工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

1、拉伸實(shí)驗(yàn)是測定材料力學(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。2）觀察低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）3）比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

2、拉伸變形量一般由這一段的變形來測定，兩端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)：1）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。2）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)

3、 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)。3）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）

4、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

5、， 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

6、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(hào)， 令表示到的長度，則的長度中 包含的格數(shù)等于標(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)：1)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。2)試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)備；與低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)相同3)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

7、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(huì)斷裂， 所以鑄鐵的延伸率和截面收縮 率很小，很難測出。實(shí)驗(yàn)二 壓縮實(shí)驗(yàn)在工程實(shí)際中， 有些構(gòu)件承受壓力， 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

8、來制造機(jī)床底座、 床 身、汽缸、泵體等。、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?）測定在壓縮時(shí)低碳鋼的流動(dòng)極限，及灰鑄鐵的強(qiáng)度極限。2）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，并制定四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、低碳鋼的壓縮實(shí)驗(yàn)1）試件準(zhǔn)備：用游標(biāo)卡尺測量試件的直徑。2）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。3）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

9、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)極限而得不出受壓時(shí)的強(qiáng)度極限。圖2-2圖2-32、鑄鐵的壓縮實(shí)驗(yàn)五、注意事項(xiàng)1）試件一定要放在壓頭中心以免偏心影響鑄鐵壓縮與低碳鋼的壓縮實(shí)驗(yàn)方法相同, 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。但鑄鐵受壓時(shí)4-2）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。3）鑄鐵壓縮時(shí)，應(yīng)注意安全，以防試件破

10、壞時(shí)跳出打傷。六、討論題1)低碳鋼壓縮圖與拉伸圖有何區(qū)別？說明什么問題？2)鑄鐵的破壞形式說明什么問題？3)低碳鋼壓縮后為什么成鼓形？實(shí)驗(yàn)三 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)，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?)低碳鋼的剪切流動(dòng)極限、剪切強(qiáng)度極限、及鑄鐵的剪切強(qiáng)度極限。2)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4-1四、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1、低碳鋼試件的扭轉(zhuǎn)：1

11、)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)。2)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)” 。圖4-2圖4-33）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