材料力学实验教案.docx
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材料力学实验教案
材料力学实验教案
第十三章 材料力学
第一节 低碳钢的拉伸实验
一、实验名称
低碳钢的拉伸实验。
二、实验目的
1.测定低碳钢的屈服极限σs、强度极限σb、伸长率δ和断面收缩率Ψ;
2.观察低碳钢拉伸过程中的弹性变形、屈服、强化和缩颈等物理现象;
3.熟悉材料试验机和游标卡尺的使用。
三、实验设备
1.手动数显材料试验机
2.MaxTC220试验机测试仪
3.游标卡尺
四、试样制备
低碳钢试样如图所示,直径d=10mm,测量并记录试样的原始标距L0。
五、实验原理
1.材料达到屈服时,应力基本不变而应变增加,材料暂时失去了抵抗变形的能力,此时的应力即为屈服极限σs。
2.材料在拉断前所能承受的最大应力,即为强度极限σb。
3.试样的原始标距为L0,拉断后将两段试样紧密对接在一起。
量出拉断后的长度L1,伸长率为拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比,即
4.拉断后,断面处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比为断面收缩率,即
式中A0—试样原始横截面积;A1—试样拉断后断口处最小横截面积。
六、实验步骤
1.调零。
打开力仪开关,待示力仪自检停后,按清零按钮,使显示屏上的按钮显示为零。
2.加载。
用手握住手柄,顺时针转动施力使动轴通过传动装置带动千斤顶的丝杠上升,使试样受力,直至断裂。
3.示力。
在试样受力的同时,装在螺旋千斤顶和顶梁之间的压力传感器受压产生压力信号,通过回蕊电缆传给电子示力仪,电子示力仪的显示屏上即用数字显示出力值。
4.关机。
实验完毕,卸下试样,操作定载升降装置使移动挂梁降到最低时关闭力仪开关,断开电源。
七、数据处理
1.记录相关数据
参数
原始直径
断口直径
原始标距
拉断后标距
长度(mm)
do=10mm
d1=
Lo=
L1=
2.计算伸长率δ和断面收缩率Ψ
3.在应力应变图中标出屈服极限σs和强度极限σb
八、应力应变图分析
低碳钢的拉伸过程分为四个阶段,分别为弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段和缩颈阶段。
1.弹性变形阶段:
在拉伸的初始阶段,应力和应变的关系为直线,此阶段符合胡克定律,即应力和应变成正比;
2.屈服阶段:
超过弹性极限后,应力增加到某一数值时,应力应变曲线上出现接近水平线的小锯齿形线段,此时,应力基本保持不变,而应变显著增加,材料失去了抵抗变形的能力,锯齿线段对应的应力为屈服极限;
3.强化阶段:
经屈服阶段后,材料又恢复了抵抗变形的能力,要使它继续变形,必须增加拉力,强化阶段中最高点对应的应力为材料所能承受的最大应力,即强度极限;
4.缩颈阶段:
当应力增大到最大值之后,试样某一局部出现显著收缩,产生缩颈,此后使试样继续伸长所需要的拉力减小,最终试样在缩颈处断裂。
九、实验作业
1.说明测定屈服极限σs、强度极限σb、伸长率δ和断面收缩率Ψ的实验原理及拉伸实验的实验步骤;
2.根据实验过程中记录的数据,计算材料的伸长率δ和断面收缩率Ψ;
3.在应力应变图中标出屈服极限σs和强度极限σb;
4.对应力应变图进行分析。
第二节 测定材料弹性模量E
一、实验名称
测定材料的弹性模量。
二、实验目的
1.掌握测定Q235钢弹性模量E的实验方法;
2.熟悉CEG-4K型测E试验台及其配套设备的使用方法。
三、实验设备及仪器
1.CEG-4K型测E试验台
2.球铰式引伸仪
四、主要技术指标
1.试样:
Q235钢,如图所示,直径d=10mm,标距L=100mm。
2.载荷增重ΔF=1000N(砝码四级加载,每个砝码重25N,初载砝码一个,重16N,采用1:
40杠杆比放大)
五、实验原理
实验时,从F0到F4逐级加载,载荷的每级增量为1000N。
每次加载时,记录相应的长度变化量,即为ΔF引起的变形量。
在逐级加载中,如果变形量ΔL基本相等,则表明ΔF与ΔL为线性关系,符合胡克定律。
完成一次加载过程,将得到ΔL的一组数据,实验结束后,求ΔL1到ΔL4的平均值ΔL平,代入胡克定律计算弹性模量。
即
备注:
引伸仪每格代表0.001mm。
六、实验步骤及注意事项
1.调节吊杆螺母,使杠杆尾部上翘一些,使之与满载时关于水平位置大致对称。
2.把引伸仪装夹到试样上,必须使引伸仪不打滑。
注意:
对于容易打滑的引伸仪,要在试样被夹处用粗纱布沿圆周方向打磨一下。
引伸仪为精密仪器,装夹时要特别小心,以免使其受损。
采用球铰式引伸仪时,引伸仪的架体平面与试验台的架体平面需成45°左右的角度。
3.挂上砝码托。
4.加上初载砝码,记下引伸仪的初读数。
5.分四次加等重砝码,每加一次记录一次引伸仪的读数。
注意:
加砝码时要缓慢放手,以使之为静载,防止砝码失落而砸伤人、物。
6.实验完毕,先卸下砝码,再卸下引伸仪。
七、数据记录及计算
1.原始数据记录
分级加载
初载
一次加载
二次加载
三次加载
四次加载
引伸仪读数
L0=
L1=
L2=
L3=
L4=
2.计算
(1)各级形变量的计算
分级加载
一次加载
二次加载
三次加载
四次加载
平均值
形变量
ΔL1=
ΔL2=
ΔL3=
ΔL4=
ΔL平=
(2)材料面积的计算
(3)弹性模量的计算(弹性模量单位MPa)
八、实验作业
1.说明测定弹性模量E的实验原理、步骤及注意事项;
2.根据实验过程中记录的原始数据,计算材料的弹性模量E。
第三节 低碳钢和铸铁的扭转实验
一、实验名称
低碳钢和铸铁的扭转实验。
二、实验目的
1.测定低碳钢的剪切屈服极限
及剪切强度极限
;
2.测定铸铁的剪切强度极限
;
3.观察比较两种材料扭转变形过程中的各种现象及其破坏形式,并对试件断口进行分析。
三、实验设备及仪器
1.扭转试验机
2.游标卡尺
四、试样制备
低碳钢和铸铁试样如图所示,直径d=10mm,分别测量并记录试样的原始标距L0。
五、实验原理
扭转实验是将材料制成一定形状和尺寸的标准试样,置于扭转试验机上进行的,利用扭转试验机上面的自动绘图装置可绘出扭转曲线,并能测出金属材料抵抗扭转时的屈服扭矩
和最大扭矩
。
通过计算可求出屈服极限
及剪切强度极限
。
其中:
六、实验步骤
1.测量试件标距;
2.选择试验机的加载范围,弄清所用测力刻度盘;
3.安装试样,调整测力指针;
4.实验测试。
开机缓慢加载,注意观察试件、测力指针和记录图,记录主要数据,在低碳钢扭转时,有屈服现象,记录测力盘指针摆动的最小扭矩为屈服扭矩Ts,直至实验结束记录最大扭矩Tb;
5.铸铁在扭转时无屈服现象,直至实验结束记录最大扭矩Tb;
6.关机取下试件,将机器恢复原位。
七、数据记录及处理
1.原始数据记录
材料
直径d0(mm)
标距L0(mm)
屈服扭矩Ts(Nm)
最大扭矩Tb(Nm)
低碳钢
10
铸铁
10
——————
2.计算
(1)抗扭截面系数Wt的计算(单位mm3)
(2)低碳钢的屈服极限
及剪切强度极限
的计算(单位MPa)
(3)铸铁剪切强度极限
的计算(单位MPa)
八、绘制断口示意图并分析破坏原因
(a)低碳钢断口示意图(b)铸铁断口示意图
破坏原因分析:
低碳钢材料的抗剪能力低于抗拉(压)能力,低碳钢扭转时沿最大切应力的作用面发生断裂,为切应力作用而剪断,因此,其破坏断面与曲线垂直,见图(a)所示;铸铁材料的抗拉强度较低,铸铁扭转时沿最大拉应力的作用面发生断裂,由应力状态可知,纯剪切最大拉应力作用的主平面与X轴夹角为45°,因此,铸铁圆形试件破坏断面与轴线成45°螺旋面,如图(b)所示。
九、实验作业
1.说明测定低碳钢剪切屈服极限
、剪切强度极限
及铸铁剪切强度极限
的实验原理及步骤;
2.根据实验过程中记录的原始数据,计算低碳钢的剪切屈服极限
、剪切强度极限
及铸铁的剪切强度极限
;
3.绘制低碳钢和铸铁的断口示意图,并分析其破坏原因。
第四节 矩形截面梁纯弯曲正应力的电测实验
一、实验名称
矩形截面梁纯弯曲正应力的电测实验
二、实验目的
1.学习使用电阻应变仪,初步掌握电测方法;
2.测定矩形截面梁纯弯曲时的正应力分布规律,并与理论公式计算结果进行比较,验证弯曲正应力计算公式的正确性。
三、实验设备
1.WSG-80型纯弯曲正应力试验台
2.静态电阻应变仪
四、主要技术指标
1.矩形截面梁试样
图1试样受力情况
材料:
20号钢,E=208×109Pa;
跨度:
L=600mm,a=200mm,L1=200mm;
横截面尺寸:
高度h=28mm,宽度b=10mm。
2.载荷增量
载荷增量ΔF=200N(砝码四级加载,每个砝码重10N采用1:
20杠杆比放大),砝码托作为初载荷,F0=26N。
3.精度
满足教学实验要求,误差一般在5%左右。
五、实验原理
如图1所示,CD段为纯弯曲段,其弯矩为
,则
,
。
根据弯曲理论,梁横截面上各点的正应力增量为:
(1)
式中:
y为点到中性轴的距离;Iz为横截面对中性轴z的惯性矩,对于矩形截面
(2)
由于CD段是纯弯曲的,纵向各纤维间不挤压,只产生伸长或缩短,所以各点均为单向应力状态。
只要测出各点沿纵向的应变增量
,即可按胡克定律计算出实际的正应力增量
。
(3)
在CD段任取一截面,沿不同高度贴五片应变片。
1片、5片距中性轴z的距离为h/2,2片、4片距中性轴z的距离为h/4,3片就贴在中性轴的位置上。
测出各点的应变后,即可按(3)式计算出实际的正应力增量
,并画出正应力
沿截面高度的分布规律图,从而可与
(1)式计算出的正应力理论值
进行比较。
六、实验步骤及注意事项
1.开电源,使应变仪预热。
2.在CD段的大致中间截面处贴五片应变片与轴线平行,各片相距h/4,作为工作片;另在一块与试样相同的材料上贴一片补偿片,放到试样被测截面附近。
应变片要采用窄而长的较好,贴片时可把试样取下,贴好片,焊好固定导线,再小心装上。
3.调动蝶形螺母,使杠杆尾端翘起一些。
4.把工作片和补偿片用导线接到预调平衡箱的相应接线柱上,将预调平衡箱与应变仪联接,接通电源,调平应变仪。
5.先挂砝码托,再分四次加砝码,记下每次应变仪测出的各点读数。
注意加砝码时要缓慢放手。
6.取四次测量的平均增量值作为测量的平均应变,代入(3)式计算可得各点的弯曲正应力,并画出测量的正应力分布图。
7.加载过程中,要注意检查各传力零件是否受到卡、别等,受卡、别等应卸载调整。
8.实验完毕将载荷卸为零,工具复原,经指导老师检查方可关闭应变仪电源。
七、数据处理
1.计算弯曲梁截面各点处的理论正应力增量
(1)记录测点的位置
测点编号
1
2
3
4
5
测点至中性轴的距离y(mm)
14
7
0
7
14
(2)计算矩形横截面对中性轴z的惯性矩Iz
(3)根据公式直接计算各点的理论正应力增量
测点编号
1
2
3
4
5
理论正应力增量(MPa)
2.计算弯曲梁截面各点处的实际正应力增量
(1)各测点原始数据记录
测点
初载
一次加载
二次加载
三次加载
四次加载
1应变仪读数
ε0=
ε1=
ε2=
ε3=
ε4=
2应变仪读数
ε0=
ε1=
ε2=
ε3=
ε4=
3应变仪读数
ε0=
ε1=
ε2=
ε3=
ε4=
4应变仪读数
ε0=
ε1=
ε2=
ε3=
ε4=
5应变仪读数
ε0=
ε1=
ε2=
ε3=
ε4=
(2)各测点应变增量的计算
测点
一次加载
二次加载
三次加载
四次加载
平均值
1应变增量
Δε1=
Δε2=
Δε3=
Δε4=
Δε平=
2应变增量
Δε1=
Δε2=
Δε3=
Δε4=
Δε平=
3应变增量
Δε1=
Δε2=
Δε3=
Δε4=
Δε平=
4应变增量
Δε1=
Δε2=
Δε3=
Δε4=
Δε平=
5应变增量
Δε1=
Δε2=
Δε3=
Δε4=
Δε平=
(3)各测点实际正应力增量的计算
测点编号
1
2
3
4
5
实际正应力增量(MPa)
3.计算各测点理论与实际正应力的误差e
测点编号
1
2
3
4
5
误差e
八、实验作业
1.说明矩形梁纯弯曲正应力电测实验的原理、实验步骤及注意事项等;
2.分别计算各测点的理论和实际弯曲正应力增量,验证弯曲正应力公式的正确性;
3.绘制弯曲正应力沿截面高度的分布规律图。
第五节 测定材料切变模量G
一、实验名称
测定材料切变模量G。
二、实验目的
1.掌握测定Q235钢切变模量G的实验方法;
2.熟悉NY-4型扭转测G仪的使用方法。
三、实验设备及仪器
1.NY-4型扭转测G仪
2.百分表
3.游标卡尺
四、主要技术指标
1.试样:
直径d=10mm,标距L0=60-100mm(可调),材料Q235钢。
2.力臂:
长度a=200mm,产生最大扭矩T=4Nm。
3.百分表:
触点离试样轴线距离b=100mm,放大倍数K=100格/mm,用百分表测定扭转的位移。
4.砝码:
4块,每块重5N,砝码托作初载荷,T0=0.26Nm,扭矩增量ΔT=1Nm。
5.精度:
误差不超过5%。
五、实验原理
实验时,从F0到F4逐级加载,扭矩的每级增量为1Nm。
每次加载时,相应的扭转角变化量即为ΔT引起的变形量。
在逐级加载中,如果变形量Δφ基本相等,则表明Δφ与ΔT为线性关系,符合剪切胡克定律。
完成一次加载过程,可计算得到Δφ的一组数据,实验结束后,求Δφ1到Δφ4的平均值Δφ平,代入剪切胡克定律计算弹性模量。
即
六、实验步骤及注意事项
1.桌面目视基本水平,把仪器放在桌上(先不加砝码托及砝码)。
2.调整两悬臂杆的位置,大致达到选定标距,固定左旋臂杆,再固定右旋臂杆,调整右横杆,使百分表触头距试样轴线距离b=100mm,并使表针预先转过十格以上(b值也可不调,按实际测值计算)。
3.用游标卡尺准确测量标距,作为实际计算用。
4.挂上砝码托,记下百分表的初读数。
5.分四次加砝码,每加一次记录一次表的读数,加砝码时要缓慢放手。
6.实验完毕,卸下砝码。
七、数据记录及计算
1.原始数据记录
试样标距为L0=mm。
分级加载
初载
一次加载
二次加载
三次加载
四次加载
百分表读数
S0=
S1=
S2=
S3=
S4=
2.计算
(1)扭转位移的计算
分级加载
一次加载
二次加载
三次加载
四次加载
平均值
形变量
ΔS1=
ΔS2=
ΔS3=
ΔS4=
ΔS平=
(2)扭转角增量的计算
其中:
K为百分表的放大倍数(K=100格/mm);
b为百分表触头距轴线的距离(b=100mm)。
(3)横截面对圆心极惯性矩Ip的计算
(3)切变模量的计算(单位MPa)
八、实验作业
1.说明测定切变模量G的实验原理、步骤及注意事项;
2.根据实验过程中记录的原始数据,计算材料的切变模量G。