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《工程力学》实验指导书

工程力学实验指导书

力学与机械学研究所编

天津理工大学机械工程学院

2005.7

学生实验守则

1．学生应按照课程教学计划，准时上实验课，不得迟到早退。

2．实验前认真阅读实验指导书，明确实验目的、步骤、原理，预习有关的理论知识，并接受实验教师的提问和检查。

3．进入实验室必须遵守实验室的规章制度。

不得高声喧哗和打闹，不准抽烟、随地吐痰和乱丢杂物。

4．做实验时必须严格遵守仪器设备的操作规程，爱护仪器设备，节约使用材料，服从实验教师指导。

未经许可不得动用与本实验无关的仪器设备及其它物品。

5．实验中要细心观察，认真记录各种试验数据。

不准敷衍，不准抄袭别组数据，不得擅自离开操作岗位。

6．实验时必须注意安全，防止人身和设备事故的发生。

若出现事故，应立即切断电源，及时向指导教师报告，并保护现场，不得自行处理。

7．实验完毕，应主动清理实验现场。

经指导教师检查仪器设备、工具、材料和实验记录后方可离开。

8．实验后要认真完成实验报告，包括分析结果、处理数据、绘制曲线及图表。

在规定时间内交指导教师批改。

9．在实验过程中，由于不慎造成仪器设备、工具损坏者，应写出损坏情况报告，并接受检查，由领导根据情况进行处理。

10．凡违反操作规程，擅自动用与本实验无关的仪器设备、私自拆卸仪器而造成事故和损失的，肇事者必须写出书面检查，视情节轻重和认识程度，按章程预以赔偿。

引言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（4）

实验一金属拉伸实验．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（5）

实验二金属压缩实验．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（8）

实验三金属（园轴）扭转试验．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．（17）

引言

一、工程力学实验的重要性：

工程力学主要是研究工程实际问题中构件的强度、刚度和稳定性的学科。

一般来说，它是先进行实验，然后根据实验中的现象，作出一些假设并加以简化，最后再进行理论分析，得出公式和结论。

但所推导出的一般性公式是否正确，还要用实验验证。

所以，工程力学实验不仅是建立理论的基础，而且也是检验理论的重要方法，是材料力学中不可缺少的一个部分。

二、工程力学实验的内容：

1、测定材料的机械性能（即力学特性）

在构件设计中，要合理地选择材料，必须知道各种材料的机械性能的指标（如弹性模量、强度极限等），这些数据只有依靠实验（如拉伸、压缩实验等）才能得到。

2、验证已建立的理论

工程力学的一些理论是以假设为基础而导出的，例如杆件弯曲理论就以平面假设为基础。

用实验验证这些理论的正确性和适用范围，可进一步加深对理论的认识和理解。

至于对新建立的理论和公式，用实验来验证更是必不可少的。

3、应力分析实验

工程上很多实际构件的形状和工况比较复杂，构件内部的应力大小及分布情况，单纯依靠理论计算难以解决，这时可用实验方法进行测定，称为实验应力分析，主要方法有电测法、光测法等。

另外，按测试方法和所用仪器、设备的不同，可将材料力学实验分为机测、电测、光测等类型。

三、工程力学实验的要求：

工程力学实验所用的设备属于较大型设备，且仪器种类多，完成一次实验往往需要数人配合进行。

所以，实验中除各人充分发挥独立工作能力外，还要求相互协调配合，统一行动，不可各行其事，无组织地进行。

否则，不仅会导致实验失败，而且易发生事故。

实验一金属拉伸实验

（一）、实验目的

1、测定低碳钢的屈服极限s，强度极限b，延伸率和断面收缩率。

2、测定铸铁的强度极限b。

3、观察低碳钢在拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化和颈缩等现象），并绘制拉伸曲线图（P—L曲线）。

4、比较低碳钢（塑性材料）和铸铁（脆性材料）的机械性能，并分析断口形状。

（二）、设备及量具

液压式（或电子）万能试验机、游标卡尺等。

（三）、试件及实验原理

1、试件：

试验表明，试件的尺寸和形状对试验结果具有一定的影响，为了避免这种影响，便于各种材料力学性质的数据互相比较，所以对试件的尺寸和形状，国家标准（GB228--76）作了明确的规定（参看书中有关章节）

2、实验原理：

材料的机械性质（s、σb、δ、ψ是由拉伸破坏试验来确定的）。

试验时，利用试验机的自动绘图器可绘出如下图所示低碳钢拉伸图。

在拉伸试验过程中，记下与材料的s、b、、相应的载荷值和在试件断裂后量取的标距L1及最小截面面积A1，按下列计算公式计算这些值：

（四）、实验步骤

低碳钢试件

1、试件准备：

在试件两端，根据标距长度要求，打两个浅的冲眼，作为标距长度的标志，两标志之间的联线应平行于试件的轴线。

用游标卡尺在试件的标距长度范围内，测量两端及中间这三个截面的直径，测量时沿互相垂直的两个直径方向各测量一次，并取得其平均值。

用所测得的三个平均值中的最小值计算试件的横截面积A，计算A时取二位有效数字。

2、试验机准备：

熟悉万能试验机的操作规范。

根据低碳钢的b和A估计试件的最大载荷，然后相应配置摆锤和选用相应的示力盘。

并调整测力指针，对准零点。

拨动从动针使之与主动针靠拢，同时调整自动绘图装置。

3、安装试件：

先把试件安装在试验机的上夹头内，再移动下夹头到适当位置，把试件夹紧。

4、检查及调试

完成上述步骤后，开动机器，预加少量载荷，然后卸载接近零点，以检查试验机、自动绘图装置等工作情况是否正常。

5、进行试验

开动机器，用慢速加载，使试件缓慢而均匀地产生变形，继续增加载荷，当测力指针倒退或停止不动或来回摆动，以及自动绘图装置所绘的曲线出现水平或锯齿形曲线时，说明试件已发生屈服，记录下测力指针退回到最低位置时的屈服载荷Ps。

过屈服阶段后，即可用较大的速度加载，直到试件断裂为止，停机并记录从动针指出的最大载荷Pb。

试验过程中，应注意观察测力指针的转动，自动绘图的情况和相应的试验现象。

6、试验结果

取下试件，将断裂试件的两段对接在一起，用游标卡尺测量拉断后两冲眼之间的长度L1，并测量断口（颈缩处）的直径d1，在断口处沿两个互相垂直方向各测量d1一次，计算其平均值。

从自动绘图仪上取下拉伸曲线（P—L）图纸。

7、若断口不在标距长度中部三分之一区段内，需采用断口移中的办法（即借计算法将断口移至中间），以计算试件拉断后的标距长度l1。

采用断口移中法时，试验前要将试件标距等分为十个格。

试验后将拉断的试件断口对紧，见图。

以断口O为起点，在长段上取基本等于短段的格数得B点。

当长段所余格数为偶数时（图a），然后量取长段所余格数的一半得出C点，将BC段长度移到试件左端，则移位后的l1，在长段上取基本等于短段格数得B点后，若长段所余格数为奇数时（图b），可在长段上量取所余格数减1之半得C点，再量取所余格数加1之半得C1点，则移位后的l1，为

l1=AB+BC+BC1

为什么要将断口移中呢?

这是因为断口靠近试件两端时，在断裂试件的较短一段上，必将受到试件头部较粗部分的影响，而降低颈缩部分的局部伸长量，从而使延伸率的数值偏小，用断口移中的办法可在一定程度上弥补上述偏差。

当断口非常靠近试件两端，而其与头部的距离等于或小于直径do的两倍时，试验结果无效，必须重作。

铸铁试件

铸铁试件试验步骤与低碳钢试件相似。

只要量出试件截面尺寸后，将试件安装在试验机上，逐渐加载。

使试件断裂。

记下最大载荷Pb即可算出b。

（五）、注意事项

1、试验前，务必明确这次试验的目的、原理和要求，熟悉操作步骤及有关注意事项。

2、要分清材料，不要将低碳钢与铸铁试件混淆。

3、试件要正确安装，防止偏斜或夹入部分过短。

4、试验时，不要漏掉所需用的实验数据。

（六）、问题讨论

1、为什么要用低碳钢、铸铁为拉伸材料?

2、为什么在拉伸试验中，必须采用标准试件或比例试件?

3、由实验现象和结果比较低碳钢和铸铁的力学性能有何不同。

4、由拉伸试验所确定的力学性能数值有何实用价值?

5、低碳钢屈服时的现象是怎样的?

对于没有显著屈服现象的塑性材料，又如何来确定其屈服点?

实验二金属压缩试验

（一）、实验目的

1、确定压缩时低碳钢的屈服极限s和铸铁的强度极限b。

2、观察低碳钢和铸铁压缩时的变形和破坏现象，并进行比较。

（二）、设备及量具

液压式（或电子）万能试验机、游标卡尺等。

（三）、试件及实验原理

1、试件：

压缩试件的形状（试件长度与横截面面积的比值）对试验结果有很大影响，所以低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试件一般制成园柱并且规定为1≤h／d≤3，见图一所示。

2、实验原理：

为了尽量使试件承受轴向压力，试件两端必须完全平等，并且试件轴线保持垂直，试验机一般均附有球形垫块，见图二所示，可以自动调节，使载荷（压力）通过试件轴线。

低碳钢试件受压时，开始与拉伸试验相似，但到了屈服阶段后，就没有象拉伸那样明显。

因此，在压缩试验中测定Ps时要特别小心观察，并且借助于绘图器上绘出的压缩图来判断Ps到达的时刻，低碳钢试件最后可压成饼状而不破裂，所以无法求出最大载荷及其强度极限。

铸铁试件受压时，在很小变形下即可突然破裂，此时测力指针迅速倒退，由随动指针可读出最大载荷Pb值。

试验时，利用自动绘图器绘出的低碳钢压缩图和铸铁压缩图如下图所示。

（四）、实验步骤

1、试验准备

用游标卡尺测量试件两端及中部三处截面的直径，取三处中最小的平均直径来计算截面积。

根据碳钢的屈服极限s，估算屈服载荷的大小。

2．试验机准备

估计试验所需的最大载荷。

选择合适的测力度盘，装好自动绘图装置，调整测力表指针指零。

3．安装试件

将试件两端面涂以润滑剂，然后准确地放在试验机球形垫块的中心处，以免发生偏心。

4．进行试验

缓慢加载，注意观察测力指针的转动情况和绘图纸上的压缩图，以便及时而正确地测定屈服载荷，并记下来。

超过屈服阶段后，继续加载，最后将试件压成鼓形。

停止加载，并卸载。

铸铁压到破坏为止，卸载后，记下极限载荷Pb数值（从动针所指示的读数为Pb值）停止试验

（五）、注意事项

1．当试件与上压头将要接触时，特别注意减小油阀门，使其慢慢接触，以免发生撞击现象。

2．铸铁受压时，当测力表盘指针开始后退，表示试件已被压坏，即应停止加载。

否则试验机由于试件将压碎而受到撞击：

。

3．低碳钢试件压缩时，注意加载不要超过测力表盘范围。

4．压缩时，应在试件周围加上防护罩，以防止试件碎裂飞出伤人。

（六）、问题讨论

1．为什么基础件均采用铸铁件?

2．铸铁件压缩加载时，是什么力引起的破坏?

实验四金属（圆轴）扭转实验

（一）、实验目的

1．测定低碳钢的剪切屈服极限s和剪切强度极限b。

2．测定铸铁的剪切强度极限b。

3．比较研究低碳钢及铸铁扭转时的破坏情况及其抗扭时的力学性能。

（二）、设备及量具

扭转试验机、游标卡尺等。

（三）、试件及实验原理

1、试件：

按照冶金部颁发的标准YB36—64制造，该标准规定，扭转试件采用圆形剖面，标距L=100毫米，标距部分的直径d=10毫米。

也可以用短试件，标距L=50毫米。

我们采用短试件。

2、实验原理：

（1）．求低碳的剪切弹性模量

从理论知道，圆轴扭转时，如果最大剪应力没有超过材料的剪切比例极限b则扭矩T和扭角存在下列关系（称为扭转虎克定律）：

=TL/GIP

假如试件受到一定的扭矩增量T后，在长度L内量出相对扭转角中，则可根据上式，求出剪切弹性模量G。

式中T为扭矩，Ip为园截面的极惯性矩。

如果增加同样大小的扭矩T，扭转角的增量基本相等，这就验证了剪切虎克定律。

（2）．比较研究低碳钢及铸铁试件扭转时的破坏情况及其力学性能。

从理论知道，园轴扭转时，表面上任一点处在纯剪切应力状态下（如图1）其主应力的大小为

其方向为与杆轴成±45角的螺旋面上由于各种材料低抗剪切和拉伸的能力不同，故不同材料有各种不同的破坏形式。

（四）、实验步骤

A、低碳钢试件

（1）量取试件的直径，测量方法要求与拉伸相同，在试件上沿轴线方向用粉笔作一直线标记，以便观察扭转时的变形情况。

（2）根据材料和试件尺寸，选择适当的量程，调整零点，将试件夹人扭转试验机的夹头内，缓慢均匀地施加扭矩，当度盘上指针停止不动或动得很慢时，即表示材料到达屈服极限，记下相应扭矩Ts，（Ts应为指针倒退到最低位置时的数值）。

（3）在试件应力到达屈服极限以后，可以加快加载速度，使试件扭转断裂，记下此时的最大扭矩Tb。

（4）关闭试验机的电门，取下试件，观察破坏情况并计算Ts和Tb值。

B、铸铁试件

进行方法与碳钢试件相同，但只要读出最大扭矩Tb由此计算强度极限Tb。

（五）、强度计算

当低碳钢试件横截面处于全面屈服阶段以后，半径上各点剪应力分布基本趋于均匀化（图2）。

而由度盘明显读出屈服扭矩Ts时，则可认为试件已发生全面屈服（图3）

此时，Ts与s关系为。

同理

对于铸铁试件，实验表明没有明显的塑性变形，其T—T关系虽不呈线性，但可近似地当作直线关系（图4），因此铸铁剪切强度极限可近似地按下式计算：

以上各式中

是试件的抗扭截面模量。

（六）、注意事项

1、钢圈的伸臂应尽量水平，百分表必须旋紧在夹具内，以免碰动或跌落。

2、砝码加载时不能有冲击，必须轻加轻卸，扭转测G仪试件的最大应力不得超过材料的比例极限。

3、做扭转破坏试验时，试件一定要夹紧，以免打滑。

（七）、问题讨论

1、观察扭转实验过程，分析不同材料在扭转实验时的力学性能?

2、观察试件破坏时断口形状，并分析不同材料的试件是什么力引起破坏的?

实验报告

学院（系）名称：

姓名

学号

专业

班级

实验项目

课程名称

课程代码

实验时间

实验地点

批改意见

成绩

教师签字：

实验内容

金属的轴向拉伸和压缩

一、实验目的：

二、实验设备：

三、实验原理：

四、实验数据记录及处理：

（一）低碳钢试件（拉伸）

1、试件尺寸记录

试件标距

Lo（mm）

试件直径d（mm）

横截面Ⅰ

横截面Ⅱ

Ⅲ

（1）

（2）

平均

（1）

（2）

平均

（1）

（2）

平均

2、载荷记录

屈服载荷Ps（KN）

最大载荷Ps（KN）

3、测δ、Φ记录

试件标距

L1（mm）

断口处直径d1（mm）

断口处最小横截面积

A1（mm2）

（1）

（2）

平均

（二）铸铁试件（拉伸）

1.试件尺寸记录

试件直径d（mm）

最小横截面面积

Ao（mm2）

横截面Ⅰ

横截面Ⅱ

Ⅲ

（1）

（2）

平均

（1）

（2）

平均

（1）

（2）

平均

2、载荷记录最大载荷Pb=（KN）

（三）金属压缩记录

材料

试件尺寸

载荷

（KN）

抗压强度（MPa）

直径d

高度h

面积A0

Va

Vb

低碳钢

铸铁

五、实验结果：

1、拉伸图：

2、压缩图：

2、计算结果：

八、讨论：

实验报告

学院（系）名称：

姓名

学号

专业

班级

实验项目

课程名称

课程代码

实验时间

实验地点

批改意见

成绩

教师签字：

实验内容

（金属）园轴扭转试验

一、实验目的：

二、实验设备：

三、实验原理：

四、实验数据记录及处理：

（一）低碳钢

1、试件尺寸

直径d（mm）

量小直径

d0（mm）

试件一端

试件中部

试件另端

（1）

（2）

平均

（1）

（2）

平均

（1）

（2）

平均

2、测MS、Mb记录

流动扭矩MS

最大扭矩Mb

（二）铸铁

1、试件尺寸

直径d（mm）

量小直径

d0（mm）

试件一端

试件中部

试件另端

（1）

（2）

平均

（1）

（2）

平均

（1）

（2）

平均

2、测Mb记录

极限扭矩=（kgm）

五、实验结果：

1、实验结果

扭矩扭角图

低碳钢铸铁

2、计算结果

（1）低碳钢

抗扭截面模量W=πd3/16=

扭转（剪切）流动极限Ts=M/W=

扭转（剪切）强度极限Tb=Mb/W=

（2）铸铁

W=

Tb=

六、讨论：