工力实验实验报告DOC.docx
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工力实验实验报告DOC
实验一金属材料拉伸实验
拉伸实验是测定材料在常温静载下机械性能的最基本和重要的实验之一。
这不仅因为拉伸实验简便易行，便于分析，且测试技术较为成熟。
更重要的是，工程设计中所选用的材料的强度、塑形和弹性模量等机械指标，大多数是以拉伸实验为主要依据。
1.1实验目的
1、验证胡可定律，测定低碳钢的E。
2、测定低碳钢拉伸时的强度性能指标：
屈服应力Rel和抗拉强度Rm。
3、测定低碳钢拉伸时的塑性性能指标：
伸长率A和断面收缩率Z
4、测定灰铸铁拉伸时的强度性能指标：
抗拉强度Rm
5、绘制低碳钢和灰铸铁拉伸图，比较低碳钢与灰铸铁在拉伸树的力学性能和破坏形式。
1.2实验设备和仪器
万能试验机、游标卡尺，引伸仪
1.3实验试样
本试验采用经机加工的直径d=10mm的圆形截面比例试样，其是根据国家试验规范的规定进行加工的。
它有夹持、过渡和平行三部分组成（见图2－1），它的夹持部分稍大，其形状和尺寸应根据试样大小、材料特性、试验目的以及试验机夹具的形状和结构设计，但必须保证轴向的拉伸力。
其夹持部分的长度至少应为楔形夹具长度的3/4（试验机配有各种夹头，对于圆形试样一般采用楔形夹板夹头，夹板表面制成凸纹，以便夹牢试样）。
机加工带头试样的过渡部分是圆角，与平行部分光滑连接，以保证试样破坏时断口在平行部分。
平行部分的长度Lc按现行国家标准中的规定取Lo+d，Lo是试样中部测量变形的长度，称为原始标距。
1.4实验原理
按我国目前执行的国家GB/T228—2002标准——《金属材料室温拉伸试验方法》的规定，在室温10℃～35℃的范围内进行试验。
将试样安装在试验机的夹头中，固定引伸仪，然后开动试验机，使试样受到缓慢增加的拉力（应根据材料性能和试验目的确定拉伸速度），直到拉断为止，并利用试验机的自动绘图装置绘出材料的拉伸图（图2－2所示）。
应当指出，试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形ΔL主要是整个试样（不只是标距部分）的伸长，还包括机器的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素。
由于试样开始受力时，头部在夹头内的滑动较大，故绘出的拉伸图最初一段是曲线。
1.4.1低碳钢（典型的塑性材料）
当拉力较小时，试样伸长量与力成正比增加，保持直线关系，拉力超过FP后拉伸曲线将由直变曲。
保持直线关系的最大拉力就是材料比例极限的力值FP。
在FP的上方附近有一点是Fc，若拉力小于Fc而卸载时，卸载后试样立刻恢复原状，若拉力大于Fc后再卸载，则试件只能部分恢复，保留的残余变形即为塑性变形，因而Fc是代表材料弹性极限的力值。
当拉力增加到一定程度时，试验机的示力指针（主动针）开始摆动或停止不动，拉伸图上出现锯齿状或平台，这说明此时试样所受的拉力几乎不变但变形却在继续，这种现象称为材料的屈服。
低碳钢的屈服阶段常呈锯齿状，其上屈服点B′受变形速度及试样形式等因素的影响较大，而下屈服点B则比较稳定（因此工程上常以其下屈服点B所对应的力值FeL作为材料屈服时的力值）。
确定屈服力值时，必须注意观察读数表盘上测力指针的转动情况，读取测力度盘指针首次回转前指示的最大力FeH（上屈服荷载）和不计初瞬时效应时屈服阶段中的最小力FeL（下屈服荷载）或首次停止转动指示的恒定力FeL（下屈服荷载），将其分别除以试样的原始横截面积（S0）便可得到上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。
即
ReH=FeH/S0ReL=FeL/S0
屈服阶段过后，虽然变形仍继续增大，但力值也随之增加，拉伸曲线又继续上升，这说明材料又恢复了抵抗变形的能力，这种现象称为材料的强化。
在强化阶段内，试样的变形主要是塑性变形，比弹性阶段内试样的变形大得多，在达到最大力Fm之前，试样标距范围内的变形是均匀的，拉伸曲线是一段平缓上升的曲线，这时可明显地看到整个试样的横向尺寸在缩小。
此最大力Fm为材料的抗拉强度力值，由公式Rm=Fm/S0即可得到材料的抗拉强度Rm。
如果在材料的强化阶段内卸载后再加载，直到试样拉断，则所得到的曲线如图2－3所示。
卸载时曲线并不沿原拉伸曲线卸回，而是沿近乎平行于弹性阶段的直线卸回，这说明卸载前试样中除了有塑性变形外，还有一部分弹性变形；卸载后再继续加载，曲线几乎沿卸载路径变化，然后继续强化变形，就像没有卸载一样，这种现象称为材料的冷作硬化。
显然，冷作硬化提高了材料的比例极限和屈服极限，但材料的塑性却相应降低。
当荷载达到最大力Fm后，示力指针由最大力Fm缓慢回转时，试样上某一部位开始产生局部伸长和颈缩，在颈缩发生部位，横截面面积急剧缩小，继续拉伸所需的力也迅速减小，拉伸曲线开始下降，直至试样断裂。
此时通过测量试样断裂后的标距长度Lu和断口处最小直径du，计算断后最小截面积（Su），由计算公式
、
即可得到试样的断后伸长率A和断面收缩率Z。
1.4.2铸铁（典型的脆性材料）
脆性材料是指断后伸长率A＜5％的材料，其从开始承受拉力直至试样被拉断，变形都很小。
而且，大多数脆性材料在拉伸时的应力－应变曲线上都没有明显的直线段，几乎没有塑性变形，也不会出现屈服和颈缩等现象（如图2－2b所示），只有断裂时的应力值——强度极限。
铸铁试样在承受拉力、变形极小时，就达到最大力Fm而突然发生断裂，其抗拉强度也远小于低碳钢的抗拉强度。
同样，由公式Rm=Fm/S0即可得到其抗拉强度Rm，而由公式
则可求得其断后伸长率A。
1.5进行实验
1.5.1低碳钢拉伸实验
本小组在万能试验机上进行了低碳钢的拉伸实验，得到了如下图所示的拉力图
由图中我们可以看出实验结果与实验原理吻合的相当好，有明显的弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。
其次，在强化过程中，有一条向下的竖线，那时我们在卸去载荷后所得到的曲线，验证了材料的冷作硬化。
图2-5是低碳钢拉断后的断口形状我们可以清楚的看到断口的形状呈现杯锥状
若是单纯的用最大拉应力强度理论来分析，则断口的形状应该比较平整：
若是用最大剪应力来分析，则形状该是呈现45︒斜面。
这两种原理都不符合实验的结果。
通过课后查阅资料得知，材料的破坏是多种因素共同作用的结果，可能是剪断也可能是拉断，这主要取决于破坏的方式和应力状态分布。
一般认为，像我们实验用的材料和拉伸方式，最终试样的中心区域不是发生剪断而是脆性拉断，最外面的部分才沿具有最大剪应力的45︒斜面上剪断，形成杯锥状的断口。
重要的实验结果：
屈服极限Rel（N/mm^2）
强度极限Rm（N/mm^2）
弹性模量E（N/mm^2）
断面收缩率Z
断后延伸率A
最大拉力Fm（kN）
256
430
2.06
21%
51%
33.739
1.5.2、灰铸铁的拉伸实验
在完成低碳钢的拉伸实验后我们又进行了灰铸铁的拉伸实验，绘制的拉力图:
同样的，这条实验曲线与理论曲线吻合的很好，证明这次试验很成功。
灰铸铁的断口形状比较平整，原因是灰铸铁是脆性材料，在应力不太大的情况下就被拉断。
1.6小结与讨论
1、我们将低碳钢和灰铸铁拉断后的试样放在一起比较如图2-7所示，可以很清楚的看到上述的结论——低碳钢的断口是杯锥状而灰铸铁的比较平整。
同时我们也会发现灰铸铁的断口在过度部分和工作部分相交处，因为那里有截面的变化，应力集中，对于脆性材料来说，它对应力集中比较敏感。
2、低碳钢和灰铸铁在常温静载下力学性能的差异：
低碳钢是典型的塑性材料，在断裂前变形较大，塑性指标较高，抵抗拉断的能力较好，其常用的强度指标是屈服极限，而且，一般来说，在拉伸和压缩时的屈服极限值相同。
灰铸铁是脆性材料，在断裂前的变形较小，塑性指标较低，其强度指标是强度极限，而且其拉伸强度远低于压缩强度。
但是材料是塑性的还是脆性的，将随材料所处的温度，应变率和应力状态等条件的变化而不同。
实验二金属材料的压缩实验
2.1实验目的
（1）测定低碳钢压缩时的屈服应力Rec。
（2）测定灰铸铁压缩时的抗压强度Rbc。
（3）观察、比较低碳钢与灰铸铁在压缩时的变形特点和破坏形式。
2.2实验设备和仪器
（1）万能实验机
（2）游标卡尺。
2.3实验试样
按照国家标准GB7314-2002《金属压缩实验方法》，金属压缩试样的形状随着产品的品种、规格以及实验目的的不同而分为圆柱试样、正方形柱体试样和样板试样三种。
2.4实验原理与方法
1）测定低碳钢在压缩过程中的强度性能指标
低碳钢在压缩过程中，当应力小于屈服应力时，其变形情况与拉伸时基本相同。
当达到屈服应力后，试样产生塑性变形，随着压力的继续增加，试样的横截面积面积不断变大直至被压扁。
故只能测其屈服载荷Fec，进而计算出屈服应力Rec。
2）测定灰铸铁压缩时的强度性能指标
灰铸铁在压缩过程中，当试样的变形很小时即发生破坏，故只能测其破坏时的最大载荷Fbc，即可得到抗压强度Rbc。
1.实验步骤
（1）检查试样两端面的光洁度和平行度，并涂上润滑油。
用游标卡尺测量并记录试样的原始尺寸。
（2）检查上下承垫是否符合平整的要求。
（3）快速移动实验机横梁，将上下压头调整至合适位置。
（4）将试样放进万能试验机的上下承垫之间，并检查对中情况。
（5）设置实验数据。
（6）开始实验均匀缓慢加载，注意读取低碳钢的屈服载荷Fec和灰铸铁的最大载荷Fbc，并注意观察试样的变形现象。
2.实验结果
低碳钢：
屈服载荷Fs=22.73kN
屈服极限Rec=289MPa
铸铁：
极限载荷Fm=56.52kN
强度极限Rbc=719MPa
实验三金属材料的扭转实验
1.实验目的
（1）测定低碳钢扭转时的强度性能指标：
剪切屈服极限和剪切强度极限。
（2）测定灰铸铁扭转时的强度性能指标：
剪切强度极限。
（3）绘制低碳钢和灰铸铁的扭转图，比较低碳钢和灰铸铁的扭转破坏形式。
（4）了解电子式扭转试验机的构造、原理和操作方法。
2.实验设备和仪器
（1）扭转实验及
（2）游标卡尺
3.实验试样
按照国家标准GB10128-2007《金属室温扭转实验方法》，金属扭转试样的形状随着产品的品种、规格以及实验目的不同而分为圆形截面试样和管形截面试样两种。
其中最常用的是圆形截面试样，本实验中就是圆形截面试样，试样形状建下图：
4.实验原理与方法
1）扭转力学性能实验
试样在外力偶矩的作用下，其上任意一点处于纯剪切应力状态。
随着外力偶矩的增加，力矩与扭转角成线性关系，直至力矩的示数值出现一个维持的平台，这时所指示的外力偶矩的数值即为屈服扭矩，按弹性扭转公式计算的剪切屈服应力为
（6.2）
式中：
为试样在标距内的抗扭截面系数。
在测出屈服扭矩后，可加快试验机加载速度，直到试样被扭断为止。
试验机记录下最大扭矩，剪切强度极限为
（6.3）
如上所述，名义剪切应力等，是按弹性公式计算的，它是假设试样横截面上的剪应力为线性分布，外表最大，形心为零，这在线弹性阶段是对的。
2）测定灰铸铁扭转时的强度性能指标
对于灰铸铁试样，只需测出其承受的最大外力偶矩，抗扭强度为
（6.7）
低碳钢试样的端口与轴线垂直，表明破坏是由切应力引起的；而灰铸铁试样的断口则沿螺旋线方向与轴线约成45，表明破坏是由拉应力引起的。
5.实验步骤
（1）测量试样的直径（方法与拉伸试验相同）。
（2）将试样安装到扭转试验机上，运行应用软件，预置实验条件、参数。
（3）开始“实验”按钮，匀速缓慢加载，跟踪观察试样的屈服现象和实时曲线，待屈服过程之后，提高实验机的加载速度，直至试样被扭断为止。
（4）取下拉断后的试样，进行实验数据和曲线及实验报告处理。
（5）测定灰铸铁扭转时的强度性能指标步骤与低碳钢扭转基本一致，但只需测量扭转值。
6.进行实验
上图为试验时试样的扭转形变图。
7.实验数据的记录与计算
将实验数据与计算结果填入表7.1中。
表7.1测定低碳钢和灰铸铁的冲击性能指标实验的数据的记录与计算
从数据中可以看出灰铸铁没有剪切强度极限，只有屈服极限，是脆性材料，低碳钢既有屈服极限，又有剪切强度极限，是塑性材料。
实验四纯弯梁的弯曲应力测定
弯曲是该工程中常见的一种基本变形。
如火车轴、桥式起重机的大梁等都是弯曲变形的杆件。
应变电测发是工程中用于测量构建在静、动态载荷下所产生应变量的一种重要测试方法。
本实验用电测法测量纯弯曲梁上正应力的分布规律及大小。
4.1实验目的
1、掌握电测法的测试原理，学习运用电阻应变仪测量应变的方法。
2、测定梁纯弯曲时的正应力分布，并与理论计算结果进行比较，以验证弯曲正应力公式。
4.2设备及仪器
1、钢卷尺、游标卡尺一把
2、静态电阻应变仪
3、纯弯曲梁实验装置
（纯弯矩实验装置如右图所示）
4.3实验原理
已知梁受纯弯曲时的正应力公式为
式中
为纯弯曲梁横截面上的弯矩，
为横截面对中性轴Z的惯性矩，y为横截面中性轴到欲测点的距离。
图4.1纯弯矩实验装置
由上式可以计算出横截面上各点正应力的理论值。
可以看到，沿横截面高度各点处的正应力是按直线规律变化的。
为了验证理论公示的正确性，在梁承受弯曲段的侧面上，沿不同高度粘贴上电阻片，如图3-1所示。
用电阻应变仪测出各点的应变值
，根据胡克定律求出各点的应力实验值
，即
=E·
图4.2纯弯曲梁贴片位置示意图
实验时，采用增量法，每增加等量的载荷
，测定各点相应的应变增量，取应变增量的平均值
，则各点的应力实验值为
用增量法计算相应的应力理论值为
式中
将实验测得的应力值
与理论应力值
加以比较，从而验证弯曲正应力公式的正确性。
4.4实验方法和步骤
1、使用设备：
电阻应变仪型号YE2538A;电阻应变片电阻值R=120Ω；灵敏系数K=2.17;弹性模量E=210GPa
2、试件尺寸及贴片位置
3、调整应变仪和桥路连接
4、调节应变仪的零点
5、缓慢加载，每次增加1.0kN，测定相应点的应变值，
6、卸去载荷，应变仪、力传感器显示屏复位。
实验结束
附表：
表4.1贴片位置表：
试件尺寸/m
贴片位置/m
b0.02
6
（仪器故障，未测）
h0.04
4
-0.015
a0.15
2
-0.010
L0.65
1
0
=
3
0.010
5
0.015
7
0.020
表4.2应变数据记录：
1（με）
2（με）
3（με）
4（με）
5（με）
7（με）
0.5KN
0
0
0
0
0
0
1.5KN
0
-33
32
-49
47
64
2.5KN
0
-66
63
-99
95
128
3.5KN
0
-98
95
-147
143
192
载荷增量
=1.0KN
=0.075KN·m
表4.3计算结果及误差：
测点
1
2
3
4
5
7
实验值（
）
0
-6.86
6.65
-10.29
10.01
13.44
理论值（
）
0
-7.01
7.01
-10.51
10.51
14.02
误差﹪
0
2.14
5.14
2.09
4.76
4.14
进过上述步骤的实验后，得到了5组原始数据（见附录），进过数据处理，得到以下结果
图4.3计算结果绘图
结果分析：
由上表可以看出存在比较大的误差，进过分析，可能的产生原因有：
1）实验仪器本身的精度不高；
2）由于实验器材比较陈旧，材料表面生锈也可能会有影响因素；
3）操作环境不稳定的问题，当桌子、线路的轻微抖动时仪器数据也会变化。
实验五弯扭组合变形应变测定
5.1实验目的
1．用电测法测定平面应力状态下主应力的大小及方向；
2．测定薄壁圆管在弯扭组合变形作用下，分别由弯矩、剪力和扭矩所引起的应力。
5.2实验仪器和设备
1．弯扭组合实验装置；
2．YJ-4501A/SZ静态数字电阻应变仪。
5.3实验原理
图5.1弯扭组合实验装置
薄壁圆管受力简图如图1所示。
薄壁圆管在P力作用下产生弯扭组合变形。
薄壁圆管材料为铝合金，其弹性模量
泊松比μ为0.33。
薄壁圆管截面尺寸、如图2所示。
由材料力学分析可知，该截面上的内力有弯矩、剪
图5.4各点贴片示意图
图5.3各点应力状态
图5.2受力简图
力和扭矩。
Ⅰ-Ⅰ截面现有A、B、C、D四个测点，其应力状态如图3所示。
每点
5.4实验内容及方法
1.指定点的主应力大小和方向的测定
薄壁圆管A、B、C、D四个测点，其表面都处于平面应力状态，用应变花测出三个方向的线应变，然后运用应变-应力换算关系求出主应力的大小和方向。
若测得应变ε-45、ε0、ε45，则主应力大小的计算公式为
主应力方向计算公式为
2.弯矩、剪力、扭矩所分别引起的应力的测定
a.弯矩M引起的正应力的测定
只需用B、D两测点00方向的应变片组成图5（a）所示半桥线路，就可测得弯矩M引的正应变
然后由虎克定律可求得弯矩M引起的正应力
图5.5组桥示意图
b.扭矩Mn引起的剪应力的测定
用A、C两被测点-450、450方向的应变片组成图5（b）所示全桥线路，可测得扭矩Mn在450方向所引起的线应变
由广义虎克定律可求得剪力Mn引起的剪应力
c.剪力Q引起的剪应力的测定
用A、C两被测点-450、450方向的应变片组成图5（c）所示全桥线路，可测得剪力Q在450方向所引起的线应变
由广义虎克定律可求得剪力Q引起的剪应力
5.5进行试验
1.接通测力仪电源，将测力仪开关置开。
2.将薄壁圆管上A、B、C、D各点的应变片按单臂（多点）半桥测量接线方法接至应变仪测量通道上。
3.预加0.05kN初始载荷，将应变仪各测量通道置零；分级加载，每级0.1kN，加至0.45kN，记录各级载荷作用下应变片的读数应变，然后卸去载荷。
4.按图5各种组桥方式，从复实验步骤3，分别完成弯矩、扭矩、剪力所引起应变的测定。
通过上述实验步骤得到了一系列数据：
应变读数
载荷
A
B
-450（R1）
00（R2）
450（R3）
-450（R4）
00（R5）
450（R6）
F（kN）
∆F（kN）
ε
（με）
∆ε
（με）
ε
（με）
∆ε
（με）
ε
（με）
∆ε
（με）
ε
（με）
∆ε
（με）
ε
（με）
∆ε
（με）
ε
（με）
∆ε
（με）
0.5
0
0
0
0
0
0
0.10
108
138
-10
77
4
-65
0.15
108
138
-10
77
4
-65
0.10
109
137
-12
78
3
-67
0.25
217
275
-22
152
7
-132
0.10
107
137
-15
75
0
-69
0.35
324
412
-37
227
7
-201
0.10
107
137
-14
74
2
-69
0.45
431
549
-51
301
9
-270
（με）
107.75
137.25
-12.75
75.25
2.25
-67.50
据此计算出各点主应力大小：
位置
主应力
A
B
σ1（MPa）
9.51
4.18
σ3（MPa）
-0.66
-3.37
实验六：
简支梁各阶固有频率的测定
6.1实验目的：
了解激振器、加速度传感器、电荷放大器的工作原理，掌握上述设备的使用方法，掌握简谐振动振幅与频率最简单直观的测量方法，对机械振动有一定的感性认识，形成机械振动的工程概念。
6.2实验装置与仪器：
机械振动综合实验装臵（安装双简支梁）、激振器及功率放大器、加速度传感器、电荷放大器、数据采集仪、信号分析软件
6.3实验原理：
机械在运动时，由于旋转件的不平衡、负载的不均匀、结构刚度的各向异性、间隙、润滑不良、支撑松动等因素，总是伴随着各种振动。
机械振动在大多数情况下是有害的，振动往往会降低机器性能，破坏其正常工作，缩短使用寿命，甚至导致事故。
机械振动还伴随着同频率的噪声，恶化环境，危害健康。
另一方面，振动也被利用来完成有益的工作，如运输、夯实、清洗、粉碎、脱水等。
这时必须正确选择振动参数，充分发挥振动机械的性能。
振动的幅值、频率和相位是振动的三个基本参数，称为振动三要素。
幅值是振动强度的标志，它可以用峰值、有效值、平均值等不同的方法表示。
不同的频率成分反映系统内不同的振源，通过频谱分析可以确定主要频率成分及其幅值大小，从而寻找振源，采取相应的措施。
振动信号的相位信息十分重要，如利用相位关系确定共振点、测量振型、旋转件动平衡、有源振动控制、降噪等。
对于复杂振动的波形分析，各谐波的相位关系是不可缺少的。
简谐振动是单一频率的振动形式，各种周期运动都可以用不同频率的简谐运动的组合来表示。
简谐振动的运动规律可用位移函数y（t）描述，A为位移的幅值，φ为初始相位角，r；ω为振动角频率，ω＝2π/T＝2πf；其中T为振动周期，s；f为振动频率，Hz。
对应于该简谐振动的速度v和加速度a分别为：
速度的最大值比位移的最大值超前90°，加速度的最大值要比位移最大值超前180°。
在位移、速度和加速度三个参量中，测出其中之一即可利用积分或微分求出另两个参量。
在振动测量时，应合理选择测量参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对机械振动的敏感程度在很大频率范围内是由速度决定的。
速度又与能量和功率有关，并决定动量的大小。
6.4实验步骤为：
1．将激振器通过顶杆连接到简支梁上（注意确保顶杆与激振器的中心在一直线上），激振点位于双简支梁中心偏左50mm处（已有安装螺孔）将信号发生器输出端连接到功率放大器的输入端，并将功率放大器与激振器连接。
2．将加速器传感器粘贴在双简支梁上（中心偏右50mm）并与电荷放大器连接，将电荷放大器输出端分别与数据采集输出端连接。
3．将信号发生器和功率放大器的幅值旋钮调至最小，打开所有仪器电源。
设臵信号发生器在某一频率（可以为20Hz），调节信号发生器的幅值旋钮使其输出电压为2V。
调节功率放大器的幅值旋钮，逐渐增大使其输出功率直至从数据采集软件的显示窗口能观察到光滑的正弦波，若功率放大器输出功率已较大仍得不到光滑的正弦波，应改变信号发生器的频率。
当数据采集软件的显示窗口能观察到光滑的正弦波后，功率放大器的值将保持不变。
4．用数据采集软件采集10个周期正弦波，计算出周期，从而得出固有频率。
6.5实验数据记录及计算：
数据
起始点位置
终止点位置
计算周期
固有频率
1
T=（1.43750—1.26250）÷10=0.0175s
f=57.14HZ
2
T=（1.20100—1.02450）÷10=0.01765s
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