工程力学实验指导书.docx

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工程力学实验指导书

工程力学实验指导书

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姓名：

南昌大学工程力学实验中心

实验一金属材料的拉伸及弹性模量测定试验2

实验二金属材料的压缩试验6

实验三复合材料拉伸实验8

实验四金属扭转破坏实验、剪切弹性模量测定14

实验五电阻应变片的粘贴技术及测试桥路变换实验18

实验六弯曲正应力电测实验21

实验七叠（组）合梁弯曲的应力分析实验24

实验八弯扭组合变形的主应力测定27

实验九偏心拉伸实验31

实验十偏心压缩实验34

实验十一组合结构应力测试实验37

实验十二金属轴件的高低周拉、扭疲劳演示实验39

实验十三冲击实验42

实验十四压杆稳定实验46

实验十五组合压杆的稳定性分析实验49

实验十六光弹性实验52

实验十七单转子动力学实验58

实验十八单自由度系统固有频率和阻尼比实验63

实验一金属材料的拉伸及弹性模量测定试验

一、实验目的与要求

1．观察低碳钢和铸铁在拉伸试验中的各种现象。

2．测绘低碳钢和铸铁试件的载荷―变形曲线（F―Δl曲线）。

3．测定低碳钢的拉伸屈服点σs、抗拉强度σb、伸长率ψ、断面收缩率δ和铸铁的抗拉强度σb。

4．测定低碳钢的弹性模量E。

5．观察低碳钢在拉伸强化阶段的卸载规律及冷作硬化现象。

6．比较低碳钢（塑性材料）和铸铁（脆性材料）的拉伸力学性能。

二、实验设备和仪器

1．微机控制电子万能试验机。

2．电子式引伸计。

3．游标卡尺。

4．钢尺。

三、实验原理与方法

金属材料的屈服点σs、抗拉强度σb、伸长率ψ和断面收缩率δ是由拉伸试验测定的。

试验采用的圆截面短比例试样按国家标准（GB/T228-2002）制成，如图1-1所示。

这样可以避免因试样尺寸和形状的影响而产生的差异，便于各种材料的力学性能相互比较。

图中：

d0为试样直径，l0为试样的标距，并且短比例试样要求l0=5d0。

国家标准中还规定了其他形状截面的试样，可适用于从不同的型材和构件上制备试样。

图1-1

金属拉伸试验应遵照国家标准（GB/T228-2002）在微机控制电子万能试验机上进行，在实验过程中，与微机控制电子万能试验机联机的微型电子计算机的显示屏上实时绘出试样的拉伸曲线（也称为F―Δl曲线），如图1-2所示。

图1-2

低碳钢试样的拉伸曲线（图1-2a）分为四个阶段―弹性、屈服、强化、局部变形阶段。

如果在强化阶段卸载，F―Δl曲线会从卸载点开始向下绘出平行于初始加载弹性阶段直线的一条斜直线，表明它服从弹性规律。

如若重新加载，F―Δl曲线将沿此斜直线重新回到卸载点，并从卸载点接续原强化阶段曲线继续向前绘制。

此种经过冷拉伸使弹性阶段加长、弹性极限提高，塑性下降的现象，工程中称为冷作硬化现象。

铸铁试样的拉伸曲线（图1-2b）比较简单，既没有明显的直线段，也没有屈服阶段，变形很小时试样就突然断裂，断口与横截面重合，断口形貌粗糙。

抗拉强度σb较低，无明显塑性变形。

与电子万能试验机联机的微型电子计算机自动给出低碳钢试样的屈服载荷Fs。

、最大载荷Fb和铸铁试样的最大载荷Fb。

取下试样测量试样断后最小直径d1和断后标距l1，由下述公式

，

，

，

可计算低碳钢的拉伸屈服点σs、抗拉强度σb、伸长率δ，和断面收缩率ψ；铸铁的抗拉强度σb。

如若实验前将试样的初始直径d0，初始标距长度l0等数据输入微型计算机，微型计算机可绘出应力-应变（σ-ε）曲线，并在实验结束后给出该材料的屈服点σs和抗拉强度σb。

应当指出，上述所测定的力学性能均为名义值，工程应用较为方便，称为工程应力和工程应变。

由于试样受力后其直径和长度都随载荷变化而改变，真实应力和真实应变须用试样瞬时截面积和瞬时标距长度进行计算。

注意到试样在屈服前，其直径和标距变化很小，真应力和真应变与工程应力和工程应变差别不大。

试样屈服以后，其直径和标距都有较大的改变，此时的真应力和真应变与工程应力和工程应变会有较大的差别。

低碳钢的弹性模量E由以下公式计算：

式中ΔF为相等的加载等级，Δl为与ΔF相对应的变形增量。

四、实验步骤

1．分别测量两种试样的初始直径d0和初始标距长度l0：

在试样标距段的两端和中间三处测量试样直径，每处直径取两个相互垂直方向的平均值，做好记录。

三处直径的最小值取作试样的初始直径d0。

用扎规和钢板尺测量低碳钢试样的初始标距长度l0。

2．熟悉微机控制电子万能试验机的操作方法，运行测试应用程序POWERTEST3.0，并开启控制器电源。

3．在试验机上装夹低碳钢试样：

先用上夹头卡紧试样一端，然后提升试验机活动横梁，使试样下端缓慢插入下夹头的V形卡板中，锁紧下夹头。

4．在试样的试验段上安装引伸计，注意安装后须轻轻拔出引伸计定位销钉。

5．在微型电子计算机测试应用程序界面中执行以下操作：

1）设置实验条件，主要有试验形式（如拉伸）、载荷、变形量程、加载速度、试样编号、尺寸、材料等。

设置完毕，可自定义文件名并确定工作目录后存盘；

2）单击界面左侧“试验”按钮，开始实验；

3）当载荷―变形（F―Δl）曲线进入强化阶段后，单击界面左侧“上升”按钮，进行卸载。

当载荷卸至1kN左右时再单击界面左侧“下降”按钮，重新加载。

并注意观察低碳钢的卸载规律和冷作硬化现象。

6．继续实验，注意观察试样的变形情况和“颈缩”现象，试样断裂后立即单击应用程序界面左侧“结束实验”按钮。

7．插好引伸计销钉后拆卸引伸计。

然后取下试样，测量断后最小直径d1，断后标距长度l1。

8．测量铸铁试样的初始直径，并将之装卡在试验机的卡板中（与低碳钢试样测量、装夹方法相同）。

重复实验步骤4～5，进行铸铁试样拉伸实验。

9．在实验教师指导下读取实验数据，打印曲线。

10．经实验指导教师检查实验结果后，结束实验并整理实验现场。

五、实验注意事项

1．为避免损伤试验机的卡板与夹头，同时防止铸铁试样脆断飞出伤及操作者，应注意装卡试样时，横梁移动速度要慢，使试样下端缓慢插入下夹头的V形卡板中，不要顶撞卡板顶部；试样下端不要装卡过长，以免顶撞夹头内部装配卡板用的平台。

2．为保证实验顺利进行，试验时要读取正确的试验条件，严禁随意改动计算机的软件配置。

3、装夹、拆卸引伸计时，要注意插好定位销钉，实验时要注意拔出定位销钉，以免损坏引伸计。

六、思考题

1．根据低碳钢和铸铁的拉伸曲线比较两种材料的力学性质。

2．为什么加载速度要缓慢?

3．为什么拉伸试验必须采用标准试样或定标距试样?

4．什么是卸载规律和冷作硬化现象?

试举两例说明冷作硬化现象的工程应用。

实验二金属材料的压缩试验

一、实验目的与要求

1．测定低碳钢的压缩屈服点σs和铸铁的抗压强度σc。

2．观察铸铁试样的破坏断口，分析破坏原因。

3．分析比较两种材料拉伸和压缩性质的异同。

二、实验设备和仪器

1．微机控制电子万能试验机。

2．游标卡尺。

3．钢尺。

三、实验原理与方法

金属材料的压缩屈服点σs和抗压强度σb，由压缩试验测定。

按试验规范（GB7314-87）要求，压缩试样应制成短圆柱形（参看图2-1）。

图2-1图2-2

分析和实验均表明，压缩试验时，试样的上、下端面与试验机支承垫之间会产生很大的摩擦力（参看图2-2），这些摩擦力将阻碍试样上部和下部产生横向变形，致使测量得到的抗压强度偏高。

因而应采取措施（磨光或加润滑剂）减少上述摩擦力。

注意到试样的高度也会影响实验结果，当试样高度h0增加时，摩擦力对试样中段的影响减少，对测试结果影响较小。

此外，如若试样高度直径比（h0／d0）较大，极易发生压弯现象，抗压强度测量值也不会准确。

所以压缩试样的高度与直径的比值（h0／d0）一般规定为1≤h0／d0≤3。

此外，还须设法消除压缩载荷偏心的影响。

进行低碳钢压缩试验时，为测取材料的压缩屈服点σs，应缓慢加载，同时仔细观察F—Δl曲线的发展情况，曲线由直线变为曲线的拐点处所对应的载荷即为屈服载荷Fs。

材料屈服之后开始强化，由于压缩变形使试样的横截面积不断增大，尽管载荷不断增大，但是，直至将试样压成饼形也不会发生断裂破坏，如图2-3所示。

因此无法测量低碳钢的抗压强度Fb，压缩试验载荷—变形曲线如图2-3所示。

图2-3图2-4

铸铁压缩试验时，由压缩试验载荷—变形曲线（图2-4）可看出，随着载荷的增加，破坏前试样也会产生较大的变形，直至被压成“微鼓形”之后才发生断裂破坏，破坏的最大载荷即为断裂载荷。

破坏断口与试样加载轴线约成45º角（如图2-4）。

由于单向拉伸、压缩时的最大切应力作用面与最大正应力作用面约成45º角，因此，可知上述破坏是由最大切应力引起的。

仔细观察试样断口的表面，可以清晰地看到材料受剪切错动的痕迹。

四、实验步骤

1．测量试样尺寸：

用游标卡尺测量试样高度h0，测量试样两端及中部三处截面的直径，每处直径为相互垂直方向直径的平均值，取三处直径中的最小值为初始直径d0，并用其计算截面初始面积A0。

2．熟悉微机控制电子万能试验机的操作方法，运行测试应用软件POWETEST3.0并开启控制器电源。

3．把低碳钢试样放置在试验机球形支承座的中心位置上，试样上下一般都要放置坚硬平整的垫块，用以保护试验机压头及支承座，并可调整试验区间的高度，减少空行程。

4．在微型电子计算机测试应用程序界面中执行以下操作：

1）设置实验条件，主要有试验形式（如压缩）、载荷、变形量程、加载速度、试样编号、尺寸、材料等。

设置完毕，可自定义文件名并确定工作目录后存盘；

2）单击界面左侧“试验”按钮，开始实验；

3）注意观察载荷—变形（F-Δl）曲线，找出压缩屈服点，进入强化阶段后，观察试样变形，由于试样为塑性材料，试样压成饼形也不会发生断裂破坏，因此无法测量低碳钢的抗压强度，试样发生较明显变形后，可以卸载。

5．铸铁压缩试验的步骤与低碳钢压缩相同。

但因铸铁破坏是脆断，试样发生一定变后，会发生断裂破坏，为防止试样压断时可能有碎屑崩出，试验前应在试样周围加设有机玻璃防护罩。

铸铁压缩试验只能测得试样的断裂载荷Fb。

注意观察试样断裂后的变形和断口的表面形貌。

6．根据实验中测得数据，由式σs=Fs/A0计算低碳钢的压缩屈服点，由式σb=Fb/A0计算铸铁的抗压强度，其中A0为试样截面原始面积。

7．经实验指导教师检查实验结果后，结束实验并整理实验现场。

五、实验注意事项

1．为保证实验顺利进行，试验时要读取正确的试验条件，严禁随意改动计算机的软件配置。

2．铸铁压缩实验加载前要设置好试验机的有机玻璃防护罩，以免金属碎屑飞出发生危险。

六、思考题

1．比较铸铁的抗拉强度和抗压强度并分析脆性材料的力学性能特点。

2．为什么无法测取低碳钢的抗压强度?

3．由低碳钢和铸铁的拉伸、压缩试验结果，比较塑性材料与脆性材料的力学性质。

4．为什么铸铁试样压缩时沿着与加载轴线约成450的斜截面破坏?

实验三复合材料拉伸实验

一、实验目的

1．测定拉伸强度σb。

2．测定弹性模量E。

3．测定割线弹性模量Es。

4．测定破坏（或最大载荷）伸长率εt。

二、实验设备和仪器

1．微机控制电子万能实验机。

2．电阻应变仪。

三、实验试样

1．试样形状

试样形状如图3-1（a）、（b）、（c）所示。

图3-1

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