云南农业大学工程力学-材料力学实验教学文稿.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。云南农业大学工程力学-材料力学实验-材料力学实验指导书黄剑峰编云南农业大学工科专业基础实验教学中心2007年7月-前言材料力学实验是材料力学课程教学中的一个重要环节。通过这一环节，不仅丰富了同学的书本知识，使同学们学到测定材料力学性能的基本知识和技能，初步掌握验证材料力学理论的方法，而且对培养同学的实践技能和科学习惯十分重要。材料力学实验的主要目的在于：1测定代表各种材料力学性能的力学参数，如屈服极限、强度极限、弹性模量等。2验证材料力学的一些理论公式和结论，如梁受纯弯曲时截面上的正应力分布规律，各种受力情况下的变形规律等。3对不便于或无法用理论公式进行计算和分析的受力情况，如形状和受力均较复杂的构件，可用实验应力分析的方法解决。4通过实验掌握材料力学实验的基本方法和测试技术。材料力学实验是工程技术人员和各类工科专业的学生所必须掌握的基本技能，在进行实验时同学们应注意以下几点：1注意了解实验条件和观察实验中的各种现象，因为各种现象和实验条件都与材料的性能和实验结果有着密切的关系。2尽可能将观察到的实验现象与学过的理论知识相结合，用理论解释实验现象，以实验结果验证理论。这样才能对材料力学中的公式、理论理解得更深刻、更巩固。3了解机器及仪表的使用方法和工作原理，以便正确地操作和使用。4在填写实验报告及回答思考题时，要真正通过自己的思考，以求得对问题的深入理解。5根据教学安排，实验前先复习教材并预习实验指导书中有关内容，使实验有较大收获。目录§1金属材料的拉伸实验.1§2金属材料的压缩实验.5§3金属材料的扭转实验.8§4附录一电子万能试验机.12§5附录二液压式万能材料试验机.14附：实验报告单.第15页共5页§1金属材料的拉伸实验一、实验目的1观察与分析低碳钢、灰铸铁在拉伸过程中的力学现象并绘制拉伸图。2测定低碳钢的ss、sb、d、y和灰铸铁的sb。3比较低碳钢与灰铸铁的机械性能。二、实验仪器和设备1CMT系列电子万能试验机；2游标卡尺。三、试件实验表明，试件的尺寸和形状对试验结果有影响，为了使各种材料的试验结果具有通用性、可比性，必须将试件尺寸、形状和试验方法统一规定，使试验标准化。本实验所用的试件参照国家标准力学性能试验取样位置和试样制备（GB/T2975-1998）制备；实验方法参照国家标准金属材料室温拉伸试验方法（GB/T228-2002）进行。试件形状如图1-1：标距L0Ld0图1-1L平行长度，LL0d0；L0试件平行长度部分两条刻线间的距离，称为原始标距；d0平行长度部分之原始直径。圆形比例试件分两种：L0=10d0，称为长试件；L0=5d0，称为短试件。本实验试件采用d0=10mm，L0=100mm的长试件。四、实验原理(一)低碳钢拉伸实验材料的机械性能指标ss、sb、d和y由常温、静载下的轴向拉伸破坏试验测定。整个试验过程中，力与变形的关系可由拉伸图表示，被测材料试件的拉伸图由试验机自动记录显示。低碳钢的拉伸图比较典型，可分为四个阶段：1直线阶段0A此阶段拉力与变形成正比，所以也称为线弹性变形阶段，A点对应的载荷为比例极限载荷Fp；2屈服阶段BC曲线常呈锯齿形，此阶段拉力的变化不大，但变形迅速增加，此段内曲线上的最高点称为上屈服点B，最低点称为下屈服点B，因下屈服点B比较稳定，工程上一般以B点对应的力值作为屈服载荷Fs；3强化阶段CD此阶段拉力增加变形也继续增加，但它们不再是线性关系，其最高点D对应的力值为最大载荷Fb；4颈缩阶段DE过了D点，试件开始出现局部收缩（颈缩），直至试件被拉断。图1-2为低碳钢拉伸图。Fb不bbbbbFsFp0LAB´DEBFFLCFb不bbbbbF图1-2图1-3（二）灰铸铁拉伸实验对于灰铸铁，由于拉伸时的塑性变形极小，在变形很小时就达到最大载荷而突然断裂，没有明显的屈服和颈缩现象，其强度极限即为试件断裂时的名义应力。图1-3为铸铁拉伸图。五、实验步骤（一）实验准备1打开试验机主机电源。2打开计算机，双击计算机桌面上的PowerTest_D00C图标，试验软件启动。选择正确的传感器、引伸计进行联机。3在输入用户参数窗口选择欲做试验方案，输入存盘文件名。4测量并记录试件的尺寸：在刻线长度内的两端和中部测量三个截面的直径d0，取直径最小者为计算直径，并量取标距长度L0。输入试件尺寸、试件标距及相关试验参数。5调节横梁位置并安装夹持试样。6点击主机小键盘上的试样保护键，消除夹持力。7装夹引伸计，引伸计清零。（二）进行实验1开始试验：（1）按下“运行”按钮，试验机开始按试验程序对试件进行拉伸。仔细观察试件和计算机屏幕上的拉伸曲线在拉伸过程中的对应情况，特别注意观察屈服阶段的特点、颈缩阶段的发生和发展，直至试件拉断，取下试件并观察断口。（2）对灰铸铁试件，则装夹后按下“运行”按钮，试验机开始按试验程序对试件进行拉伸，仔细观察试件和计算机屏幕上的拉伸曲线在拉伸过程中的对应情况，直至拉断，取下试件并观察断口。2当变形达到试验方案设置的引伸计切换点时，程序有提示窗口，试验进入力保持状态，卸引伸计，然后关掉提示窗口，试验继续运行。3试验结束，在试验结果栏中，程序将自动计算出的结果显示在其中。浏览拉伸曲线，记录屈服载荷Fs（Fel）和最大载荷Fb（Fm）。输入断后标距，断后面积。打印试验报告。（三）断后延伸率和截面收缩率的测定（1）试件拉断后，将其断裂试件紧密对接在一起，在断口（颈缩）处沿两个互相垂直方向各测量一次直径，取其平均值为d1，用来计算断口处横截面面积A1。（2）将断裂试件的两段紧密对接在一起，尽量使其轴线位于一直线上，若断口到邻近标距端点的距离大于L0/3，则用游标卡尺测量断裂后两端刻线之间的标距长度即为L1。（3）若断口到邻近标距端点的距离小于或等于L0/3，要求用断口移中法计算L1的长度。则应按下述方法来测量拉断后试件标距部分的长度L1。利用在试验前将试件标距部分等分成10个小格，即以断口O（图1-4a）为起点，在长段上量取基本等于短段的格数得B点。当长段所余格数为偶数时，则由所余格数的一半得C点，将BC段长度移到标距的左端，则移位后的L1为：如果在长段取B点后所余下的格数为奇数（图1-4b），则取所余格数加1之半得C1点，减1之半得C点，则移中（即将BC1或BC移到试件左侧）后的L1为：DCBOA移位移位L0（实际的）L1（移位后的）图1-4aDC1CBOA移位移位L0（实际的）L1（移位后的）图1-4b六、实验结果处理1根据测得的低碳钢拉伸载荷Fs、Fb计算屈服极限ss和强度极限sb。2根据测得的灰铸铁拉伸最大载荷Fb计算强度极限sb。3根据拉断前后的试件标距长度和横截面面积，计算出低碳钢的延伸率和截面收缩率；由于灰铸铁拉伸塑性变形量很小，断后延伸率和截面收缩率一般就不必测定。4绘制两种材料的拉抻图（F-L图）。5绘图表示两种材料的断口形状。§2金属材料的压缩实验一、实验目的1.观察与分析低碳钢、灰铸铁在压缩过程中的力学现象并绘制压缩图。2.测定压缩时低碳钢的的ss，灰铸铁的sb。3.比较低碳钢与灰铸铁的机械性能。二、实验仪器和设备1WA-1000B型电液式万能材料试验机；2游标卡尺。三、压缩试件为了能对各种材料的试验结果作比较，金属材料压缩试样一般采用圆柱形标准试样（图2-1）。1.试样高度和直径的比例要适宜。试件太高，容易产生纵向不稳定现象；试件太短，试验机垫板与试件两端面间的摩擦力（图2-2）对试件实际的承载能力产生影响。为保证试样在试验过程中均匀单向压缩，且端部不在试验结束之前损坏，国标GB/T7314-2005推荐无约束压缩试样尺寸为：2试件置于试验机的球形承垫中心位置处（图2-3），以防试件两端面稍不平时，起调节作用，使压力均匀分布，其合力应通过试件轴线。h0d0FF摩擦力球形承垫试件3试件两端的平面应加工光滑以减小摩擦力的影响，实验时通常还在两端部加适量的润滑油。图2-1图2-2图2-3四、实验原理1低碳钢压缩实验低碳钢受压时与受拉时一样有比例极限和屈服极限，但不象拉伸时那样有明显的屈服现象。因此，测定压缩的屈服载荷Fs时要特别细心观察。在缓慢匀速加载下，试验机的测力指针会突然停留、或倒退、或指针转速突然减慢。如果指针停留，则以指针所指载荷作为屈服载荷Fs；如果指针倒退，则以指针所指最低载荷作为屈服载荷Fs；如果指针转速突然减慢，此时主动指针所指载荷即作为屈服载荷Fs。过了屈服点，塑性变形迅速增加，试件横截面面积也随之增大。而增大的面积能承受更大的载荷，因此，压缩曲线迅速上升，见自动绘图仪绘出低碳钢压缩图（图2-4）。LFbFFFsL图2-4图2-5低碳钢试件最后可压成饼状而不破坏，所以无法测定最大载荷Fb。2灰铸铁压缩实验灰铸铁试件受压缩时，在达到最大载荷Fb前会出现较大的弹性变形才发生破裂，此时测力指针迅速倒退，由随动指针可读出最大载荷Fb，自动绘图仪绘出铸铁压缩图（图2-5）。灰铸铁试件最后被压成腰鼓形，表面出现与试件轴线大约成45°左右的倾斜裂纹。五、实验步骤1测量并记录试件高度及横截面直径。2根据估计的最大载荷选择合适载荷，试验机清零。3将试件两端涂上润滑剂，然后放在试验机活动台支承垫中心处。4开动试验机，使移动横梁下移，当移动横梁与低碳钢试件接触受力后，要控制加载速度，使载荷缓慢均匀增加，注意观察测力窗口与变形的变化情况，从而判断试件是否已达屈服阶段，及时记录屈服载荷Fs，超过屈服载荷后，继续加载，低碳钢试件被压成腰鼓形即可停止。5.铸铁试件加压至试件破坏为止，记录最大载荷Fb。六、实验结果处理1根据所测低碳钢的压缩屈服载荷Fs计算压缩屈服极限ss。2根据所测铸铁的压缩最大载荷Fb计算压缩强度极限sb。式中：§3金属材料的扭转实验一、实验目的1观察与分析低碳钢、灰铸铁在扭转过程中的各种力学现象。2测定低碳钢的ts,tb和灰铸铁的tb。二、实验仪器和设备1扭转试验机；2游标卡尺。三、试件试件的形状如图3-1所示：d0L0图3-1L0试件平行长度部分两条刻线间的距离，称为原始标距。d0平行长度部分之原始直径。四、实验原理圆轴承受扭转时，材料处于纯剪切应力状态，因此，常用扭转试验来研究不同材料在纯剪切作用下的扭转机械性能。1低碳钢的扭转实验低碳钢扭转时，其T-j曲线如图3-2所示。图中OA段为一倾斜直线，表示扭矩T与扭转角j成正比。对应于OA段，试件横截面上的应力也按线性分布，如图3-3()所示。当扭矩超过Tp后,试件外缘材料逐渐进入屈服阶段，而形成一环形塑性区，如图3-3（b）。根据静力平衡条件，可以求得s与Ts的关系为：将式中dA用环状面积元素2d表示，则有：故剪切屈服极限为：式中：0TsTpjbTbABDCTj图3-2ttb(a)(b)(c)ts图3-3变形过了C点，试件由外向内开始强化，扭矩又开始上升。当外缘剪应力达到剪切强度极限tb时（D点），试件由外向内破断，载荷下降。此时试件横截面上的剪应力大致如图3-3（c）所示，此时可近似地认为整个横截面上的剪应力都达到剪切强度极限tb，即：但是，为了试验结果相互之间的可比性，根据国标GB10128-88规定，低碳钢扭转剪切屈服极限（屈服点）和剪切强度极限（抗扭强度）采用下式计算：2铸铁的扭转实验jb(a)(b)TjTbb铸铁扭转时，其T-j曲线近似一直线如图3-4(a)，这时横截面上的剪应力也近似按线性分布，如图3-4(b)所示。图3-4因此，其剪切强度极限tb及按下式计算：五、实验步骤1低碳钢的扭转实验（1）测量试件实验段中部直径。用游标卡尺在试件的中央和两端共三处，每处测一对正交方向，取平均值作该处直径，然后取三处直径最小者，作为试件直径d。（2）根剧计算机的提示，设定试验方案，试验参数。（3）将试件装入试验机夹头，用粉笔沿试件表面划一纵向线，以观察试件的变形情况。按“扭矩清零”键及“扭转角清零”键。（4）按“运行”键，开始试验。用30º分钟的主动夹头转速对试件加载，观察计算机上显示的扭转曲线，当首次扭角增加而扭矩不增加（保持恒定）时扭矩为屈服扭矩Ts。测出Ts后，将主动夹头调高转速继续对试件加载，直至试件破断为止，测出最大扭矩Tb和最大扭转角度数。2铸铁的扭转实验（1）、（2）、（3）与低碳钢扭转实验相同。（4）用30º分钟的转速对试件加载直至试件破断为止,测出最大扭矩Tb和和最大扭转角度数。六、实验数据处理按上述有关公式分别计算ts和tb。附录一电子万能试验机电子万能试验机工作时，由主控计算机通过RS-232标准总线接口对各测量、控制功能函数进行调用、管理、控制，并利用主机与附件的功能搭配组合，完成多种功能试验。电子万能试验机系统结构如下图所示。L60图1.1电子万能试验机分为主机和测量控制系统二大部分。主机主机是材料力学性能试验机测试的执行机构，主要由负荷机架、传动系统、夹持系统和位置保护装置构成。系统工作时，在活动横梁位移控制系统的驱动下，配合相应的附件，可以使被测试样产生应力、应变，经测量、数据采集、处理后给出所需数据。在底座的工作台面上，安装有立柱、滚珠丝杠副和压缩弯曲试验台，立柱位于活动横梁的两侧，用于支撑上横梁，并为活动横梁起导向作用，防止活动横梁上、下移动时发生摆动。工作台下部为铸造机器底座，它与横梁具有同等刚度。由上横梁、活动横梁、工作台、滚珠丝杠副及立柱组成的门式结构的负荷机架，在实验过程中，力在负荷机架内得到平衡。在上横梁与活动横梁之间，分别安装有拉伸上夹头和下夹头，当控制系统发出信号使直流伺服电机工作时，通过减速装置带动圆弧齿形带转动，从而驱动大带轮，使滚珠丝杠获得稳定的转速，带动活动横梁上、下移动。试验时，将试件安装在上、下夹头之间，上夹头不动，当活动横梁向下运动时，试件受到拉伸。若把试件放在下压板上或放在弯曲试验台上，当活动横梁向下运行时，试件与压头接触，而被压缩或弯曲。同时由负荷传感器将载荷大小的信号输出给负荷测量系统，由位移编码器将活动横梁位移信号输出给位移测量系统。在电子万能试验机主机前面，通常安装有行程保护装置，它是由限位杆、限位环和限位开关组成。上、下限位环的位置可以根据试验需要预先设定。当活动横梁运行到极限位置碰动限位环时，限位杠自动滑落，由限位杆触动限位开关来切断电源，使活动横梁停止运行，从而起到保护机器行程，防止上、下夹具碰撞等恶性事故发生。控制测量系统试验机的控制测量系统主要分为位移、力和变形测量控制系统。位移的测量由装在转动丝杠一端与丝杠同步转动的光电式位移传感器提取信号的。由于转动丝杠的螺距已经确定，光电编码器发出的脉冲数就与活动横梁的位移量有着固定的比例关系。当位移发生时光电编码器发出的脉冲信号由计算机采集后，将信号按比例转换后即可得到位移；控制时设定好一个速度或位移目标选择，计算机将指令发送到控制器，控制器控制主机上的直流伺服电机，使其得到一个固定的电压，就确定了活动横梁运行的速度，再通过设定活动横梁移动方向来控制电机转动的方向，从而实现位移的控制。力的测量是通过应变式力传感器及测量放大器来实现。由活动横梁下夹头或上压头作用的力传递给力传感器，力传感器产生的信号经由控制器传输到计算机后，由计算机按传感器标定数据进行处理得到力值。变形测量则是通过使用引伸计来实现各种标距的变形测量。通常在测量前，将引伸计安装在被测试件上，当试件受力变形时，通过引伸计将变形信号放大，输出到控制器，控制器将信号传输到计算机并显示出来。力和变形的测量控制方式与位移控制方式类似，控制的设定目标和实时闭环控制检测指标变为相应的力值和变形值，控制执行机构仍是控制器和直流伺服电机。附录二液压式万能材料试验机液压式万能材料试验机广泛应用于材料试验中，其结构原理可分为四大部分，结构原理图见图2.1。加力部分在液压式万能试验机的机座上装有两根固定立柱7，主要由这两根立柱支承大横梁、小横梁、工作油缸9。当开动电动机16时，传动皮带就带动油泵15工作，高压油液经油管进油阀14输送到工作油缸9，推动工作活塞10往上运动。活塞上升时，带动活动立柱8与工作台5往上运行。做拉伸实验时，将拉伸试件3的两端夹于上夹头4和下夹头2之间（下夹头连接底座固定不动）。当工作台上升时，使试件发生拉伸变形；做压缩实验时，把压缩试件放在下承压座12的中心位置处，当工作台上升时使上承压座11接触试件后，产生压缩变形；做弯曲实验时，把弯曲试件放在两支座13上，当工作台上升时使上压头（弯曲压头）接触试件后，产生弯曲变形。进油阀用来控制输入工作油缸中的油量，以控制试件的变形速度。实验完毕，关闭进油阀14，打开回油阀20，把工作油缸里的油液泄回油箱，使工作台回到原始位置。测力部分实验时，试件受力大小，可在测力度盘25上直接读出指示值。试件受力后，工作油缸的油具有一定的压力，压力的大小与试件受力的大小是成正比例的。由于工作油缸和测力油缸是联通的，故工作油缸和测力油缸所受的油压是相等的。此油压推动测力活塞18和测力拉杆22，使推杆24和摆锤21绕支点转动，推杆推动螺杆运动，使齿轮和测力指针26旋转，测力度盘25所读得的数值即表示试件受力的大小。液压万能材料试验机的荷载范围可由摆锤21的重量来确定。一般试验机都备有三种砣重作为选择荷载范围用，测力度盘25上相应有三种荷载刻度。自动绘图部分液压试验机绘图装置是通过固定在万能试验机工作台上的拉绳带动绘图滚筒转动，滚筒转动方向为变形坐标，螺杆运动方向为力坐标。操作部分该部分主要由进油阀、回油阀和电器开关等组成。进油阀的作用是调节油箱里的油往工作油缸送油量的大小。进油阀的阀门开得大，表示油送到工作油缸的速度快、油量多，也就说明试件受力大，变形快。实验时要严格控制进油阀门的大小，保证荷载盘指针均匀地转动。回油阀的作用是调节工作油缸里的油流回油箱的流量,即使试件卸载，实验做完后，须打开回油阀门，使工作油缸的油流回油箱。万能试验机的具体操作方法如下：1底座2下夹头3试件4上夹头5工作台6标尺7固定立柱8活动立柱9工作油缸10工作活11上承压座12下承压座13弯曲支座14进油阀15高压油泵16电动机17油箱18测力活塞19测力油缸20回油阀21摆锤22测力拉杆23平衡铊24推杆25测力度盘26测力指针27油管1、 图2.1选择荷载范围实验前，首先根据试件材料能承受的最大荷载，选择相应的砣重量，确定合适的实验荷载范围（如300kN万能试验机分为：060kN，0150kN，0300kN）。若在万能试验机上挂上A砣，表示060kN范围，挂上A、B砣表示0150kN范围，挂上A、B、C砣表示0300kN范围。如直径为10mm的低碳钢拉伸试件，估计最大承载为40kN左右，选用060kN范围即可，其目的是提高荷载测试精度。2、 荷载调零开动油泵电机，关闭回油阀，再打开进油阀，向工作油缸送油，使工作台略上升510mm后（消除工作平台的自重），转动螺杆使指针对准测力度盘上的零点，拨回被动指针。3、安装调整绘图仪的纸和笔。加载时能自动绘制试件受力与变形的曲线图。4、安装试件。装夹拉伸试件时，先调整下夹头位置，使拉伸区空间与试件长度相适应。调整下夹头位置时，可开动电动机使下夹头上升或下降。当试件夹紧后，就不允许再用电动机升降下夹头，以免电动机超负荷而烧毁。5、加载与卸载。试件安装完毕，即可开启进油阀，逐渐对试件进行加载，加载时要求测力指针匀速平稳地转动。切忌猛开进油阀导致加载速度失控，损坏测力机构。实验完毕，关闭电源开关和进油阀，打开回油阀，使工作油缸的油流回油箱，工作平台下降至初始位置。6、试验中不得擅离试验机，听见异常声音或发现故障应立即关闭电源检查、排除。云南农业大学材料力学实验学生实验报告实验课程名称：材料力学开课实验室：力学实验室年月日年级、专业、班学号姓名成绩实验项目名称金属材料的拉伸实验指导教师教师评语教师签名：年月日实验目的实验设备试验机名称及型号最大试验力负荷测量精度指示值的±0.5量具名称及型号量具分度值试件尺寸实验前材料截面d01(mm)截面d02(mm)截面d03(mm)最小直径d0(mm)最小横截面积A0(mm2)原始标距长度L0(mm)低碳钢灰铸铁实验后断口（颈缩）处最小直径d1(mm)断口横截面积A1(mm2)断后标距长度L1(mm)低碳钢平均机械性能实验记录及计算结果低碳钢灰铸铁屈服载荷Fs（kN）最大载荷Fb（kN）屈服极限ss（MPa）强度极限sb（MPa)延伸率（%）断面收缩率（%）材料低碳钢灰铸铁拉伸图Ld0Fd0Ld0Fd0断口形状讨论:1参考试验机自动绘出的拉伸图，分析试件从加力至断裂的过程可分为几个阶段？相应于每一阶段的拉伸曲线的特点和物理意义是什么？2ss和sb是不是试件在屈服和断裂时的真实应力？为什么？3由拉伸实验测定的材料机械性能在工程上有何实用价值？云南农业大学材料力学实验学生实验报告实验课程名称：材料力学开课实验室：力学实验室年月日年级、专业、班学号姓名成绩实验项目名称金属材料的压缩实验指导教师教师评语教师签名：年月日实验目的实验设备试验机名称及型号最大试验力使用量程量程分度值量具名称及型号量具分度值试件尺寸机械性能实验记录及计算结果低碳钢铸铁低碳钢灰铸铁屈服载荷Fs（kN）直径d0(mm)最大载荷Fb（kN）面积A0(mm2)屈服极限ss（MPa）高度h0(mm)强度极限sb（MPa）材料低碳钢灰铸铁压缩图hd0Fd0hd0Fd0材料低碳钢铸铁断口形状讨论:1为什么灰铸铁试件压缩时沿45º的方向破裂？2由两种材料（低碳钢和灰铸铁）拉伸与压缩的试验结果，归纳整理塑性材料和脆性材料的力学性能及破坏形式。云南农业大学材料力学实验学生实验报告实验课程名称：材料力学开课实验室：力学实验室年月日年级、专业、班学号姓名成绩实验项目名称金属材料的扭转实验指导教师教师评语教师签名：年月日实验目的实验设备试验机名称及型号最大扭矩使用量程量程分度值量具名称及型号量具分度值试件尺寸机械性能实验记录及计算结果低碳钢灰铸铁材料低碳钢灰铸铁屈服扭矩Ts（N·m）直径d0(mm)最大扭矩Tb（N·m）最大扭转角（0）断后直径d1(mm)剪切屈服极限ts(MPa)剪切强度极限tb(MPa)材料低碳钢灰铸铁断口形状讨论:1试件尺寸试验前后有无变化？说明什么?2分析两种材料的破坏断口为何不同？