材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書學(xué)生用

1、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書前 言一 實(shí)驗(yàn)課的目的機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)課目的在于：驗(yàn)證、鞏固和加深課堂講授的理論，培養(yǎng)學(xué)生掌握一些有關(guān)的最基本的機(jī)械實(shí)驗(yàn)方法，操作技能和測量能力，培養(yǎng)同學(xué)分析和解決實(shí)際問題的能力。二 實(shí)驗(yàn)課的要求1 要求每個(gè)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課之前進(jìn)行預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和課堂上講授的有關(guān)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)后分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，寫成正規(guī)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。2 上實(shí)驗(yàn)課時(shí)，要求保持良好的秩序，嚴(yán)肅認(rèn)真地做好實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。3 上實(shí)驗(yàn)課時(shí)，要求每個(gè)學(xué)生嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室一切制度，愛護(hù)室內(nèi)一切設(shè)備和器具，不得損壞。三 本課程所做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如下1. 低碳鋼和鑄鐵的拉伸與壓縮實(shí)驗(yàn)2. 低碳鋼和鑄鐵的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一 拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)是測定

2、材料力學(xué)性能的最基本最重要的實(shí)驗(yàn)之一。由本實(shí)驗(yàn)所測得的結(jié)果，可以說明材料在靜拉伸下的一些性能，諸如材料對載荷的抵抗能力的變化規(guī)律、材料的彈性、塑性、強(qiáng)度等重要機(jī)械性能，這些性能是工程上合理地選用材料和進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的重要依據(jù)。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?測定低碳鋼的流動(dòng)極限、強(qiáng)度極限、延伸率、截面收縮率和鑄鐵的強(qiáng)度極限。 碳鋼和鑄鐵在拉伸過程中表現(xiàn)的現(xiàn)象，繪出外力和變形間的關(guān)系曲線（曲線）。 較低碳鋼和鑄鐵兩種材料的拉伸性能和斷口情況。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器材料試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺、兩腳標(biāo)規(guī)等三、拉伸試件金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)常用的試件形狀如圖所示。圖中工作段長度稱為標(biāo)距，試件的拉伸變形量一般由這一段的變形來測定，兩端

3、較粗部分是為了便于裝入試驗(yàn)機(jī)的夾頭內(nèi)。為了使實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果可以互相比較，試件必須按國家標(biāo)準(zhǔn)做成標(biāo)準(zhǔn)試件，即或。對于一般板的材料拉伸實(shí)驗(yàn)，也應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)做成矩形截面試件。其截面面積和試件標(biāo)距關(guān)系為或，為標(biāo)距段內(nèi)的截面積。四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、低碳鋼的拉伸實(shí)驗(yàn)：）試件的準(zhǔn)備：在試件中段取標(biāo)距或在標(biāo)距兩端用腳標(biāo)規(guī)打上沖眼作為標(biāo)志，用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距范圍內(nèi)測量中間和兩端三處直徑（在每處的兩個(gè)互相垂直的方向各測一次取其平均值）取最小值作為計(jì)算試件橫截面面積用。）試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)備；首先了解材料試驗(yàn)機(jī)的基本構(gòu)造原理和操作方法，學(xué)習(xí)試驗(yàn)機(jī)的操作規(guī)程。根據(jù)低碳鋼的強(qiáng)度極限及試件的橫截面積，初步估計(jì)拉伸試件所需最大

4、載荷，選擇合適的測力度盤，并配置相應(yīng)的擺錘，開動(dòng)機(jī)器，將測力指針調(diào)到“零點(diǎn)”，然后調(diào)整試驗(yàn)機(jī)下夾頭位置，將試件夾裝在夾頭內(nèi)。）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：試件夾緊后，給試件緩慢均勻加載，用試驗(yàn)機(jī)上自動(dòng)繪圖裝置，繪出外力和變形的關(guān)系曲線（曲線）如圖所示。從圖中可以看出，當(dāng)載荷增加到點(diǎn)時(shí)，拉伸圖上段是直線，表明此階段內(nèi)載荷與試件的變形成比例關(guān)系，即符合虎克定律的彈性變形范圍。當(dāng)載荷增加到點(diǎn)時(shí)，測力計(jì)指針停留不動(dòng)或突然下降到點(diǎn)，然后在小的范圍內(nèi)擺動(dòng)，這時(shí)變形增加很快，載荷增加很慢；這說明材料產(chǎn)生了流動(dòng)（或者叫屈服）與點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)力叫上流動(dòng)極限，與相應(yīng)的應(yīng)力叫下流動(dòng)極限，因下流動(dòng)極限比較穩(wěn)定，所以材料的流動(dòng)極限一般規(guī)定按

5、下流動(dòng)極限取值。以點(diǎn)相對應(yīng)的載荷值除以試件的原始截面積即得到低碳鋼的流動(dòng)極限，流動(dòng)階段后，試件要承受更大的外力，才能繼續(xù)發(fā)生變形若要使塑性變形加大，必須增加載荷，如圖形中點(diǎn)至點(diǎn)這一段為強(qiáng)化階段。當(dāng)載荷達(dá)到最大值（點(diǎn)）時(shí)，試件的塑性變形集中在某一截面處的小段內(nèi)，此段發(fā)生截面收縮，即出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象。此時(shí)記下最大載荷值，用除以試件的原始截面積，就得到低碳鋼的強(qiáng)度極限。在試件發(fā)生“頸縮”后，由于截面積的減小，載荷迅速下降，到點(diǎn)試件斷裂。關(guān)閉機(jī)器，取下拉斷的試件，將斷裂的試件緊對到一起，用游標(biāo)卡尺測量出斷裂后試件標(biāo)距間的長度，按下式可計(jì)算出低碳鋼的延伸率。將斷裂的試件的斷口緊對在一起，用游標(biāo)卡尺量出斷

6、口（細(xì)頸）處的直徑，計(jì)算出面積；按下式可計(jì)算出低碳鋼的截面收縮率，圖1-2圖1-3從破壞后的低碳鋼試件上可以看到，各處的殘余伸長不是均勻分布的。離斷口愈近變形愈大，離斷口愈遠(yuǎn)則變形愈小，因此測得的數(shù)值與斷口的部位有關(guān)。為了統(tǒng)一值的計(jì)算，規(guī)定以斷口在標(biāo)距長度中央的區(qū)段內(nèi)為準(zhǔn)，來測量的值，若斷口不在區(qū)段內(nèi)時(shí)，需要采用斷口移中的方法進(jìn)行換算，其方法如下：設(shè)兩標(biāo)點(diǎn)到之間共刻有格，如圖1-4所示，拉伸前各格之間距離相等，在斷裂試件較長的右段上從鄰近斷口的一個(gè)刻線起，向右取格，標(biāo)記為，這就相當(dāng)于把斷口擺在標(biāo)距中央，再看點(diǎn)至點(diǎn)有多少格，就由點(diǎn)向左取相同的格數(shù)，標(biāo)以記號，令表示到的長度，則的長度中包含的格數(shù)等

7、于標(biāo)距長度內(nèi)的格數(shù)，故。當(dāng)斷口非常接近試件兩端，而與其頭部之距離等于或小于直徑的兩倍時(shí)，一般認(rèn)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果無效，需要重作實(shí)驗(yàn)。2、鑄鐵的拉伸實(shí)驗(yàn)：）試件的準(zhǔn)備：用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距范圍內(nèi)測量中間和兩端三處直徑取最小值計(jì)算試件截面面積，根據(jù)鑄鐵的強(qiáng)度極限，估計(jì)拉伸試件的最大載荷。）試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)備；與低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)相同 1) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：開動(dòng)機(jī)器，緩慢均勻加載直到斷裂為止。記錄最大載荷，觀察自動(dòng)繪圖裝置上的曲線，如圖1-3所示。將最大載荷值除以試件的原始截面積，就得到鑄鐵的強(qiáng)度極限。因?yàn)殍T鐵為脆性材料在變形很小的情況下就會斷裂，所以鑄鐵的延伸率和截面收縮率很小，很難測出。 壓縮實(shí)驗(yàn)在工程實(shí)際中，有些構(gòu)件

8、承受壓力，而材料由于載荷形式的不同其表現(xiàn)的機(jī)械性能也不同，因此除了通過拉伸實(shí)驗(yàn)了解金屬材料的拉伸性能外，有時(shí)還要作壓縮實(shí)驗(yàn)來了解金屬材料的壓縮性能，一般對于鑄鐵、水泥、磚、石頭等主要承受壓力的脆性材料才進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，而對于塑性金屬或合金進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)是主要目的是為了材料研究。例如灰鑄鐵在拉伸和壓縮時(shí)的強(qiáng)度極限不相同，因此工程上就利用鑄鐵壓縮強(qiáng)度較高這一特點(diǎn)用來制造機(jī)床底座、床身、汽缸、泵體等。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅y定在壓縮時(shí)低碳鋼的流動(dòng)極限，及灰鑄鐵的強(qiáng)度極限。）觀察它們的破壞現(xiàn)象，并比較這兩種材料受壓時(shí)的特性。二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：材料試驗(yàn)機(jī)、游標(biāo)卡尺三、試件金屬材料的壓縮試件一般制成圓柱形，如圖所示

9、，并制定四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1低碳鋼的壓縮實(shí)驗(yàn)）試件準(zhǔn)備：用游標(biāo)卡尺測量試件的直徑。）試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)備：首先了解試驗(yàn)機(jī)的基本構(gòu)造原理和操作方法，學(xué)習(xí)試驗(yàn)機(jī)的操作規(guī)程。選擇合適的測力刻度盤，配置相應(yīng)的擺錘，開動(dòng)機(jī)器，將刻度盤指針調(diào)到零點(diǎn)，然后將試件盡量準(zhǔn)確地放在機(jī)器活動(dòng)承墊中心上，使試件承受軸向壓力。）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：開動(dòng)機(jī)器，使試件緩慢均勻加載，低碳鋼在壓縮過程中產(chǎn)生流動(dòng)以前基本情況與拉伸時(shí)相同，載荷到達(dá)時(shí)，測力盤指針停止不動(dòng)或倒退，這說明材料產(chǎn)生了流動(dòng)，當(dāng)載荷超過點(diǎn)后，塑性變形逐漸增加，試件橫截面積逐漸明顯地增大，試件最后被壓成鼓形而不斷裂，故只能測出產(chǎn)生流動(dòng)時(shí)的載荷，由得出材料受壓時(shí)的流動(dòng)極限而得不出

10、受壓時(shí)的強(qiáng)度極限。圖1-5圖1-62、鑄鐵的壓縮實(shí)驗(yàn)鑄鐵壓縮與低碳鋼的壓縮實(shí)驗(yàn)方法相同，但鑄鐵受壓時(shí)在很小的變形下即發(fā)生破壞，只能測出，由得出材料強(qiáng)度極限。鑄鐵破壞時(shí)的裂縫約與軸線成角左右。五、注意事項(xiàng)）試件一定要放在壓頭中心以免偏心影響）在試件與上壓頭接觸時(shí)要特別注意減小油門，使之慢慢接觸，以免發(fā)生撞擊，損壞機(jī)器。）鑄鐵壓縮時(shí)，應(yīng)注意安全，以防試件破壞時(shí)跳出打傷。六、討論題）低碳鋼壓縮圖與拉伸圖有何區(qū)別？說明什么問題？）鑄鐵的破壞形式說明什么問題？）碳鋼壓縮后為什么成鼓形？實(shí)驗(yàn)二 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)在實(shí)際工程機(jī)械中，有很多傳動(dòng)軸是在扭轉(zhuǎn)情況下工作，設(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)軸所用的許用剪應(yīng)力，是根據(jù)材料在扭轉(zhuǎn)破壞實(shí)驗(yàn)時(shí)

11、，所測出的剪切流動(dòng)極限，或剪切強(qiáng)度極限而求得的。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊螅┑吞间摰募羟辛鲃?dòng)極限、剪切強(qiáng)度極限、及鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限。）觀察斷口情況，進(jìn)行比較和分析。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)、劃線儀、游標(biāo)卡尺等三、扭轉(zhuǎn)試件根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，一般采用圓截面試件，標(biāo)距，標(biāo)距部分直徑。如圖4-1所示。圖3-1四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、低碳鋼試件的扭轉(zhuǎn)：）試件的準(zhǔn)備：在試件標(biāo)距內(nèi)的中間和兩端三處測量直徑，取最小值作為直徑尺寸，計(jì)算抗扭截面系數(shù)。）試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)備；首先了解扭轉(zhuǎn)機(jī)的基本構(gòu)造原理和操作方法，學(xué)習(xí)掌握扭轉(zhuǎn)機(jī)的操作規(guī)程。根據(jù)材料性質(zhì)，初步估所需最大扭矩，選擇合適的測力表盤，配置相應(yīng)的擺錘，測力指針調(diào)到“零點(diǎn)”。

12、圖3-2圖3-3）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：將低碳鋼試件裝夾到試驗(yàn)機(jī)上，用“手動(dòng)”對試件緩慢均勻地加扭矩，加在試件上的扭矩和扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，如圖4-2所示。當(dāng)扭矩增加到點(diǎn)，（即）時(shí)，圖4-2中段為直線，表明此階段內(nèi)載荷與試件變形之間成比例關(guān)系，扭矩超過后。試件截面的外緣外處，材料發(fā)生流動(dòng)形成環(huán)形塑性區(qū)，同時(shí)圖曲線稍微上上升，達(dá)到點(diǎn)趨于平坦，這時(shí)測力指針幾乎不動(dòng)，這說明塑性區(qū)已擴(kuò)展為整個(gè)截面，材料發(fā)生流動(dòng)，記錄下此時(shí)的扭矩。在達(dá)到時(shí)，假定截面上各點(diǎn)的剪應(yīng)力同時(shí)達(dá)到流動(dòng)極限（理想塑性），斷面上均勻分布，從而推導(dǎo)計(jì)算流動(dòng)極限的近似公式如下：因式中是常數(shù)，所以故屈服極限，式中：若試件繼續(xù)變形，材料進(jìn)一步強(qiáng)化，當(dāng)達(dá)到上的點(diǎn)時(shí)，試件破壞，扭矩表盤上的指針可讀出最大扭矩，與屈服時(shí)的塑性變形過程相似，可得試件斷裂后，立即關(guān)閉機(jī)器，取下試件。2、鑄鐵試件的扭轉(zhuǎn)：圖3-4鑄鐵的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)方法與步驟與低碳鋼相同，因鑄鐵扭轉(zhuǎn)在變形很小的情況下就被扭斷，鑄鐵的曲線如圖4-4所示由圖可知，鑄鐵扭轉(zhuǎn)由開