工程力學(xué)實驗報告

工程力學(xué)實驗報告自動化12級實驗班§1-1金屬材料的拉伸實驗一、試驗?zāi)康臏y定低碳鋼（Q235鋼）的強度性能指標(biāo)：上屈服強度ReH，下屈服強度ReL和抗拉強度Rm。m測定低碳鋼（Q235鋼）的塑性性能指標(biāo)：斷后伸長率A和斷面收縮率Z。測定鑄鐵的抗拉強度R。m觀察、比較低碳鋼（Q235鋼）和鑄鐵的拉伸過程及破壞現(xiàn)象，并比較其機械性能。5．學(xué)習(xí)試驗機的使用方法。二、設(shè)備和儀器1．試驗機（見附錄）。2．電子引伸計。3．游標(biāo)卡尺。三、試樣拉伸實驗是材料力學(xué)性能實驗中最基本的實驗。為使實驗結(jié)果可以相互比較，必須對試樣、試驗機及實驗方法做出明確具體的規(guī)定。我國國標(biāo)GB/T228—2002“金屬材料室溫拉伸試驗方法”中規(guī)定對金屬拉伸試樣通常采用圓形和板狀兩種試樣，如圖（1-1）所示。它們均由夾持、過渡和平行三部分組成。夾持部分應(yīng)適合于試驗機夾頭的夾持。過渡部分的圓孤應(yīng)與平行部分光滑地聯(lián)接，以保證試樣破壞時斷口在平行部分。平行部分中測量伸長用的長度稱為標(biāo)距。受力前的標(biāo)距稱為原始標(biāo)距，記作10,通常在其兩端劃細(xì)線標(biāo)志。國標(biāo)GB/T228-2002中，對試樣形狀、尺寸、公差和表面粗糙度均有明確規(guī)定。四、實驗原理低碳鋼（Q235鋼）拉伸實驗（圖解方法）將試樣安裝在試驗機的上下夾頭中，引伸計裝卡在試樣上，啟動試驗機對試樣加載，試驗機將自動繪制出載荷位移曲線（F-AL曲線），如圖（1-2）。觀察試樣的受力、變形直至破壞的全過程，可以看到低碳鋼拉伸過程中的四個階段（彈性階段、屈服階段、強化階段和局上屈服強度％:Rh-寸 （"0F下屈服強度Rl：R二于 （1-2）eLeLS0F抗拉強度R： R=甘 （1-3）mmS0在強化階段任一時刻卸載、再加載，可以觀察加載、御載規(guī)律和冷作硬化現(xiàn)象。

在F以前，變形是均勻的。從F開始，產(chǎn)生局部伸長和頸縮，由于頸縮，使頸縮處截m m面減小，致使載荷隨之下降，最后斷裂。斷口呈杯錐形。測量斷后的標(biāo)距部分長度L和頸縮處最小直徑d，按以下兩式計算其主要塑性指標(biāo)：uu斷后伸長率A:L—LA=―u 0x100% （1-4）L0式中L0為試樣原始標(biāo)距長度（名義尺寸50mm）。由于試樣的塑性變形集中在縮頸處并向兩邊逐漸減小，因此斷口位置不同，標(biāo)距部分的塑性伸長也不同。若斷口在試樣中部，發(fā)生嚴(yán)重塑性變形的縮頸段全部在標(biāo)距長度內(nèi)，標(biāo)距長度就有較大的塑性伸長量；若斷口距標(biāo)距端很近，則發(fā)生嚴(yán)重塑性變形的縮頸段只有一部分在標(biāo)距長度內(nèi)，另一部分在標(biāo)距長度外，因此，標(biāo)距長度的塑性伸長量就小。這說明斷口位置對測得的伸長率有影響，為此應(yīng)用所謂移位法測定斷后標(biāo)距長度l］。 AO董f打“ A0 時心Dj 1IFTT'1J lit后的）J lit后的）<b}試驗前將試樣標(biāo)距分成十等分。若斷口到鄰近標(biāo)距端距離大于腫，則可直接測量標(biāo)距兩端點間的距離。若斷口到鄰近標(biāo)距端距離小于或等于lJ3，則應(yīng)用所謂移位法（亦稱為補償法）測定：在長段上從斷口0點起取長度基本上等于短段格數(shù)的一段得B點，再由B點起取等于長段所余格數(shù)（偶數(shù)）之半得C點（見圖1-8（a））；或取所余格數(shù)（奇數(shù)）減1與加1之半得C與q點（見圖1-8（b））；移位后的L分別為：A0+0B+2BC或者A0+0B+BC+BC。測量時，兩段在斷口處應(yīng)緊密對接，盡量使兩段軸線在一直線上。若斷口處形成縫隙，

此縫隙應(yīng)計入L］內(nèi)。斷面收縮率Z：S-SZ=—0 ux100% (1-5)S0式中S0和S分別是原始橫截面積和斷后最小橫截面積。0u鑄鐵拉伸鑄鐵拉伸時沒有屈服階段，拉伸曲線微微彎曲，在變形很小的情況下即斷裂(見圖1-3)，斷口為平端口。因此對鑄鐵只能測得其抗拉強度R，圖1-3鑄鐵拉伸圖1-3鑄鐵拉伸F即卩：R—m (1-6)mS0鑄鐵的抗拉強度遠(yuǎn)低于低碳鋼的抗拉強度。五、實驗結(jié)果處理1．原始記錄參考表1-2和表1-3填寫。表1-2原始尺寸材料原始標(biāo)距L0(mm)原始橫截面直徑d(mm)原女口最小IIIIII橫截面積S0(mm2)12平均12平均12平均低碳鋼5010.0810.0910.08510.0610.1010.0810.0410.0910.06579.564鑄鐵/10.1210.0810.109.999.999.999.869.939.89576.899表1-3斷后尺寸斷后標(biāo)距L(mm)u斷后縮頸處最小直徑d(mm)u斷后最小橫截面積S(mm2)u12平均64.315.855.945.89527.2932．?dāng)?shù)據(jù)處理低碳鋼據(jù)F值和F-AL圖計算力軸每毫米代表的力值m,從F-AL圖上找出Fh和卩^點的位

m eHeLTOC\o"1-5"\h\z置，量出它們至乩軸的垂直距離hH和h「，從而計算出FH和FT值（即mhH和mhT），然H L H L H L后按公式（1-1）?（1-3）計算上屈服強度RH、下屈服強度RT和抗拉強度R，按公式（1-4）H L m和（1-5）計算斷后伸長率A和斷面收縮率Z。解：由圖可知F=30.11kN，F(xiàn)=27.17kN，F(xiàn)=43.99kNH L mh=4.586mm，h=5.261mmH LR=378.4MPa，R=341.5MPa，R=553.9MPaH L mA=28.62%， Z=65.70%鑄鐵據(jù)記錄的最大拉力F，按公式（1-6）計算抗拉強度R。mm解：由圖可知F=12.25kNmR=159.3MPam六、思考題F低碳鋼試樣拉伸斷裂時的載荷比最大力F小,如按公式尺〒計算斷裂時的應(yīng)力，mS0則計算得到的應(yīng)力會比抗拉強度R小。為什么“應(yīng)力減小后”試樣反而斷裂？m4．鑄鐵試樣拉伸，斷口為何是平截面?為何斷口位置大多在根部?5．做低碳鋼拉伸實驗時為什么要用引伸計，又為什么在試樣拉斷前要取下引伸計，為什么此時可以取下引伸計？七、實驗報告要求包括實驗?zāi)康?，設(shè)備名稱、型號，實驗記錄（列表表示）與實驗數(shù)據(jù)處理，分析討論。畫出試樣斷裂后形狀示意圖（可畫在數(shù)據(jù)記錄和處理欄內(nèi)），試驗機自動繪制的F-AL圖附于實驗報告內(nèi)。附注：實驗步驟試樣材質(zhì)辯識：鑄鐵試樣顏色較深，表面可見凸起的小顆粒，豎直落地時聲音沉悶；而低碳鋼顏色較亮，表面可見刀紋，豎直落地時聲音輕脆。1．測量試樣尺寸直徑d0在試樣標(biāo)距兩端和中間三個截面上測量直徑，每個截面在相互垂直方向各測量一次，取其平均值。用三個平均值中最小者計算橫截面面積，數(shù)據(jù)列表記錄。標(biāo)距長度Q°量取計算長度L0（取L0=10d0,或L0=5d0）,在試樣兩端劃細(xì)線標(biāo)志，用刻線機將其劃分成10等分（或5等分）。開機打開電源開關(guān)；啟動計算機進(jìn)入Windos操作系統(tǒng)；點擊試驗機控制軟件，進(jìn)入試驗機操作界面；按復(fù)位按扭使控制系統(tǒng)上電。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置點擊“模式設(shè)置”選項，選擇試驗?zāi)Ｊ?-拉伸實驗。3.試驗基本參數(shù)設(shè)置點擊“操作”按扭，進(jìn)入“試驗基本參數(shù)”界面，選擇變形測量模式—引伸計。試驗過程設(shè)置主要有：試樣基本參數(shù)設(shè)定；試驗力檔位設(shè)定；變形調(diào)零；變形檔位設(shè)定；曲線參數(shù)設(shè)定等。詳細(xì)設(shè)置請參見附1-2電子拉力試驗機。5．裝夾試樣，安裝引伸計上下夾頭均為斜鍥夾塊，將試樣的夾持部位放入V型槽中央。注意低碳鋼拉伸實驗須測定標(biāo)距范圍內(nèi)的變形，因此試樣上下夾持部位均須留出5-10mm，以便安裝引伸計。鑄鐵拉伸實驗則不用安裝引伸計。6．測試待一切準(zhǔn)備工作完成后，點擊“上行”按扭，開始拉伸實驗。測試完畢保存實驗文件。注意實驗過程中觀察圖形和數(shù)據(jù)顯示窗口以及試樣破壞情況。特別提請注意的是，當(dāng)實驗曲線出現(xiàn)水平線一定程度后，試樣開始進(jìn)入局部變形階段時，點擊“取引伸計”按扭，迅速取下引伸計，以免引伸計損傷。7．打印點擊“報告打印”，輸出實驗曲線。8．卸載并取出試樣卸載并取出試樣，注意保護(hù)試樣斷口形貌。9■測量斷后標(biāo)距L1和斷后頸縮處最小直徑d1（僅對低碳鋼拉伸實驗）測量時應(yīng)注意將低碳鋼試樣兩段的斷口緊密對接，若斷口到鄰近標(biāo)距端距離小于或等于L/3時，則應(yīng)用所謂移位法（亦稱為補償法）測定斷后標(biāo)距長度L。測量頸縮處最小直徑01du時，在最小處互相垂直的兩個方向測量直徑。注意應(yīng)用卡尺測量前端較窄的部位，以免由u于弧線的影響而測量不到實際的最小值。10．關(guān)機注意清理實驗現(xiàn)場，將相關(guān)儀器還原。§1-2低碳鋼和鑄鐵的壓縮試驗一、試驗?zāi)康臏y定低碳鋼的壓縮屈服點bU廠和鑄鐵的抗壓強度bSCbc2．觀察并分析兩種材料在壓縮過程中的各種現(xiàn)象。二、設(shè)備和儀器1．電子萬能試驗機2．游標(biāo)卡尺三、試樣低碳鋼和鑄鐵等金屬材料的壓縮試樣一般制成圓柱形，其公差、表面粗糙度、兩端面的平行度和對試樣軸線的垂直度在國標(biāo)GB7314-87中有明確規(guī)定。目前常用的壓縮試驗方法是兩端平壓法。由于試樣兩端面不可能理想地平行，試驗時必須使用球形承墊（見圖2-1a）,試樣應(yīng)置于球形承墊中心，藉球形承墊自動調(diào)節(jié)實現(xiàn)軸向受載。由于試樣的上下兩端與試驗機承墊之間會產(chǎn)生很大的摩擦力，它們阻礙著試樣上部及下部的橫向變形，導(dǎo)致測得的抗壓強度較實際偏高。當(dāng)試樣的高度相對增加時，摩擦力對試樣中部的影響就會相應(yīng)變小，因此抗壓強度與比值h／d有關(guān)，同時考慮穩(wěn)定性因素，為此國家標(biāo)oo準(zhǔn)對試樣高度h與直徑d之比規(guī)定在1?3的范圍內(nèi)。本次實驗采用010X15的圓柱形試樣。oo四、試驗原理

試驗時緩慢加載，試驗機自動繪出壓縮圖（即F-N曲線）。低碳鋼試樣壓縮圖如圖2-lb所示。試樣開始變形時，服從虎克定律，呈直線上升，此后變形增長很快，材料屈服。此時載荷暫時保持恒定或稍有減小，這暫時的恒定值或減小的最小值即為壓縮屈服載荷FSC。有時屈服階段出現(xiàn)多個波峰波谷，則取第一個波谷之后的最低載荷為壓縮屈服載荷FSC。以后圖形呈曲線上升，隨著塑性變形的增長，試樣橫截面相應(yīng)增大，增大了的截面又能承受更大的載荷。試樣愈壓愈扁，甚至可以壓成薄餅形狀（如圖2-la所示），而不破裂，所以測不出抗壓強度。鑄鐵試樣壓縮圖如圖2-2a所示。載荷達(dá)最大值Fb后稍有下降，然后破裂，能聽到沉悶bc的破裂聲。鑄鐵試樣破裂后呈鼓形，并在與軸線大約成45°的面上破斷，這主要是由切應(yīng)力造成的。四、試驗結(jié)果處理原始數(shù)據(jù)記錄參考表2-l。表2-l原始數(shù)據(jù)記錄表材料直徑d°(mm)橫截面面積S0（mm2）屈服載荷Fsc（KN）曰r.+［、.-tI-h最人載荷耳剛）12平均低碳鋼9.969.979.96577.9923.156鑄鐵10.1010.0910.09580.039/57.475據(jù)試驗記錄計算低碳鋼的壓縮屈服點b和鑄鐵的抗壓強度bsc2-l)2-2)F2-l)2-2)b二一sc

scS0代入數(shù)據(jù)，接的為296.9MPaFb二一bc

bS0代入數(shù)據(jù)，接的為718.1MPa五、思考題1、低碳鋼壓縮后為什么成鼓形？鑄鐵壓縮時如何破壞？為什么？2、低碳鋼拉伸有Fm,壓縮時測不出最大載荷，為什么說它是拉壓等強度材料？為什么說m鑄鐵是拉壓不等強度材料？六、實驗報告要求包括實驗?zāi)康?，設(shè)備名稱、型號，實驗記錄（列表表示）與實驗數(shù)據(jù)處理，實驗后試樣形狀示意圖，分析討論。附注：實驗步驟1．開機打開電源及油泵電機，啟動計算機及測試軟件。2．測量試樣尺寸用游標(biāo)卡尺在試樣高度中點處兩個相互垂直的方向上測量直徑，取其平均值。數(shù)據(jù)列表記錄。3．裝夾試樣，安裝引伸計。軟件參數(shù)調(diào)零。4．參量設(shè)置包括試驗曲線類型選擇，試驗力和變形窗口量程選擇。詳細(xì)參數(shù)設(shè)置請參見附1-3--微機控制液壓萬能材料試驗機。5．測試待一切準(zhǔn)備工作完成后，正式測試。測試完畢，保存實驗文件，數(shù)據(jù)分析輸出，讀取低碳鋼壓縮屈服載荷Fsc。在實驗過程中注意觀察圖形和數(shù)據(jù)顯示窗口以及試樣破壞情況。6．卸載并取出試樣注意觀察試樣有何變化。7．關(guān)機注意清理實驗現(xiàn)場，將相關(guān)儀器還原?！?梁彎曲正應(yīng)力實驗一、實驗?zāi)康模?．測定矩形截面梁純彎段應(yīng)變、應(yīng)力分布規(guī)律，為建立理論計算模型提供實驗依據(jù)；將實測值與理論計算結(jié)果進(jìn)行比較。2．通過實驗和理論分析深化對彎曲變形理論的理解，培養(yǎng)思維能力。3．學(xué)習(xí)多點測量技術(shù)。二、設(shè)備和儀器多功能力學(xué)試驗臺，YE2538A型電阻應(yīng)變儀三、矩形截面梁的結(jié)構(gòu)、尺寸和純彎曲加載方式a=130mmb=18mmC=140mm h=36mmiGpa=130mmb=18mmC=140mm h=36mmiGpacac][圖2-1夾層梁實驗裝置矩形截面梁的結(jié)構(gòu)、尺寸和加載方式如圖2-1所示。梁采用鋁合金材料。在梁的上、下表面各粘貼兩枚應(yīng)變片，以檢查載荷是否偏斜，一個側(cè)面上等間距地粘貼五枚應(yīng)變片，其編號如側(cè)視圖所示。由于觀察各點應(yīng)變變化情況，因此，采用1/4橋，多點共溫度補償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行測量。四、實驗步驟1.打開應(yīng)變儀電源、預(yù)熱。2．測量首先按下【MEAS】鍵使應(yīng)變儀進(jìn)入測試狀態(tài)，然后觀察負(fù)荷通道顯示是否為零，若不為零，通過試驗臺的手柄將負(fù)荷調(diào)節(jié)為零。再通過數(shù)字鍵檢查各測點的電橋狀態(tài)是否為1/4橋、補償1或2（依外接溫度補償片的點確定），在確認(rèn)電橋選擇無誤后，分別通過數(shù)字鍵選擇通道，然后點擊【BAL】完成該測點的應(yīng)變調(diào)零，依此類推，待各測點應(yīng)變通道調(diào)零均完成后，才可開始加載，待載荷穩(wěn)定后，測量各通道的應(yīng)變值。測完一組數(shù)據(jù)后，然后再將載荷卸到零，重復(fù)三次。完成全部試驗內(nèi)容，實驗數(shù)據(jù)經(jīng)教師檢查合格后，卸掉載荷、關(guān)閉電源、拆下引線、整理好實驗裝置，將所用工具放回原處后方可離開實驗室。五、實驗結(jié)果處理根據(jù)所測各點應(yīng)變，計算相應(yīng)的實驗應(yīng)力值；再計算各點理論應(yīng)力值。然后將實驗應(yīng)力值和理論應(yīng)力值進(jìn)行比較，計算它們間的相對誤差。數(shù)據(jù)處理參考表2-1。當(dāng)梁在載荷作用下發(fā)生彎曲變形時，工作片的電阻值將隨著梁的變形而發(fā)生變化，通過

電阻應(yīng)變儀可以分別測量出各對應(yīng)點的實際應(yīng)變值。然后根據(jù)胡克定律，計算出相應(yīng)點的R應(yīng)力