工程力學(xué)B實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、MINNAN UNIVERSITY OF SCIFNCE AND TECHNOLOGY工程力學(xué)B（二）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書高孟芬 編閩南理工學(xué)院光電與機(jī)電工程系2012年2月一、實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程的重要組成部分，是理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí) 踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，對于提高學(xué)生的實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力具有重要意義。 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具體包括以下三個方面。1、測定材料的力學(xué)性質(zhì)材料的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)，如屈服極限、強(qiáng)度極限等，以及材料的彈性性能指 標(biāo)，如彈性極限、彈性模量、泊松比等，都是設(shè)計(jì)構(gòu)件的基本參數(shù)和依據(jù)，而 這些指標(biāo)一般是試驗(yàn)來測定的。2、驗(yàn)證理論材料力學(xué)常將實(shí)際問題抽象為理想模型，再由科學(xué)假設(shè)

2、推導(dǎo)出一般性結(jié)論 和公式。但是這些假設(shè)和結(jié)論是否正確，理論公式能否應(yīng)用于實(shí)際之中，必須 通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。3、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析工程上很多構(gòu)件的形狀和受載情況都比較復(fù)雜，單純依靠理論計(jì)算不易得 到滿意的結(jié)果，必須用實(shí)驗(yàn)的方法來了解構(gòu)件的應(yīng)力分布規(guī)律，從而解決強(qiáng)度 問題，這種辦法稱為實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析。目前實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的方法很多，這里只介 紹應(yīng)用較廣的電測法。通過材料力學(xué)的實(shí)驗(yàn)課，要求學(xué)生初步掌握變形和應(yīng)變的基本測試方法及 主要測試儀器的操作規(guī)程，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理方法等基本內(nèi)容。二、實(shí)驗(yàn)要求材料力學(xué)試驗(yàn)過程中主要是測量作用在試件上的載荷和試件產(chǎn)生的變形， 它們往往要同時測量，要求同組同學(xué)必須協(xié)同完成，因此，實(shí)

3、驗(yàn)時應(yīng)注意以下 幾個方面。1、實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作實(shí)驗(yàn)課前，每位學(xué)生都必須進(jìn)行充分的預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，明確本次實(shí)驗(yàn)?zāi)?的、原理和實(shí)驗(yàn)步驟，了解所使用的試驗(yàn)機(jī)、儀器等的基本構(gòu)造原理，熟悉實(shí) 驗(yàn)規(guī)則和儀器設(shè)備的操作規(guī)程，擬定好加載方案，并應(yīng)寫出預(yù)習(xí)報告。實(shí)驗(yàn)小 組成員應(yīng)明確分工，以便在實(shí)驗(yàn)中分別進(jìn)行受力、變形等參數(shù)的記錄。2、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)精心操作，細(xì)心觀察，測量和記錄各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。若 出現(xiàn)異?，F(xiàn)象應(yīng)及時報告實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師，并作好原始記錄。3、撰寫實(shí)驗(yàn)報告在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時要及時編寫實(shí)驗(yàn)報告。實(shí)驗(yàn)報告包括：實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)日期、 實(shí)驗(yàn)者及同級組人員、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募把b置、使用的儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)原理及方法、 實(shí)

4、驗(yàn)數(shù)據(jù)及其處理、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)一拉伸破壞實(shí)驗(yàn)材料的力學(xué)性能反映了材料受力后變形及破壞的特性。而力學(xué)性能只有通 過試驗(yàn)才能得到。拉伸試驗(yàn)是材料力學(xué)試驗(yàn)中最基本、最重要的試驗(yàn)之一。通 過拉伸試驗(yàn)可以測定材料在靜拉伸條件下的彈性、強(qiáng)度、塑性、應(yīng)變硬化和韌 性等多項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，同時，可以觀察到拉伸載荷作用下材料的變形與斷裂 特征，而且由此結(jié)果還能推斷（或預(yù)測）在其他形式下的某些力學(xué)性能，如搞 疲勞、斷裂性能等。在工程應(yīng)用中，拉伸性能是結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)和評定材質(zhì)優(yōu) 劣及分析構(gòu)件受力破壞原因等的重要依據(jù)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、測定低碳鋼的屈服極限。s、強(qiáng)度極限。b、延伸率0和斷面收縮率甲；2、測定鑄鐵

5、的抗拉強(qiáng)度。b；3、觀察拉伸試驗(yàn)過程中的各種現(xiàn)象及特點(diǎn)；4、觀察試件的破壞斷口特征，比較兩種材料的力學(xué)性能。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、WEW-C型微機(jī)液壓萬能試驗(yàn)機(jī)2、游標(biāo)卡尺3、微機(jī)三、WEW-C型微機(jī)液壓萬能試驗(yàn)機(jī)計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)手動控制盒上橫梁拉伸夾具立柱HUALONG活動橫梁底板圖1-1材料實(shí)驗(yàn)機(jī)是測定材料的力學(xué)性能的主要設(shè)備。WEW-C型微機(jī)液壓萬能試 驗(yàn)機(jī)主要由主機(jī)和控制系統(tǒng)組成。1、主機(jī)部分主要由負(fù)荷機(jī)架、傳動系統(tǒng)、夾持系統(tǒng)和位置保護(hù)裝置組成，如圖1-1所 示。2、控制系統(tǒng)WEW-C型微機(jī)液壓萬能試驗(yàn)機(jī)在控制箱上裝有計(jì)算機(jī)、顯示器、鍵盤、電 測單元和控制面板?？刂泼姘骞δ懿贾萌鐖D1-2所示。

6、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配有Windows萬能試驗(yàn)機(jī)專用軟件，在試驗(yàn)過程中進(jìn)行精密控 制及測量，完成試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、分析、存儲 及顯示，然后輸出打印各種要求的試驗(yàn)曲線及試驗(yàn)報告。圖1-2四、試件試件的材料是低碳鋼（Q235）和鑄鐵（HT200），圓形橫截面，直徑尺寸d=10mm， 試驗(yàn)段長度（標(biāo)距）l0=100mm （見圖1-3）。r直徑=l()mm 標(biāo)距=100 mm直徑圖1-3 拉伸試樣五、實(shí)驗(yàn)原理及方法材料的力學(xué)性能。s、。0和甲是由拉伸破壞試驗(yàn)來確定的，試驗(yàn)機(jī)的液 壓傳感器把壓力信號傳給微機(jī)，微機(jī)系統(tǒng)主界面顯示窗口分別顯示出低碳鋼試 驗(yàn)曲線（圖4）鑄鐵拉伸試驗(yàn)曲線（圖5）

7、。對于低碳鋼材料，圖2-2上的b-c為屈服階段，b點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力值稱為 屈服極限。確定屈服載荷Ps時，必須緩慢而均勻地使試件產(chǎn)生變形，同時還需 要注意觀察。測力顯示系統(tǒng)第一次下降的最小載荷即為屈服載荷，繼續(xù)加載， 測得最大載荷Pb。試件達(dá)到最大載荷前，伸長變形在標(biāo)距范圍內(nèi)是均勻分布的。 從最大載荷開始，產(chǎn)生局部伸長和頸縮。頸縮出現(xiàn)后，截面面積迅速減小，繼 續(xù)拉伸所需的載荷也變小了，直到e點(diǎn)斷裂。鑄鐵試件在變形極小時，就達(dá)到最大載荷，而突然發(fā)生斷裂。沒有流動和 頸縮現(xiàn)象，如圖2-3所示。其強(qiáng)度極限遠(yuǎn)低于碳鋼的強(qiáng)度極限。圖1-4低碳鋼拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖1-5鑄鐵拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線六、實(shí)驗(yàn)步驟（一

8、）低碳鋼試驗(yàn)1、試件準(zhǔn)備（1）為便于觀察變形沿軸向的分布情況，在試件的標(biāo)距范圍內(nèi)每隔10mm 畫一根圓周線，將標(biāo)距等分成十格。（2）在標(biāo)距L0內(nèi)，用游標(biāo)卡尺分別測量試件兩端及中部三個橫截面I、II、 III的直徑，每處在相互垂直的兩個方向各測一次，取平均值為該處直徑，以三 處測量結(jié)果中的最小值作d。，計(jì)算試件的橫截面面積A。，A0取三位有效數(shù)字， 填入實(shí)驗(yàn)原始記錄表1-1中。2、試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備（1）按下電源開關(guān)按鈕，檢查先將撥碼盤旋至零位，按下油泵啟動開關(guān)， 啟動油泵電機(jī)，關(guān)閉回油閥（在控制臺右側(cè)），操作撥子開關(guān)，調(diào)整移動試臺置 于適當(dāng)位置，通過手動控制盒上的按鈕控制升降電機(jī)，帶動絲杠移動下橫梁于

9、 適當(dāng)位置，便于試樣拉伸。（2）試驗(yàn)條件輸入與選擇打開微機(jī)，啟動Windows后，在桌面上雙擊“試驗(yàn)軟件”圖標(biāo)，打開軟件。 試驗(yàn)條件包括試樣參數(shù)、報告數(shù)據(jù)、測試條件、設(shè)置選項(xiàng)等內(nèi)容，根據(jù)實(shí)驗(yàn)如 實(shí)填寫。詳細(xì)操作參見軟件使用說明書。3、安裝試件試件兩端頭至少2/3長度被夾具夾緊為宜。夾好上夾頭，軟件“負(fù)荷”調(diào) 零，再夾下夾頭。4、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)經(jīng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師檢查后，試驗(yàn)開始，通過撥碼盤緩慢而均勻加載，至負(fù)荷 為0時，點(diǎn)擊開始測試圖標(biāo)，試驗(yàn)中仔細(xì)觀察拉伸過程，直到斷裂。5、實(shí)驗(yàn)結(jié)束試件拉斷后，停止油泵，取下試件，旋轉(zhuǎn)撥碼盤至0，打開回油閥。將斷 裂兩段盡量對緊在一起，用游標(biāo)卡尺測量拉斷后的標(biāo)距L和頸縮斷

10、口處的最小1直徑d1（測量互相垂直的兩個方向，取其平均值）填入表1-1內(nèi)。觀察、比較試 件的破壞斷口形狀，分析破壞原因。6、打印實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)曲線圖試驗(yàn)結(jié)束，存儲數(shù)據(jù)并打印實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)曲線圖。7、工具復(fù)原，經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后關(guān)油泵，關(guān)軟件，關(guān)試驗(yàn)機(jī)電源。（二）鑄鐵試驗(yàn)與低碳鋼同樣方法做好試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作，經(jīng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師檢查后進(jìn)行試 驗(yàn)，直至試件斷裂為止。停機(jī)，取下試件測量，存儲數(shù)據(jù)并打印實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和試 驗(yàn)曲線圖，整理現(xiàn)場。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果的記錄與計(jì)算以表格的形式表達(dá)，計(jì)算結(jié)果保留3位有效數(shù)字。（一）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表1-1是低碳鋼試驗(yàn)記錄表，表1-2是鑄鐵試驗(yàn)記錄表。1、低碳鋼表1-1

11、低碳鋼試驗(yàn)記錄表材料實(shí)驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)后低碳鋼標(biāo)距L =mm斷后標(biāo)距L 一mm測量部位U沿兩正父方向測得的數(shù)值各部位的平均值最小平均值斷裂處最小直徑d/mm1直徑d0/mm截面I122截面II12平均截面m12截面面積A 一mm2Q截面面積A -mm212、鑄鐵表1-2鑄鐵試驗(yàn)記錄表材料實(shí)驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)后鑄鐵標(biāo)距L -mma直徑d/mm截面I測量部位沿兩正父方向測得的數(shù)值各部位的平均值最小平均值直徑d0/mm截面I1截面II2截面II12截面m截面m12截面面積A -mm2D（二）性能指標(biāo)計(jì)算1、低碳鋼強(qiáng)度指標(biāo)：屈服載荷Fs = Fsl =kN屈服極限F b = s = s A 0MPa最大或何f = bk

12、N強(qiáng)度極限fb = b = b A0MPa塑性指標(biāo)：斷后伸長率0LzLL0 x 100% =斷后收縮率甲A - AW = 01A0-x 100% =2、鑄鐵強(qiáng)度指標(biāo)：最大載荷f =bkN強(qiáng)度極限fb = b = b A0MPa七、注意事項(xiàng)1、實(shí)驗(yàn)時必須課前預(yù)習(xí)，并按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師對試驗(yàn)機(jī)所介紹的使用方法及 操作步驟進(jìn)行操作。2、實(shí)驗(yàn)時所見異常聲音或發(fā)生任何故障應(yīng)立即停機(jī)。3、在低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)中，為了準(zhǔn)確測出屈服載荷，在開始實(shí)驗(yàn)至屈服結(jié) 束前，必須勻速、緩慢加載，以免因沖擊過載發(fā)生冷作硬化現(xiàn)象，影響實(shí)驗(yàn)結(jié) 果。八、思考題1、拉伸破壞實(shí)驗(yàn)所確定的材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)有何實(shí)用價值？2、比較低碳鋼和鑄鐵的

13、拉伸力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)二 低碳鋼彈性模量E和泊松比的測定同一材料的彈性模量E、泊松比p和剪切彈性模量G是材料的基本力學(xué)參 數(shù)，在研究構(gòu)件的應(yīng)力和變形時，要經(jīng)常用到，因此，測試工作十分重要?？?以證明，3個彈性常數(shù)滿足關(guān)系式G = E/2（1 + r）E，所以，同時測定2個常數(shù)， 即可確定第3個常數(shù)。測試方法也很多，本實(shí)驗(yàn)用電測法。 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y量金屬材料的彈性模量E和泊松比p。L 驗(yàn)證胡克定律。學(xué)習(xí)掌握電測法的基本原理和電阻應(yīng)變儀的使用方法。學(xué)會擬定加載方案和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。匚11 HY

14、PERLINK l bookmark29 o Current Document 二、 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備3WEW-C型微機(jī)液壓萬能試驗(yàn)機(jī)。 靜態(tài)電阻應(yīng)變儀；I I 游標(biāo)卡尺。|三、試件圖1-2彈性模量實(shí)驗(yàn)試件中碳鋼矩形截面平板試件，名義尺寸為bxt = （30 x7.5）mm2，如圖2-1。材料的屈服極限a廣360MPa。四、實(shí)驗(yàn)原理和方法材料在比例極限范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變成線性關(guān)系，即：a= E比例系數(shù)E稱為材料的彈性模量，可由下式計(jì)算，可以得到：E = -（2.1）8設(shè)試件初始橫截面積為A0，在軸向拉力F作用下，橫截面上的正應(yīng)力為Fa =A0把上式代入（2.1）式可得：E = 旦（2.2）A 8

15、只要測得試件所受的載荷F和與之對應(yīng)的應(yīng)變，就可由（2.2）式算出彈性模量E。受拉試件軸向伸長，必然引起橫向收縮。材料在比例極限內(nèi)，橫向應(yīng)變與 縱向應(yīng)變8之比的絕對值為一常數(shù)，該常數(shù)稱為材料的橫向變形系數(shù)或泊松比， 用H表示，即日=豈（2.3）8實(shí)驗(yàn)時，為驗(yàn)證胡克定律，采用等量逐級加載法，分別測量在各相同載荷 增量AF作用下的軸向應(yīng)變增量As.和橫向應(yīng)變增量加,。若各級應(yīng)變增量大致相 同，就驗(yàn)證了胡克定律。于是式（2.2）和式（2.3）分別寫為： TOC o 1-5 h z E A虹i A0 As.i As根據(jù)每級載荷得到的E.和光，求平均值：E日n日 .n以上即為實(shí)驗(yàn)所得材料的彈性模量和泊松比

16、。上式中n為加載級數(shù)。電測法的基本原理就是選用電阻應(yīng)變片作為測量元件，將它牢牢粘貼在試 樣上，當(dāng)試樣受載變形時，電阻應(yīng)變片也隨之產(chǎn)生同樣大小的變形，而使自身 的電阻變化。這種極微小的變化，通過電阻應(yīng)變儀，將它轉(zhuǎn)換成電量信號并放 大，再轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量的大小。五、實(shí)驗(yàn)步驟1、測量試件在試件工作段的三個部位測量橫截面面積，取它們的平均值作為試樣的初 始橫截面積A0。表2-1試樣原始橫截面面積試樣尺寸寬度b/mmbi =b2=b3 =橫截面積平均值A(chǔ)0厚度/tmm21=A=t3=2、擬定加載方案取最大載荷F = （0.70.8）氣4。，初始載荷F0 = 0.1Fmax。加載級次為8 級，據(jù)此選取載荷增量

17、AF，應(yīng)使電阻應(yīng)變儀有較大讀數(shù)。3、試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備、試件安裝和儀器調(diào)整試驗(yàn)機(jī)準(zhǔn)備、試件安裝操作參見實(shí)驗(yàn)一。電阻應(yīng)變儀操作參見使用說明書。4、確定組橋方式、接線和設(shè)置應(yīng)變儀參數(shù)5、檢查及試車檢查以上步驟完成情況，然后預(yù)加載荷至加載方案的最大值，再卸載至初 載荷以下，以檢查試驗(yàn)機(jī)及應(yīng)變儀是否處于正常狀態(tài)。6、進(jìn)行試驗(yàn)：加載應(yīng)緩慢均勻。當(dāng)載荷為F0時加初載荷，記下此時應(yīng)變儀的讀數(shù)或?qū)⒆x 數(shù)清零。然后逐級加載，記錄每級載荷下各測點(diǎn)的應(yīng)變值和8于表2-7中，然 后算出其應(yīng)變增量As。同時注意應(yīng)變變化是否符合線性規(guī)律。重復(fù)該過程至少 兩到三遍，如果數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性好即可。8.數(shù)據(jù)經(jīng)檢驗(yàn)合格后，卸載、關(guān)閉電源、拆線并整理所用設(shè)備。六、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理1、數(shù)