《机械设计基础实验书》Word下载.docx

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实训一 

低碳钢､铸铁的拉伸和压缩实验

1.实验目的

（1）观察分析低碳钢的拉伸过程和铸铁的拉伸､压缩过程,比较其力学性能｡

（2）测定低碳钢材料的

､

;

测定铸铁材料的

和

｡

（3）了解万能材料试验机的结构原理,能正确独立操作使用｡

2.实验设备及工具

（1）液压摆式万能材料试验机｡

（2）x—y记录仪｡

（3）游标卡尺｡

（4）拉伸和压缩试件｡

3.拉伸和压缩试件

为了便于比较各种材料在拉伸和压缩时的力学性能,拉伸试件按国标GB/T6397—1986制作,压缩试件按国标GB/T7314-1987制作｡

如图所示,拉伸试件采用哑铃状,由工作部分､圆弧过渡部分和夹持部分组成｡若以L表示试件工作部分标距,d表示试件直径,则拉伸试件有短试件（L=5d）和长试件（L=10d）两种｡本试验采用长试件｡

压缩试件通常为圆柱状,如实1-2图所示｡试件受压时,两端面与试验机压头间的摩擦力很大,约束了试件的横向变形,试件越短,影响越大,实验结果越不准确｡因此,试件应有一定的长度｡但是,试件太长又容易产生纵向弯曲而失稳｡铸铁压缩实验时取L=（1~2）d｡

4.实验原理和方法

（1）低碳钢拉伸实验

将试件安装于试验机的夹头内,之后匀速缓慢加载（加载速度对力学性能是有影响的,速度越快,所测的强度值就越高）,直至将试件拉断｡低碳钢试件在静拉伸试验中,通常可直接得到拉伸曲线,即F-△L曲线,如实1-3图所示｡用准确的拉伸曲线可直接换算出应力应变

曲线｡观察拉伸曲线可见试件依次经过弹性阶段､屈服阶段､强化阶段和缩颈阶段等四个阶段,其中前三个阶段是均匀变形的｡

①弹性阶段是指拉伸图上的OA′段｡在弹性阶段,存在一比例极限点A,对应的应力为比例极限

此部分载荷与变形是成比例的,材料的弹性模量E应在此范围内测定｡

②屈服阶段对应拉伸图上的BC段｡在低碳钢的拉伸曲线上,当载荷增加到一定数值时出现的锯齿现象｡屈服阶段中一个重要的力学性能就是屈服点｡低碳钢材料存在上屈服点和下屈服点,不加说明,一般都是指下屈服点｡上屈服点对应拉伸图中的B点,记为FSU,即试件发生屈服而力首次下降前的最大力值｡下屈服点记为FSL,是指不计初始瞬时效应的屈服阶段中的最小力值｡金属材料的屈服是宏观塑性变形开始的一种标志｡

一般通过指针法或图示法来确定屈服点,综合起来具体做法可概括为:

当屈服出现一对峰谷时,则对应于谷低点的位置就是屈服点;

当屈服阶段出现多个波动峰谷时,则除去第一个谷值后所余最小谷值点就是屈服点｡用上述方法测得屈服载荷,然后计算出屈服点､下屈服点和上屈服点:

=FS/A,

=FSL/A,

=FSU/A｡

③强化阶段对应于拉伸图中的CD段｡变形强化标志着材料抵抗继续变形的能力在增强｡这也表明材料要继续变形,就要不断增加载荷｡在强化阶段如果卸载,弹性变形会随之消失,塑性变形将会永久保留下来｡强化阶段的卸载路径与弹性阶段平行｡卸载后重新加载时,加载线仍与弹性阶段平行｡重新加载后,材料的比例极限明显提高,而塑性性能会相应下降｡这种现象称之为形变硬化或冷作硬化｡冷作硬化是金属材料的宝贵性质之一｡工程中利用冷作硬化工艺的例子很多,如挤压､冷拔､喷丸等｡D点是拉伸曲线的最高点,载荷为Fb,对应的应力是材料的强度极限或抗拉极限,记为

=Fb/A｡

④缩颈阶段对应于拉伸图的DE段｡载荷达到最大值后,由于材料本身存在缺陷,于是均匀变形转化为集中变形,导致形成缩颈｡缩颈阶段,承载面积急剧减小,试件承受的载荷也不断下降,直至断裂｡断裂后,试件的弹性变形消失,塑性变形则永久保留在破断的试件上｡材料的塑性性能通常用试件断后残留的变形来衡量｡轴向拉伸的塑性性能通常用伸长率和断面收缩率来表示,计算公式见第四章｡

塑性材料缩颈部分的变形在总变形中占很大比例,研究表明,低碳钢试件缩颈部分的变形占塑性变形的80%左右｡测定断后伸长率时,缩颈部分及其影响区的塑性变形都包含在内,这就要求断口位置到最邻近的标距端线的距离不小于L/3,此时可直接测量试件标距两端的距离得到L1｡否则就要用移位法（见有关资料）使断口居于标距的中央附近｡若断口落在标距之外则试验无效｡

⑤试件标距对伸长率

的影响

把试件断裂后的塑性伸长量△L分成均匀变形阶段的伸长量△L1和缩颈阶段的伸长量△L2两部分｡研究表明,△L1沿试件标距长度均匀分布,△L2主要集中于缩颈附近｡远离缩颈处的变形较小,△L1要比△L2小得多,一般△L1不会超过△L2的5%｡实验与理论研究表明,△L1与试件初始标距长度L成正比,而△L2与试样横截面面积的大小A有关,伸长率为

其中

是材料常数｡则对于同一种材料,只有在试件的

值为常数的条件下,其断后伸长率

才是常数｡若面积A相同时,L大,则

小;

反之,则

大｡故有

>

（2）铸铁拉伸实验

铸铁是典型的脆性材料,拉伸曲线如图所示,可以近似认为经弹性阶段直接断裂｡断裂面平齐且为闪光的结晶状组织,说明是由拉应力引起的｡其强度指标也只有抗拉强度

用实验测得的最大力值Fb,除以试样的原始面积A,就得到铸铁的抗拉强度

即

=Fb/A｡

（3）铸铁压缩实验

铸铁在压缩实验过程中,压缩曲线有明显的非线性｡试件在到达最大压缩载荷时有明显的塑性变形,圆柱形被压缩成鼓形,最后破坏｡测出压缩破坏载荷Fb,按式

=Fb/A计算铸铁的抗压强度

｡进行压缩试验时,常用球面支承加载,以保证试件端面与垫板均匀接触､均匀受压和压力通过试件轴线｡实l-5图给出了铸铁压缩试验的支承､曲线和断口情况｡

5.实验步骤

（1）试件准备在低碳钢试件上划出长度为L的标距线,并把L分成n等份（一般10等份）｡对于拉伸试件,在标距的两端及中部三个位置上,沿两个相互垂直方向测量直径,以其平均值计算各横截面面积,再取三者中的最小值为试件的A｡对于压缩试件,以试件中间截面相互垂直方向直径的平均值计算A｡

（2）试验机准备对于液压试验机,根据试件的材料和尺寸选择合适的示力盘和相应的摆锤｡对于电子拉力试验机,要选择合适的量程和加载速度｡标定记录仪的

轴（一般为变形ΔL）和

轴（一般为拉力F）｡

（3）安装试件

（4）正式实验控制液压机的进油阀或电子拉力试验机的升降开关缓慢加载｡实验过程中,注意记录FS值｡屈服阶段后,打开峰值保持开关,以便自动记录Fb值｡

（5）关机取试件试件破坏后,立即关机｡取下试件,量取有关尺寸｡观察断口形貌｡

6.实验结果处理

以表格的形式处理实验结果｡根据记录的原始数据,计算出低碳钢的

铸铁的抗拉强度

和抗压强度

7.思考题

（1）本次实验自动绘制的低碳钢拉伸曲线中,横坐标量ΔL与试件标距内的变形量是否一致,为什么?

（2）材料和面积相同而标距长短不同的两根比例试样,其断后伸长率

是否相同?

（3）实验时如何观察低碳钢的屈服点?

测定

时为何要对加载速度提出要求?

（4）比较低碳钢拉伸､铸铁拉伸和压缩的断口,分析破坏的力学原因｡

实验名称

日期

班级

姓名

学号

成绩

1.试件尺寸1.试件尺寸

拉伸试件尺寸

试验前

试验后

材料

名称

标距

L/mm

直径d/mm

最小

截面

断后

缩颈

直径

面积

①

②

③

A/mm2

L1/mm

d1/mm

A1/mm2

平均

压缩试件尺寸

长度L/mm

2.实验数据及计算结果

受力

形式

强度

塑性

屈服载荷

Fs/kN

最大载荷

Fb/kN

屈服点

σs/MPa

抗拉（压）强度

σb/MPa

伸长率

δ（%）

断面收缩率

ψ（%）

拉伸

压缩

3.绘制σ一ε曲线图

（在下面三图中绘制出低碳钢､铸铁的拉压σ—ε曲线图）

图1图2图3

实训二机构运动简图的测绘及机构CAD设计

一､实验目的

1、熟悉机构运动简图的绘制方法,掌握从实际机构中测绘机构运动简图的技能;

2、巩固机构结构分析原理及自由度计算方法;

3、加深理解平面四杆机构的演化过程及验证曲柄存在条件｡

4、简单了解和运用机构CAD设计软件系统进行机构运动仿真和项目设计｡

二､实验设备及工具

1、测绘用各种机构实物模型;

2、测量用尺､分规､铅笔及草稿纸｡

3、CAD\CAM实验室和机构CAD设计软件系统

三､实验原理

1､机构运动简图的常用符号

如图1至图4所示（详见《机械制图》GB4460—84“机构运动简图符号”）｡

（1）转动副,如图1所示｡

（a）全为活动构件时

（b）构件1为机架时

图1转动副

（2）移动副,如图2所示｡

图2移动副

（3）高副,如图3所示｡

图3高副

（4）构件图例,如图4所示

（a）具有两个运动副元素时

（b）具有三个运动副元素时

（c）具有四个运动副元素时

图4构件图例

2､实验原理

机构各部分的运动,是由其原动件的运动规律､该机构中各运动副的类型（高副､低副,转动副､移动副等）和机构的运动尺寸来决定的,而与构件的外形､断面尺寸､组成构件的零件数目及固联方式等无关｡所以,只要根据机构的运动尺寸,按一定的比例尺定出各运动副的位置,就可以用运动副的代表符号和简单的线条把机构的运动简图作出来｡

正确的机构运动简图中各构件的尺寸､运动副的类型和相对位置以及机构组成形式应与原机构保持一致,从而保证机构运动简图与