯登電橋圖貼片方案：1、使用如圖3所示的惠斯登電橋U輸出端電壓；e工作電壓；k應(yīng)變片靈敏系數(shù)。R1、R2、R3、R4橋臂電阻（應(yīng)變片）；1、2、3、4全橋時相應(yīng)橋臂的應(yīng)變值。2、純彎曲試驗梁的截面尺寸和應(yīng)變片貼片方案如圖2所示。純彎梁測截面正應(yīng)力，圖2中，在純彎曲段內(nèi)，自上而下平均分布五個應(yīng)變片，每個片的軸線與梁的軸線平行，溫度補償片貼在梁的端頭接線盒內(nèi)。圖2中五個應(yīng)變片各自組成1/4橋路，橋中R1為工作片，R2為

11、溫度補償片；可測得各i，形成純彎梁橫截面沿梁高的正應(yīng)力分布規(guī)律，如圖4所示。5個橋路順次接入1、2、3、4、5通道。 通道分配如下：Ch1單臂橋Ch2單臂橋Ch3單臂橋Ch4單臂橋Ch5單臂橋主梁正應(yīng)力1主梁正應(yīng)力2主梁正應(yīng)力3主梁正應(yīng)力4主梁正應(yīng)力5， 50R1R2R3R4R5圖4 主梁理論正應(yīng)力分布規(guī)律圖圖試驗時，彎曲試驗裝置的純彎曲梁沿梁橫截面高各點均為單臂橋，則有： ，或 ， 主梁自上而下1、2、3、4、5點的實測應(yīng)力為：。（i=1、2、3、4、5；注意此時1、2應(yīng)變?yōu)樨撝?、5應(yīng)變?yōu)檎担?應(yīng)變?yōu)?。）將試驗值與相應(yīng)點的理論計算值進行比較，以驗證純彎曲梁橫截面上的理論彎曲正應(yīng)力公式或

12、正應(yīng)力分布規(guī)律。比較梁截面上彎曲切應(yīng)力的理論計算值和試驗測得的實際值。在純彎曲條件下，根據(jù)平面假設(shè)和縱向纖維間無擠壓的假設(shè)，可得到梁橫截面上任一點的正應(yīng)力，梁的理論彎曲正應(yīng)力公式： 式中：彎矩；橫截面對中性軸的慣性；中性層到所求應(yīng)力點的距離?！緦嶒灢襟E及內(nèi)容】1、量測彎曲試驗裝置的所有有關(guān)尺寸圖2中所標注尺寸均為理論設(shè)計尺寸，因為有一定的加工誤差和裝配誤差，故所有實際尺寸必須用游標卡尺及鋼尺實測得到，測得的各個實際尺寸要記錄于試驗報告里。2、按圖5所示方式放置好純彎曲試驗裝置并調(diào)試各通道平衡。圖5 純彎曲梁加載圖啟動微機；啟動力爾試驗系統(tǒng)；首先取出主梁和附梁，放在臺面上。接通電纜，查看程序中菜

13、單：系統(tǒng)/通道頁面，觀察1-5到信號，調(diào)整好各通道零點。按圖2所示方式先放主梁，再放副梁，梁之間墊放兩個金屬圓滾，注意對齊標記，放正位置。放置后如圖5所示，放置時，如果動力加載梁的礙事，就請先調(diào)整加載梁高度，然后再試著放置。 3、進入試驗程序，設(shè)置試驗參數(shù)（具體操作參見程序中的提示）。啟動采集準備的過程（跳過零點之前）使用0.51mm/min，采集狀態(tài)后，使用0.3或者0.5mm/min的加載速度加載。4、試驗完畢后在采集程序中存儲XY數(shù)據(jù)曲線，停止數(shù)據(jù)采集；選擇“自動卸載”系統(tǒng)自動卸除載荷；填寫試驗報告；查看分析數(shù)據(jù)與曲線；退出數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，取下彎曲試驗裝置并放置好；關(guān)閉微機；關(guān)閉試驗機

14、電源；清理現(xiàn)場?！緦嶒灁?shù)據(jù)記錄及處理】附表1 （試件相關(guān)參考數(shù)據(jù)）應(yīng)變片至中性層距離（mm）梁的尺寸和有關(guān)參數(shù)y1-25寬 度 b = 30 mmy2-12.5高 度 h = 50 mmy30跨 度 L2 = 400 mmy412.5載荷距離 L1 /2= 100 mmy525彈性模量 E = 70GPa 泊 松 比 = 0.3慣性矩Iz=bh3/12 附表2 （實驗數(shù)據(jù)）載荷（P-N）測量值（）y1 =-25y2 =-12.5y3 =0y4 =12.5y5=25通道1通道2通道3通道4通道5讀數(shù)增量讀數(shù)增量讀數(shù)增量讀數(shù)增量讀數(shù)增量讀數(shù)增量00500500100050015005002000500平均值【實驗注意事項】1、彎曲試驗裝置較重，取出、安裝、放回時都要小心操作，雙手抓牢，操作時千萬不要脫手，以免砸傷手腳。同時要注意所帶電線的順暢，不要糾纏打結(jié)。2、加載時要求非常緩慢。一邊觀察彎曲試驗裝置的變化情況，一邊注意電腦顯示器顯示的試驗曲線的變化情況；彎曲試驗裝置的最大加載量為35kN，超載可能損壞裝置。程序中設(shè)置有加載條件停機；但使用時，如果載荷超過35KN沒有自動停機，必須立即手動停機，且要注意加載預緊力的情況下，一定要保證整個過程中，預緊力加上采集載荷，不要超過35 kN.【實驗結(jié)論】繪出實驗應(yīng)力值和理論應(yīng)力值的分布圖以