工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)2011

PAGEPAGEPAGE10目錄第一章材料的力學(xué)性能試驗(yàn)……………1

第一節(jié)拉伸試驗(yàn)…………1

第二節(jié)壓縮試驗(yàn)…………7參考文獻(xiàn)…………………29實(shí)驗(yàn)報(bào)告…………………30

第一章材料的力學(xué)性能試驗(yàn)

材料的力學(xué)性能試驗(yàn)是工程中廣泛應(yīng)用的一種試驗(yàn)，它為機(jī)械制造、土木工程、冶金及其它各種工業(yè)部門(mén)提供可靠的材料的力學(xué)性能參數(shù)，便于合理地使用材料，保證機(jī)器（結(jié)構(gòu)）及其零件（構(gòu)件）的安全工作。

材料的力學(xué)性能試驗(yàn)必須按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

第一節(jié)拉伸試驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.測(cè)定低碳鋼拉伸時(shí)的強(qiáng)度及塑性性能指標(biāo)：屈服應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率、斷面收縮率。

2.測(cè)定灰鑄鐵拉伸時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度。3.比較低碳鋼與灰鑄鐵在拉伸時(shí)的力學(xué)性能和破壞形式。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器

1.液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

2．電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。3.游標(biāo)卡尺。三、實(shí)驗(yàn)試樣按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6397—86《金屬拉伸試驗(yàn)試樣》，金屬拉伸試樣的形狀隨著產(chǎn)品的品種、規(guī)格以及試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌譃閳A形截面試樣、矩形截面試樣、異形截面試樣和不經(jīng)機(jī)加工的全截面形狀試樣四種。其中最常用的是圓形截面試樣和矩形截面試樣。如圖1-1-1所示，圓形截面試樣和矩形截面試樣均由平行、過(guò)渡和夾持三部分組成。平行部分的試驗(yàn)段長(zhǎng)度稱為試樣的標(biāo)距，按試樣的標(biāo)距與橫截面面積之間的關(guān)系，分為比例試樣和定標(biāo)距試樣。圓形截面比例試樣通常取或，矩形截面比例試樣通常取或，其中，前者稱為長(zhǎng)比例試樣（簡(jiǎn)稱長(zhǎng)試樣），后者稱為短比例試樣（簡(jiǎn)稱短試樣）。過(guò)渡部分以圓弧與平行部分光滑地連接，以保證試樣斷裂時(shí)的斷口在平行部分。夾持部分稍大，其形狀和尺寸根據(jù)試樣大小、材料特性、試驗(yàn)?zāi)康囊约叭f(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)試樣的形狀、尺寸和加工的技術(shù)要求參見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6397—86。（a）圓形截面試樣（b）矩形截面試樣圖1-1四、實(shí)驗(yàn)原理與方法1.測(cè)定低碳鋼拉伸時(shí)的強(qiáng)度和塑性性能指標(biāo)（1）強(qiáng)度性能指標(biāo)屈服應(yīng)力（屈服點(diǎn)）——試樣在拉伸過(guò)程中載荷基本不變而試樣仍能繼續(xù)產(chǎn)生變形時(shí)的載荷（即屈服載荷）除以原始橫截面面積所得的應(yīng)力值，即抗拉強(qiáng)度——試樣在拉斷前所承受的最大載荷除以原始橫截面面積所得的應(yīng)力值，即（2）塑性性能指標(biāo)延伸率——拉斷后的試樣標(biāo)距部分所增加的長(zhǎng)度與原始標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比，即式中：為試樣的原始標(biāo)距；為將拉斷的試樣對(duì)接起來(lái)后兩標(biāo)點(diǎn)之間的距離。低碳鋼是具有明顯屈服現(xiàn)象的塑性材料，在局部變形階段，可以看到，在試樣的某一部位局部變形加快，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，隨后試樣很快被拉斷。試樣的塑性變形集中產(chǎn)生在頸縮處，并向兩邊逐漸減小。因此，斷口的位置不同，標(biāo)距部分的塑性伸長(zhǎng)也不同。若斷口在試樣的中部，發(fā)生嚴(yán)重塑性變形的頸縮段全部在標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)，標(biāo)距長(zhǎng)度就有較大的塑性伸長(zhǎng)量；若斷口距標(biāo)距端很近，則發(fā)生嚴(yán)重塑性變形的頸縮段只有一部分在標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)，另一部分在標(biāo)距長(zhǎng)度外，在這種情況下，標(biāo)距長(zhǎng)度的塑性伸長(zhǎng)量就小。因此，斷口的位置對(duì)所測(cè)得的伸長(zhǎng)率有影響。為了避免這種影響，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB228—87對(duì)的測(cè)定作了如下規(guī)定。測(cè)量時(shí)，兩段在斷口處應(yīng)緊密對(duì)接，盡量使兩段的軸線在一條直線上。若在斷口處形成縫隙，則此縫隙應(yīng)計(jì)入內(nèi)。如果斷口在標(biāo)距以外，或者雖在標(biāo)距之內(nèi)，但距標(biāo)距端點(diǎn)的距離小于，則試驗(yàn)無(wú)效。斷面收縮率——拉斷后的試樣在斷裂處的最小橫截面面積的縮減量與原始橫截面面積的百分比，即式中：為試樣的原始橫截面面積；為拉斷后的試樣在斷口處的最小橫截面面積。2.測(cè)定灰鑄鐵拉伸時(shí)強(qiáng)度性能指標(biāo)灰鑄鐵在拉伸過(guò)程中，當(dāng)變形很小時(shí)就會(huì)斷裂，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的指針?biāo)甘镜淖畲筝d荷除以原始橫截面面積所得的應(yīng)力值即為抗拉強(qiáng)度，即五、實(shí)驗(yàn)步驟1.低碳鋼拉伸測(cè)量試樣的尺寸。在試樣標(biāo)距范圍內(nèi)的中間以及兩標(biāo)距點(diǎn)的內(nèi)側(cè)附近，分別用游標(biāo)卡尺在相互垂直方向上測(cè)取試樣直徑的平均值為試樣在該處的直徑，取三者中的最小值作為計(jì)算直徑。試樣安裝。按操作規(guī)程使用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)拉伸試樣，觀察屈服和頸縮現(xiàn)象，直至試樣被拉斷為止，并分別記錄屈服載荷和最大載荷。并打印實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。取下拉斷的試樣，將斷口吻合壓緊，用游標(biāo)卡尺量取斷口處的最小直徑和兩標(biāo)點(diǎn)之間的距離。2.灰鑄鐵拉伸測(cè)量試樣的尺寸。方法同上。試樣安裝。按操作規(guī)程使用液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)拉伸試樣，觀察現(xiàn)象，記錄下從動(dòng)指針?biāo)Ａ粑恢玫淖畲筝d荷。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與計(jì)算1.表1-1-1試樣尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)距直徑d1=d2=d3=標(biāo)距最小直徑屈服載荷最大載荷屈服應(yīng)力抗拉強(qiáng)度伸長(zhǎng)率斷面收縮率2.表1-1-2試樣尺寸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)距直徑d1=d2=d3=標(biāo)距最小直徑屈服載荷最大載荷屈服應(yīng)力抗拉強(qiáng)度伸長(zhǎng)率斷面收縮率3.計(jì)算精確度（1）強(qiáng)度性能指標(biāo)（屈服應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度）的計(jì)算精度要求為，即：凡＜的數(shù)值舍去，≥而＜的數(shù)值化為，≥的數(shù)值者則進(jìn)為。（2）塑性性能指標(biāo)（伸長(zhǎng)率和斷面收縮率）的計(jì)算精度要求為，即：凡＜的數(shù)值舍去，≥而＜的數(shù)值化為，≥的數(shù)值則進(jìn)為。七、注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)時(shí)必須嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的各項(xiàng)操作規(guī)程，嚴(yán)禁開(kāi)“快速”檔加載。加載時(shí)速度要均勻緩慢，防止沖擊。開(kāi)動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)后，操作者不得離開(kāi)工作崗位，實(shí)驗(yàn)中如發(fā)生故障應(yīng)立即停機(jī)。八、思考題低碳鋼和灰鑄鐵在常溫靜載拉伸時(shí)的力學(xué)性能和破壞形式有何異同？測(cè)定材料的力學(xué)性能有何實(shí)用價(jià)值？你認(rèn)為產(chǎn)生試驗(yàn)結(jié)果誤差的因素有哪些？應(yīng)如何避免或減小其影響？

第二節(jié)壓縮試驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.測(cè)定金屬材料壓縮時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)：低碳鋼-屈服應(yīng)力；灰鑄鐵-抗壓強(qiáng)度。2.繪制低碳鋼和灰鑄鐵的壓縮圖，比較低碳鋼與灰鑄鐵在壓縮時(shí)的變形特點(diǎn)和破壞形式。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1.萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。2.游標(biāo)卡尺。三、實(shí)驗(yàn)試樣按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7314—87《金屬壓縮試驗(yàn)方法》，金屬壓縮試樣的形狀隨著產(chǎn)品的品種、規(guī)格以及試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌譃閳A柱體試樣、正方形柱體試樣和板狀試樣三種。其中最常用的是圓柱體試樣和正方形柱體試樣，如圖1-2-的試樣僅適用于測(cè)定；（或）的試樣適用于測(cè)定、和；（或）的試樣適用于測(cè)定和。其中（或）。（a）圓柱體試樣（b）正方形柱體試樣圖1-對(duì)試樣的形狀、尺寸和加工的技術(shù)要求參見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6397—86。四、實(shí)驗(yàn)原理與方法1.測(cè)定低碳鋼壓縮時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)低碳鋼在壓縮過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)，其變形情況與拉伸時(shí)基本相同。當(dāng)達(dá)到屈服應(yīng)力后，試樣產(chǎn)生塑性變形，隨著壓力的繼續(xù)增加，試樣的橫截面面積不斷變大直至被壓扁。故只能測(cè)其屈服載荷，屈服應(yīng)力為式中：為試樣的原始橫載面面積。2.測(cè)定灰鑄鐵壓縮時(shí)的強(qiáng)度性能指標(biāo)灰鑄鐵在壓縮過(guò)程中，當(dāng)試樣的變形很小時(shí)即發(fā)生破壞，故只能測(cè)其破壞時(shí)的最大載荷，抗壓強(qiáng)度為五、實(shí)驗(yàn)步驟檢查試樣兩端面的光潔度和平行度，并涂上潤(rùn)滑油。用游標(biāo)卡尺在試樣的中間截面相互垂直的方向上各測(cè)量一次直徑，取其平均值作為計(jì)算直徑。估算試樣的最大載荷，選擇相應(yīng)的測(cè)力盤(pán)，配置好相應(yīng)的擺錘。調(diào)整測(cè)力指針，使之對(duì)準(zhǔn)“0”，將從動(dòng)指針與之靠攏，同時(shí)調(diào)整好自動(dòng)繪圖裝置。檢查球形承墊與承墊是否符合要求。將試樣放進(jìn)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的上、下承墊之間，并檢查對(duì)中情況。開(kāi)動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，均勻緩慢加載，注意讀取低碳鋼的屈服載荷和灰鑄鐵的最大載荷，并注意觀察試樣的變形現(xiàn)象。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與計(jì)算表1-2-1材料試樣直徑實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)后的試樣草圖試樣的壓縮圖低碳鋼屈服載荷屈服應(yīng)力灰鑄鐵最大載荷抗壓強(qiáng)度七、思考題比較低碳鋼和灰鑄鐵在拉伸與壓縮時(shí)所測(cè)得的和的數(shù)值有何差別？仔細(xì)觀察灰鑄鐵的破壞形式并分析破壞原因。

附錄A萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)介紹1）機(jī)械液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定材料的力學(xué)性能的主要設(shè)備是材料試驗(yàn)機(jī)。常用的材料試驗(yàn)機(jī)有拉力試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)、疲勞試驗(yàn)機(jī)等。能兼作拉伸、壓縮、彎曲等多種實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)稱為萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，或簡(jiǎn)稱為萬(wàn)能機(jī)。供靜力實(shí)驗(yàn)用的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)有液壓式、機(jī)械式、電子機(jī)械式等類型。圖1現(xiàn)以國(guó)產(chǎn)WE系列為例介紹液壓式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。圖1-1-3為這一系列中最常見(jiàn)的WE—100A、300、600試驗(yàn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-1-3、1-圖1圖1圖1在底座1上由兩根固定立柱2和固定橫梁3組成承載框架。工作油缸4固定于框架上。在工作油缸的活塞5上，支承著由上橫梁6、活動(dòng)立柱7和活動(dòng)平臺(tái)8組成的活動(dòng)框架。當(dāng)油泵16開(kāi)動(dòng)時(shí)，油液通過(guò)送油閥17，經(jīng)送油管18進(jìn)人工作油缸，把活塞5連同活動(dòng)平臺(tái)8一同頂起。這樣，如把試樣安裝于上夾頭9和下夾頭12之間，由于下夾頭固定，上夾頭隨活動(dòng)平臺(tái)上升，試樣將受到拉伸。若把試樣置放于兩個(gè)承壓墊板11之間，或?qū)⑹軓澰嚇又梅庞趦蓚€(gè)彎曲支座10上，則因固定橫梁不動(dòng)而活動(dòng)平臺(tái)上升，試樣將分別受到壓縮或彎曲。此外，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前如欲調(diào)整上、下夾頭之間的圖1-圖1測(cè)力系統(tǒng)加載時(shí)，開(kāi)動(dòng)油泵電機(jī)，打開(kāi)送油閥17，油泵把油液送人工作油缸4頂起工作活塞5給試樣加載；同時(shí)，油液經(jīng)回油管19及測(cè)力油管21(這時(shí)回油閥20是關(guān)閉的，油液不能流回油箱37)，進(jìn)入測(cè)力油缸22，壓迫測(cè)力活塞23，使它帶動(dòng)拉桿24向下移動(dòng)，從而迫使擺桿26和擺錘25聯(lián)同推桿27繞支點(diǎn)偏轉(zhuǎn)。推桿偏轉(zhuǎn)時(shí)，推動(dòng)齒桿28作水平移動(dòng)，于是驅(qū)動(dòng)示力盤(pán)的指針齒輪，使示力指針29繞示力度盤(pán)30的中心旋轉(zhuǎn)。示力指針旋轉(zhuǎn)的角度與測(cè)力油缸活塞上的總壓力(即拉桿24所受拉力)成正比。因?yàn)闇y(cè)力油缸和工作油缸中油壓壓強(qiáng)相同，兩個(gè)油缸活塞上的總壓力成正比(活塞面積之比)。這樣，示力指針的轉(zhuǎn)角便與工作油缸活塞上的總壓力，亦即試樣所受載荷成正比。經(jīng)過(guò)標(biāo)定便可使指針在示力度盤(pán)上直接指示載荷的大小。試驗(yàn)機(jī)一般配有重量不同的擺錘，可供選擇。對(duì)重量不同的擺錘，使示力指針轉(zhuǎn)同樣的轉(zhuǎn)角，所需油壓并不相同，即載荷并不相同。所以，示力度盤(pán)上由刻度表示的測(cè)力范圍應(yīng)與擺錘的重量相匹配。以WE—300試驗(yàn)機(jī)為例，它配有A、B、C三種擺錘。擺錘A對(duì)應(yīng)的測(cè)力范圍為0～60kN，A十B對(duì)應(yīng)0～150kN，A十B+C對(duì)應(yīng)0～300kN。開(kāi)動(dòng)油泵電機(jī)，送油閥開(kāi)啟的大小可以調(diào)節(jié)油液進(jìn)人工作油缸的快慢，因而可用以控制增加載荷的速度。開(kāi)啟回油閥20，可使工作油缸中的油液經(jīng)回油管19泄回油箱37，從而卸減試樣所受載荷。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，為消除活動(dòng)框架等的自重影響，應(yīng)開(kāi)動(dòng)油泵送油，將活動(dòng)平臺(tái)略微升高。然后調(diào)節(jié)測(cè)力部分的平衡鉈31，使擺桿26保持垂直位置，并使示力指針指在零點(diǎn)。試驗(yàn)機(jī)上一般還有自動(dòng)繪圖裝置。它的工作原理是，活動(dòng)平臺(tái)上升時(shí)，由繞過(guò)滑輪(1)和(2)的拉繩33帶動(dòng)滾筒32繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，在滾筒圓柱面上構(gòu)成沿周線表示位移的坐標(biāo)；同時(shí)，齒桿26的移動(dòng)構(gòu)成沿滾筒軸線表示載荷的坐標(biāo)。這樣，實(shí)驗(yàn)時(shí)繪圖筆34在滾筒上就可自動(dòng)繪出載荷—位移曲線。當(dāng)然，這只是一條定性曲線，不是很準(zhǔn)確的。操作規(guī)程及注意事項(xiàng)首先檢查夾頭式樣是否匹配，配重盤(pán)是否合適；確定：閥門(mén)開(kāi)關(guān)關(guān)閉，電機(jī)開(kāi)關(guān)關(guān)閉，回油緩沖器回到零位。開(kāi)電源，再開(kāi)動(dòng)油泵電機(jī)。約5分鐘，待油泵工作正常后，緩慢開(kāi)啟送油閥，將活動(dòng)平臺(tái)升高約lcm，以消除其自重。然后關(guān)閉送油閥，通過(guò)螺桿調(diào)整示力度盤(pán)指針使它指在零點(diǎn)，將從動(dòng)指針與之靠攏。安裝拉伸試樣，開(kāi)動(dòng)下夾頭升降電機(jī)以調(diào)整下夾頭位置，下移足夠空間。式樣先安裝于上夾頭，然后開(kāi)動(dòng)升降電機(jī)，上移下夾頭至合適位置，關(guān)電機(jī)按鈕。然后夾緊下夾頭。（下夾頭升降電機(jī)不能受力，否則會(huì)燒毀電機(jī)。）緩慢開(kāi)啟送油閥，平穩(wěn)加載，直至拉斷。（應(yīng)避免油閥開(kāi)啟過(guò)大進(jìn)油太快，注意不要觸動(dòng)擺桿或擺錘。）關(guān)送油閥，取試件。緩慢開(kāi)回油閥，使活動(dòng)平臺(tái)與擺錘緩慢回落至lcm處，關(guān)油泵。（全班做完后，將活動(dòng)平臺(tái)回落到0點(diǎn)，關(guān)油泵，關(guān)總電源。）2)WDW－E100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)操作規(guī)程根據(jù)試樣的形狀、尺寸及試驗(yàn)?zāi)康母鼡Q傳感器插頭及合適的夾具。打開(kāi)主機(jī)變壓器、控