工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)講義

工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)講義

浙江水利水電?？茖W(xué)校

、拉伸、壓縮實(shí)驗(yàn)

（一）目的要求

1、了解萬能機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及其工作原理，熟悉操作規(guī)程和正確

使用方法，并注意安全事項(xiàng)。

2、通過實(shí)臉觀察低碳鋼、鑄鐵在拉伸和壓縮過程中表現(xiàn)的各種

變形規(guī)律和破壞現(xiàn)象。分析和比較不同材料的力學(xué)性能。

3、測(cè)定低碳鋼拉伸時(shí)的屈服極限區(qū)、強(qiáng)度極限與、延伸率5和

截面的收縮率”。

（二）設(shè)備

1、液壓萬能機(jī)。（圖1-1）

圖1-1

2、游標(biāo)卡尺。

3、試件

（1）低碳鋼和鑄鐵的拉伸

試件要測(cè)定某一種材料的機(jī)械性質(zhì)，試件的數(shù)量一般至少取3-

5根為一組（取材要有代表性），為了便于比較試臉結(jié)果，必須按照

國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（GB228-76）的規(guī)定加工成標(biāo)準(zhǔn)試件或比例試件，尺寸

如表1。

表1

試件標(biāo)距截面尺寸圓形試件直徑

長(zhǎng)20031420

標(biāo)準(zhǔn)的

短10031420

長(zhǎng)11.2&任意的任意的

比例的

短5.654任意的任意的

標(biāo)距的“為試件中段兩點(diǎn)間的距離，作為測(cè)量拉伸變形之用，本

試驗(yàn)室采用4=54的圓形截面短試件。

（2）低碳鋼和鑄鐵的壓縮試件

高度和橫截面的尺寸應(yīng)適宜，太高易產(chǎn)生縱向彎曲和不穩(wěn)定，太

粗短則與上下支承墊板間摩擦力太大，通常規(guī)定為：

1W殳43（%為高度，d”為直徑），兩端面必須光滑而平行。

do

（三）試驗(yàn)步驟

1、仔細(xì)聽取教師講解機(jī)器構(gòu)造和使用方法，認(rèn)識(shí)主要部件及其

作用。本室為WE-30A液壓萬能試驗(yàn)機(jī)。（圖1-2）

圖1一2

2、低碳鋼和鑄鐵的拉伸、壓縮

(1)檢查低碳鋼拉伸試件是否合格，在試件中段劃線機(jī)劃出標(biāo)

距，并在標(biāo)距間每隔1/10刻劃上圓周線(這一步已由實(shí)驗(yàn)室事先做

好)，以便觀察變形分布的情況；此外，如試件的斷口不在中間的，

便于移中計(jì)算，以求得比較正確的延伸率。在標(biāo)距兩端和中間等三處

截面的兩相互垂直方向上量取直徑，算出三個(gè)平均值，取其中最小平

均直徑作為計(jì)算強(qiáng)度時(shí)的直徑。

(2)根據(jù)材料的強(qiáng)度極限(可查手冊(cè))估算最大荷載P,選擇合

適的測(cè)力度盤和調(diào)整擺錘(使最大負(fù)荷約為測(cè)力度盤最大容量的80%

較好)。

(3)檢查試驗(yàn)機(jī)是否處于正常狀態(tài)。如操縱機(jī)構(gòu)或油門是否在正

確起始位置；保險(xiǎn)開關(guān)，自動(dòng)繪圖能否正常工作等。

(4)關(guān)緊回油閥和進(jìn)油閥，開動(dòng)油泵馬達(dá)后再慢慢打開進(jìn)油閥，

把橫梁抬高消除可動(dòng)橫梁的自重，然后關(guān)閉進(jìn)油閥，停止馬

達(dá)，調(diào)整測(cè)力指針至零，并撥動(dòng)副針使之與主(動(dòng))針靠近。

(5)安裝試件，對(duì)拉伸試件，先將一端夾于上夾頭內(nèi)，要夾足、

夾正，再移動(dòng)下夾頭使直達(dá)到適當(dāng)位置，在夾緊試件下端時(shí)要注意使

試件中心與拉力方向在一直線上。對(duì)壓縮試件，則要擺正在支承的中

心位置，盡量避免偏心而達(dá)到軸向受力。

(6)調(diào)整好自動(dòng)繪圖裝置，并裝上記錄用紙和筆，以便觀察其工

作情況。

(7)開動(dòng)機(jī)器，緩緩打開進(jìn)油閥，慢速均勻加載。對(duì)鑄鐵試件加

載至斷裂，立即停機(jī)。記錄最大荷載對(duì)低碳鋼試件加載時(shí)，當(dāng)示

力盤上指針轉(zhuǎn)動(dòng)很慢，或者停止不動(dòng)，甚至倒退時(shí)，表明材料已達(dá)屈

服階段，記下屈服時(shí)的荷載，一般以測(cè)力指針回轉(zhuǎn)后指示的最小荷載

最為屈服荷載P,。

(8)當(dāng)?shù)吞间撛嚰_(dá)到屈服階段后，加載速度適當(dāng)加快，對(duì)壓縮

試件加載至所需荷載，立即停機(jī)。對(duì)拉伸試件，加載速度加快后載荷

隨變形增加達(dá)到最大值，可看到試件開始發(fā)生截面局部縮小，即所謂

的“頸縮現(xiàn)象”，記下最大荷載為。頸縮后，荷載迅速下降，試件很

快斷裂，立即停機(jī)。

(9)取下試件，把低碳鋼拉伸試件兩端斷口對(duì)正密合在一起，量

取試件斷后的標(biāo)距線之間長(zhǎng)度小，并在斷后處兩個(gè)相互垂直方向量取

直徑4，取平均值，記錄數(shù)據(jù)，整理機(jī)儀，一切復(fù)原。

(10)觀察試件斷口形狀，結(jié)合自動(dòng)繪圖裝置所描繪出的P-/曲

線圖，分析塑性材料和脆性材料在拉伸和壓縮過程中的異同點(diǎn)及其機(jī)

械性質(zhì)。

(四)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1、強(qiáng)度極限外和屈服極限4的計(jì)算

<y=—MPa

hA)

5=—MPa

4

2、計(jì)算延伸率時(shí)斷后標(biāo)距0的量法

乙的測(cè)量與斷口的位置有關(guān)，愈近斷口(頸縮)處材料的

塑性變形愈大，如斷口在兩端處或標(biāo)距外，則試驗(yàn)不合格，須

重做。當(dāng)斷口在標(biāo)距中間的三分之一處時(shí)，變形比較對(duì)稱，只

要把試件兩部分對(duì)齊合起來，就可量取0。當(dāng)斷口不在標(biāo)距長(zhǎng)

度三分之一以內(nèi)時(shí)，需用斷口移中法，就是預(yù)先在試件標(biāo)距長(zhǎng)

度內(nèi)每隔5mm所劃的十個(gè)分格線進(jìn)行換算，可以較準(zhǔn)確地量取

A|o

拉伸前10格相等（圖1-3）o拉斷后，在斷裂處第一條劃

線向右較長(zhǎng)一段取10/2格，標(biāo)記為a,把a(bǔ)點(diǎn)作為整個(gè)標(biāo)距的

最后邊一點(diǎn)，這就相當(dāng)于把斷口擺在標(biāo)距中央。再?gòu)腶點(diǎn)數(shù)到

右端標(biāo)點(diǎn)線有幾格，就由a向右取相同的格數(shù)，標(biāo)以b,令m

表示的長(zhǎng)度，n表示團(tuán)的長(zhǎng)度，則0之值等于線段ac和時(shí)之

和，即。=m+2n,其長(zhǎng)度中包括的格數(shù)等于L內(nèi)的原分格數(shù)。

圖1-3

（四）注意事項(xiàng)

1、未經(jīng)指導(dǎo)教師同意不得開動(dòng)機(jī)器。

2、操作者要嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，不得隨意離開操縱臺(tái)。

3.不得使用快速馬達(dá)加載（快速馬達(dá)只有在安裝試件時(shí)作

為調(diào)節(jié)下夾頭上下移動(dòng)用，試件夾緊后，下夾頭不再調(diào)整）。

4、初加我時(shí)要注意測(cè)力指針，防止加載過快，卸載時(shí)要注

意試件，雖然有時(shí)指針尚未遇到零點(diǎn)，但試件已經(jīng)松動(dòng)，應(yīng)立

即關(guān)閉馬達(dá)。

（五）問題思考

1、為什么萬能機(jī)在試驗(yàn)前必須將活動(dòng)臺(tái)（橫梁）升起一定

高度后才調(diào)整“零''點(diǎn)？

2、根據(jù)什么原則選擇測(cè)力度盤和擺錘？

3、加載、卸載時(shí)要注意什么？

4、試比較塑性材料和脆性材料在拉伸和壓縮過程中的異同。

5、低碳綱的屈服點(diǎn)如何確定？

6、低碳鋼拉斷時(shí)的應(yīng)力是否就是強(qiáng)度極限

7、為什么在計(jì)算拉伸應(yīng)力時(shí)截面面積取試件三處中最小

者？

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

一、目的

1、觀察低碳鋼和鑄鐵受扭過程中的變形現(xiàn)象：比較它們的破壞

特征。

2、驗(yàn)證扭轉(zhuǎn)虎克定律，測(cè)定剪切強(qiáng)度極限。

二、設(shè)備

1、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。

2、游標(biāo)卡尺,

3、試件。

本室為NJ-50B型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)（圖27）,其結(jié)構(gòu)分為加載機(jī)構(gòu)、

測(cè)力機(jī)構(gòu)及記錄裝置三部分。實(shí)險(xiǎn)機(jī)有四級(jí)度盤分別為0-50Nm、

OTOONm、0-200Nm.0-500Nmo

圖2-1

加載機(jī)構(gòu)安裝在溜板上，經(jīng)六個(gè)滾動(dòng)軸承可在基座的導(dǎo)軌上自由

滑動(dòng)，由直流電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)，通過兩級(jí)蝸輪、蝸桿減速箱的減速，使

夾頭旋轉(zhuǎn)對(duì)試樣施加扭矩，無級(jí)調(diào)速分為兩檔0-36。/分，0-360。/分。

測(cè)力機(jī)構(gòu)由夾頭1穿來的力矩M通過杠桿2或反向杠桿3,變支

點(diǎn)杠桿6到后桿20,后動(dòng)平衡杠桿10,由于P力的作用，平衡杠桿

上翹，推動(dòng)差動(dòng)變壓器12,差動(dòng)變壓器鐵芯位移，發(fā)出信號(hào)，經(jīng)放

大器13,使伺服電機(jī)14轉(zhuǎn)動(dòng)，通過鋼絲21,拉動(dòng)游陀11運(yùn)動(dòng)，游

陀移動(dòng)的同時(shí)通過鋼絲拉動(dòng)繩輪24,使指針16在測(cè)力度盤17上指

出力矩Mn的數(shù)值，當(dāng)游陀對(duì)支點(diǎn)的力矩QS=Pr時(shí)達(dá)到平衡；杠桿恢

復(fù)水平狀態(tài)。差動(dòng)變壓器鐵芯處于零點(diǎn)，無信號(hào)輸出，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

記錄裝置中記錄筆22沿記錄筒通過鋼絲15由繩輪24拉動(dòng)，如

指針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，記錄筆所描繪的直線長(zhǎng)度就是儀表該度盤的滿度力矩

值，作為力矩坐標(biāo)，記錄筒的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過裝于主動(dòng)夾頭25的減速箱

26上的自整角發(fā)送機(jī)27發(fā)出信號(hào)經(jīng)放大器28由伺服電機(jī)29帶動(dòng)自

整角30轉(zhuǎn)動(dòng)。

三、試驗(yàn)步驟

1、用特殊鉛筆在低碳鋼試件表面劃出平行桿軸線的縱向線和左

標(biāo)距內(nèi)兩個(gè)截面的圓周線，使成為小矩形格子（已由實(shí)臉室準(zhǔn)備好）。

2、用游標(biāo)卡尺在試件標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)量取直徑（方法如拉伸實(shí)驗(yàn)）。

3、選擇合適的度盤（施加扭矩后，禁止轉(zhuǎn)動(dòng)量程選擇手鈕）。

4、把試件先裝于固定夾頭內(nèi)，并夾緊。然后移動(dòng)加載機(jī)構(gòu)，使

試件插入主動(dòng)夾頭至適當(dāng)位置夾緊。此時(shí)，主動(dòng)指針應(yīng)在零點(diǎn)上。

5、選定主動(dòng)夾頭的轉(zhuǎn)速（一般試件屈服前用36。/分，屈后0-360。

/分），將被動(dòng)針轉(zhuǎn)至與主動(dòng)針重合。旋轉(zhuǎn)主動(dòng)夾頭上的刻度環(huán)使零

點(diǎn)與指針重合。選好扭轉(zhuǎn)方向，打開記錄器開關(guān)。

6、啟動(dòng)按扭。擰動(dòng)多圈電位器，使主動(dòng)夾頭至所需轉(zhuǎn)速。這時(shí)，

可以看到扭轉(zhuǎn)變形隨扭矩而不斷增加。按一腸2加載，并同時(shí)測(cè)出相應(yīng)

的扭轉(zhuǎn)角。

7、當(dāng)變形繼續(xù)增加時(shí)，而扭矩不再成正比增加時(shí)，標(biāo)志材料已

開始屈服，這時(shí)，塑性變形僅在外層發(fā)生，扭矩還可以增加。塑性變

形將從圓周向中心逐漸擴(kuò)展，直至截面上各點(diǎn)處的剪應(yīng)力都一樣，這

時(shí)扭矩稱極限扭矩用M/亦表示，繼續(xù)扭轉(zhuǎn)試件已毋需增加外力偶矩，

直至試件扭斷。其剪切流動(dòng)極限

3Mnjx

8、鑄鐵試件

先測(cè)出試件計(jì)算直徑，然后把試件裝于扭轉(zhuǎn)機(jī)上，將主動(dòng)夾頭轉(zhuǎn)

速按紐放在0-36。/分，加載直至破壞，記下破壞時(shí)的扭矩M成。其剪

切強(qiáng)度極限。

Mnb

n

四、問題思考

1、低碳鋼和鑄鐵在扭轉(zhuǎn)破壞時(shí)有什么特征？原因是什么？

2、比較低碳鋼和鑄鐵受扭和受拉時(shí)的變形規(guī)律有何異同？

彎曲正應(yīng)力試驗(yàn)

一、目的

1、測(cè)定純彎梁一個(gè)截面的應(yīng)力大小及分布規(guī)律，以驗(yàn)證直梁彎

曲時(shí)的正應(yīng)力公式。

2、了解電測(cè)法，初步學(xué)會(huì)電阻應(yīng)變儀的使用。

二、設(shè)備

1、YJR-5型電阻應(yīng)變儀。

2、純彎曲正應(yīng)力試驗(yàn)臺(tái)。

A、主梁：材料：45#鋼，E=216Gpa

跨度：L=600mm,a=200mm

B、副梁：跨度：L,=200mm

C、硅碼：每只總量G=10N（采用1：20杠桿比放大）

三、試驗(yàn)原理

如圖3-3所示，在主梁中部的一個(gè)截面上，沿著梁高貼好五個(gè)電

阻片，每片相距h/4,方向平行梁軸，當(dāng)?shù)状a加在破碼托上時(shí)，通過

杠桿作用提起副梁，此時(shí)CD段為純彎曲，貼在梁上的電阻片就跟著

主梁一起變形，利用電阻應(yīng)變儀把這些變形，一個(gè)一個(gè)測(cè)出來，就可

以求出主梁在貼片處的應(yīng)力大?。?/p>

cy=Es(即測(cè)得的應(yīng)變值)。

加載采用增量法，最終荷載低于比例極限，CD段彎矩

2

其橫截面上各點(diǎn)的正應(yīng)力為：

My

(J——-O

四、試驗(yàn)步驟

1、調(diào)節(jié)應(yīng)變儀

(1)將后面板僅，2,2三點(diǎn)聯(lián)接起來(已接好)，旋緊接線柱。

把標(biāo)準(zhǔn)電阻接到后面板A、B、C接線柱上，旋緊，半橋測(cè)量法，再將

后面板上的平衡開關(guān)打在平衡位置，即可進(jìn)行儀器的校準(zhǔn)。注意：儀

器校準(zhǔn)時(shí)，后面板的接線板上不能聯(lián)接任何電阻，否則會(huì)影響精度。

(2)開啟電源開關(guān)。把前面板選擇開關(guān)旋到“1”，這時(shí)指示表

顯示的數(shù)據(jù)是電橋不平衡的分量，調(diào)節(jié)前面板平衡電位器“1”，使

指針表顯示全為“0”，如果顯示數(shù)是正的，平衡電位器逆時(shí)針方向

旋轉(zhuǎn)，顯示數(shù)是負(fù)的，平衡電位器順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

(3)儀器的靈敏度調(diào)整：儀器平衡到“0”后，將標(biāo)定開關(guān)按人，

用幅調(diào)電位器調(diào)到5000,如果小于5000時(shí)，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)幅調(diào)電

位器，反之，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，調(diào)整好靈敏度，把標(biāo)定開關(guān)按出。

(4)儀器的K值調(diào)整：儀器時(shí)按K=2設(shè)計(jì)的。當(dāng)使用的應(yīng)變片

K值不為2時(shí)，必須在測(cè)試前標(biāo)定。本室使用應(yīng)變片K=2.2,即用幅

調(diào)電位器調(diào)節(jié)為4545。調(diào)好后，在實(shí)測(cè)中，所顯示的數(shù)據(jù)不必再進(jìn)

行K值修正。

2、半橋測(cè)量接線。把標(biāo)準(zhǔn)電阻從儀器的A、B、C接線柱拆下來，

把主梁各點(diǎn)的應(yīng)變片依次接到應(yīng)變儀后面板10點(diǎn)接線板上去，AB接

一片測(cè)量片，BC接一片溫度補(bǔ)償片。調(diào)整應(yīng)變片所接點(diǎn)的對(duì)應(yīng)平衡

電位器，使其平衡。

3、在原始記錄上記下所測(cè)主梁的截面尺寸(數(shù)據(jù)