材料力学实验讲义.docx

1、材料力学实验讲义第二章 材料的机械（力学）性能测试2-1 材料试验机的操作一、万能材料试验机简介在材料力学实验中，一般都要给试样（或模型）施加荷载，这种加载用的设备称为材料试验机。试验机根据所加荷载的性能可分为静荷试验机和动荷试验机；根据工作条件又可分为常温、高温和低温等试验机；根据加载的形式分为拉力、压力和扭转等试验机。如果一台试验机兼作拉伸、压缩、弯曲和剪切等多种试验，则称为万能试验机。试验机所能施加的荷载有大有小，小的只有几牛顿，大的可达几千吨。一般材料力学实验室常用的是常温、静载5t100t的万能试验机、拉力和扭转等试验机。试验机的种类很多，但一般都有机架、加载系统、测力示值系统、荷载

2、位移记录系统以及夹具、附具等五个基本部分所组成。其中以加载系统、测力示值系统和荷载位移记录系统反映了试验机的主要性能。1、加载系统它是对试样施加荷载的装置，除油泵外，主要安装在右边部分。一般所谓加载，都是利用一定的动力和传动装置强迫试样发生变形，从而使试样受到力的作用。2、测力、示值系统它是传递和指示试样所受荷载大小的装置，主要安装在左边部分。3、荷载位移记录系统试验机上配置的一种称为自动绘图器的装置，它可以在实验过程中自动地绘出荷载与变形之间的关系曲线。为了保证实验可靠，试验机要满足一定的技术条件，其标准由国家统一规定。其中重要的规定之一，是要求试验机荷载的示值误差要在1以内，并且试验机在安

3、装时或使用一定时间（一般为一年）后，都要进行检定（有国家计量管理部门统一进行），不合格的应检修。试验机的检定方法可参阅“材料试验机检定规程”。二、液压动摆式万能试验机这是最常用的一种试验机，类型很多，但一般指示外形不同，基本原理是一样的。其可分为上置式油缸和下置式油缸两大类。（一）上置式油缸液压万能试验机这类试验机的工作油缸在上部，其外形如图21-1所示，其构造原理如图21-2所示。1、加载系统图21-3所示是其加载机构。当图21-2中的油泵电机带动油泵5工作，将高压油液经送油管和送油阀送入工作油缸时，逐渐推动工作活塞6、上横头7、活动立柱8和工作台9（又称活动台）上升。若试样装夹在下层拉伸空

4、间的上下夹头10和11中，则因下夹头固定不动，而工作台上升时上夹头随之一起上升，就对试样施加了拉力。若试样放在上层压缩空间的上下垫板12之间，当工作台上升到试样与上垫板接触时就对试样施加了压力。输油管路中的送油阀门用来控制进入工作油缸中的油量，以调节对试样加载的速度。加载时回油阀置于关闭位置。回油阀打开时，可将工作油缸中的油液泄回油箱，工作台由于自重而下降，回到原始位置。如果拉伸试样的长度不同，可用下夹头电机（或人力）转动底座中的蜗轮，使螺柱上下移动以调节下夹头的位置。注意：当试样已经夹紧或受力时，不能再移动下夹头，否则就造成用下夹头对试样加载，以致损伤机件。工作台的行程对拉伸和压缩区间都有规

5、定，使用者必须遵守。2、测力、示值系统 测力、示值系统的功能，是要随时反映出作用在试样上的荷载值。它是试验机的心脏部门(见图21-2)。加载时，工作油缸中的油压推动工作活塞6的力与试样所受的力成正比。如果用油管将工作油缸和测力油缸14连通，此油压便推动测力活塞15向下移动，使拉杆拉动摆锤16，使之绕支点转动而抬起，同时摆上的推杆（又称拨杆）便推动齿轮17，使齿轮和指针18旋转。指针的旋转角度与油压成正比，因此在测力度盘上便可读出试样所受力的大小。图214所示是测力、示值系统工作原理示意图。由此图可知，试验机作用于试样上的力P就是作用在工作油缸上的压力PW与工作台自重W0的差值（即P=PWW0）

6、。由于工作油缸与测力油缸相连通，它们的油压相等，因此有：其中， SW为工作油缸活塞的面积，PS 是作用在测力油缸上的压力，SS为测力油缸活塞的面积，p为油缸内油液的压强。连杆在PS作用下，摆杆、砝码对支点O的平衡方程为：QsinPS cos(0)r0齿杆的位移x与摆杆扬角的关系为：x= htan0+htan(0)= hsin/cos0cos(0)示力指针的转角与齿杆位移x的关系为：x=d/2联立以上四式可得：式中，Q、l、d、r、h、SW 、S0以及预置角0都是常数，工作台的自重W0也是常数，因此可得如下结论： 试验机作用于试样上的荷载P与示力指针的转角成线性关系。因此测力度盘可以以圆等分刻度

7、。 若视为常量（指针指在同一角度时），而视Q为变量，则P与Q成线性关系。因此更换砝码重量Q可以得到不同的测力范围。一般试验机可以更换三种摆重，相应地配有三个不同的砝码（一般由小到大编为A、B、C三种号码），也相应地有三种刻度的测力度盘，分别表示三种测力范围。例如WE10A型液压式万能试验机（图21-1所示）的三种度盘分别为：020 KN、050 KN、0100 KN。试验时，为了保证测量荷载的精度，要根据试样实现估算所需荷载的大小，正确选择合适的测力度盘，并在摆杆21上放置相应重量的砝码。 当视为常量，而l视为变量时，P与l成线性关系。因此更换摆杆长度l，也可以得到不同的测力范围。所以，有些试

8、验机是采用调节摆杆长度的办法，而不是变更砝码的重量。前式中的荷载P与示力指针的转角成线性关系，是在理想状态下推得的，其中没有考虑到摩擦力，支承、夹具、机架受力后的变形，加工装配中几何尺寸的偏差，以及各零件之间的间隙等因素的影响，这些都会使P与之间产生非线性偏差。当摆杆扬起的角较大（相应指针的转角也大）时，由于摩察力引起的非线性误差显著增加，指针临近度盘的满度区域，示值的精度较差。又根据国家对试验机示值精度的规定：以每级测量范围的10%开始，但不小于该机最大荷载的4%，误差应在1%之内。可见，指针在度盘的开始区域内精度也较差。因此在试验时，应正确选择度盘的测力范围，一般使需要测量的荷载最好全落在

9、度盘的10%80%范围内。另外，摩察力对试验机进程（加载）、回程（卸载）都有影响，而在进回程中引起的是双倍误差。所以试验机加载时，必须平稳增加，不应忽增忽减。再者，试验机加在试样上的荷载P是作用在工作油缸上的压力PW与工作台自重W0的差值，因此在加载前，应调整测力指针的零点（使Po=WO），以消除试验机工作台自重的影响。普通材料试验机均为指针度盘式的示值方式，它有两根示值指针：一根是主动针，另一根示从动针，如图21-1所示。当试验加载时，主动针带着从动针随荷载增加而沿刻度值增大的方向旋转；当试验结束卸载时，主动针回转至零位，而从动针则停示在终止的力值上，以供充裕的时间准确读数。试验中，主动针记

10、录的是加在试样上的瞬时荷载值，从动针记录的是前期加在试样上的最大荷载值。从动针的位置可由手动进行调节。3、荷载位移记录系统图21-5所示是万能试验机荷载位移记录系统的一般构成机构。力值的记录：在测力系统的齿杆上装有笔架，记录笔随齿杆的移动而在记录筒上描绘。如使指针转动一圈，记录笔所绘直线的长度代表该度盘的满度力值，可作为力值的坐标。位移的记录：试验机上下夹头之间有相对位移时，线绳通过绳轮带动记录筒转动，记录笔便在筒纸上绘出了代表位移的线段。记录筒上的绳轮一般具有23条不同直径的线槽，使描绘位移线段的长度比真实位移放大不同的倍数，可以选择使用。力和位移同时记录：当夹头强迫试样变形的同时，试样不断

11、产生抗力，这时记录笔和记录筒仪器运动，二者的合成运动描绘了力变形曲线。应当注意，该机构所记录的变形并非试样标距内的真实变形，而是试验机上、下两夹头间的位移，其精度较差。如果需要大比例、高精度的PL曲线图，可应用现代的电子设备，在普通试验机上使用传感器直接测量试样的抗力和标距内的变形，并将测得值转化为电信号输出，经放大器接入xy函数记录仪便可得到放大倍数为，1 000以上的精确图线。更先进的记录是将传感器采集的讯息经A/D转换输入电子计算机，通过计算机数据处理打印出更精确的数据和曲线图。（二）下置式油缸液压万能试验机这类试验机的工作油缸在下部，其外形如图21-6及图21-7所示，其构造原理与上置

12、式油缸液压万能试验机的构造原理基本相似，只是外形不同，各机构的位置不同，相应试验空间的位置也不同（拉伸试验空间在上部，压缩试验空间在下部）。试验空间的调节是靠中间横梁10的上下移动来实现的。加载时，高压油液经送油管和送油阀送入工作油缸推动工作活塞、上横梁9、活动立柱和工作台11上升。若试样装夹在上层拉伸空间的上下夹头中，则因中间横梁10固定不动，下夹头也就不动，而上横梁9上升时上夹头随之一起上升，就对试样施加了拉力。若试样放在下层压缩空间的上下垫板之间，当工作台上升到试样与上垫板接触时就对试样施加了压力。此类试验机在试验中的操作过程及注意事项与上述的上置式油缸液压万能试验机基本相同，此不再赘述

13、。了解试验机的主要功能，目的是为了更好地掌握和使用试验机。实验的质量，除了试验机本身须达到规定的精度外，更重要的是决定于实验者的操作技能。同时，正确、熟练的操作技能，也反映了实验者的水平和能力。试验中具体所用试验机的构造原理及其操作规程请参看相关试验机的说明书或其他相关资料。金属材料的室温拉伸试验实验目的1、测定低碳钢的屈服强度REh 、ReL及Re 、抗拉强度Rm 、断后伸长率A和断面收缩率Z 。2、测定铸铁的抗拉强度Rm和断后伸长率A。3、观察并分析两种材料在拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化、冷作硬化和颈缩等现象），并绘制拉伸图。4、比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）拉伸机械性能

14、的特点。使用设备万能试验机、游标卡尺、试样分划器或钢筋标距仪试样本试验采用经机加工的直径d =10 mm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 ，

15、Lo是试样中部测量变形的长度，称为原始标距。实验原理按我国目前执行的国家GB/T 228-2002标准金属材料室温拉伸试验方法的规定，在室温1035的范围内进行试验。将试样安装在试验机的夹头中，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L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、低碳钢（典型的塑性材料）当拉力较小时，试

16、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

17、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/S0 ReL = 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

18、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

19、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。2、铸铁（典型的脆性材料）脆性材料是指断后伸长率A5 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、

20、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。试验步骤一、低碳钢拉伸试验1、试样准备：为了便于观察标距范围内沿轴向的变形情况，用试样分划器或标距仪在试样标距L0 范围内每隔5 mm刻划一标记点（注意标记刻划不应影响试样断裂），将试样的标距段分成十等份。 用游标卡尺测量标距两端和中间三个横截面处的直径，在每一横截面处沿相互垂直的两个方向各测一次取其平均值，用三个平均值中最小者计算试样的原始横截面积S0（计算时S0应至少保留四位有效数字）。2、试验机准备：根据低碳钢的抗拉强度Rm

21、和试样的原始横截面积S0估计试验所需的最大荷载，并据此选择合适的量程，配上相应的砝码砣，做好试验机的调零（注意：应消除试验机工作平台的自重）、安装绘图纸笔等准备工作。3、装夹试样：先将试样安装在试验机的上夹头内，再移动试验机的下夹头（或工作平台、或试验机横梁）使其达到适当位置，并把试样下端夹紧（注意：应尽量将试样的夹持段全部夹在夹头内，并且上下要对称。完成此步操作时切忌在装夹试样时对试样加上了荷载）。4、检查试车：请教师检查以上步骤完成情况，然后启动试验机，预加少许荷载后（对应的应力不能超过材料的比例极限），卸载回至零点，以检查试验机工作是否正常。同时消除试样在夹头中的滑移对绘制拉伸图曲线的影

22、响。5、进行试验：开动试验机使之缓慢匀速加载（依据规范要求，在屈服前以660 MPa/s的速率加载），并注意观察示力指针的转动、自动绘图的情况和相应的试验现象。当主动针不动或倒退时说明材料开始屈服，记录上屈服点FeH（主动针首次回转前的最大力）和下屈服点FeL（屈服过程中不计初始瞬时效应时的最小力或主动针首次停止转动的恒定力），具体情况如图2-4所示（说明：前所给出的加载速率是国标中规定的测定上屈服点时应采用的速率，在测定下屈服点时，平行长度内的应变速率应在0.000250.0025/s之间，并应尽可能保持恒定。如果不能直接控制这一速率，则应固定屈服开始前的应力速率直至屈服阶段完成）。根据国标

23、规定，材料屈服过后，试验机的速率应使试样平行长度内的应变速率不超过0.008/s。在此条件下继续加载，并注意观察主动针的转动、自动绘图的情况和相应的试验现象（强化、冷作硬化和颈缩等现象在强化阶段的任一位置卸载后再加载进行冷作硬化现象的观察；此后，待主动针再次停止转动而缓慢回转时，材料进入颈缩阶段，注意观察试样的颈缩现象），直至试样断裂停车。记录所加的最大荷载Fm（从动针最后停留的位置）。6、试样断后尺寸测定：取出试样断体，观察断口情况和位置。将试样在断裂处紧密对接在一起，并尽量使其轴线处于同一直线上，测量断后标距Lu和颈处的最小直径du（应沿相互垂直的两个方向各测一次取其平均值），计算断后最小

24、横截面积Su。注意：在测定Lu时，若断口到最临近标距端点的距离不小于1/3L0，则直接测量标距两端点的距离；若断口到最临近标距端点的距离小于1/3L0，则按图2-5所示的移位法测定：符合图（a）情况的，Lu=AC+BC，符合图（b）情况的，Lu=AC1+BC；若断口非常靠近试样两端，而其到最临近标距端点的距离还不足两等份，且测得的断后伸长率小于规定值，则试验结果无效，必须重做。此时应检查试样的质量和夹具的工作状况，以判断是否属于偶然情况。7、卸回油缸中的液压油，取下绘记录图纸，请教师检查试验记录，经认可后清理试验现场和所用仪器设备，并将所用的仪器设备全部恢复原状。二、铸铁拉伸试验1、测量试样原

25、始尺寸：测量方法要求同前，但只用快干墨水或带色涂料标出两标距端点，不用等分标距段。2、试验机准备：（要求同前）。3、安装试样：（方法同前）。 4、检查试验机工作是否正常：（检查同前，但勿需试车）。5、进行试验：开动试验机，保持试验机两夹头在力作用下的分离速率使试样平行长度内的应变速率不超过0.008/s的条件下对试样进行缓慢加载，直至试样断裂为止。停机并记录最大力Fm。6、取出试样断体，观察断口情况。然后将试样在断裂处紧密对接在一起，并尽量使其轴线处于同一直线上，测量试样断后标距Lu（直接用游标卡尺测量标距两端点的距离）。7、结束试验：卸回油缸中的液压油，取下绘记录图纸，请教师检查试验记录，经

26、认可后清理试验现场和所用仪器设备，并将所使用的仪器设备全部复原。8、完成全部测量后，将试验数据记录、试验机所绘的曲线图和实验卡片一并交指导教师检查验收、签字认可后方可离开实验室。试验数据记录（参考记录表格）表2-1、试样原始尺寸材 料标 距L0/mm直 径 d0/mm原始横截面面积 S0/mm2截面截面截面12平均12平均12平均低碳钢50.00铸 铁50.00 表2-2、试验数据记录 单位：KN材 料上屈服荷载FeH下屈服荷载FeL屈服荷载Fe最大荷载 Fm低 碳 钢铸 铁表2-3、试样断后尺寸材 料标 距Lu/mm断后伸长LuL0/mm 断后缩颈处最小直径du/mm断后最小横截面积Su/m

27、m212平均低碳钢铸 铁数据处理材 料上屈服强度ReH/MPa下屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A/断面收缩率Z/低碳钢铸 铁实验报告要求1、进行数据处理，求出低碳钢及铸铁的各项力学性能指标。2、绘出低碳钢及铸铁试样断裂后的形状示意图和-曲线示意图。3、按标准格式写出完整的实验报告（内容一定要完整全面）。备注：仪器自动绘制的FL图必须随报告一起交上（要注明本小组编号）。思考题1、什么叫比例试样？它应满足什么条件？国家为什么要对试样的形状、尺寸、公差和表面粗糙度等做出相应的规定？2、参考试验机自动绘图仪绘出的拉伸图，分析低碳钢试样从加力至断裂的过程可分为哪几个阶段？相应于每一

28、阶段的拉伸曲线各有什么特点？*3、为什么不顾试样断口的明显缩小，仍以原始截面积S0计算低碳钢的抗拉强度Rm呢？4、有材料和直径均相同的长试样和短试样各一个，用它们测得的断后伸长率、断面收缩率、下屈服强度和抗拉强度是否基本相同？为什么？5、低碳钢试样拉伸断裂时的荷载比最大荷载Fm要小，按公式R=F/S0计算，断裂时的应力比Rm小。为什么应力减小后试样反而断裂？*6、铸铁试样拉伸试验中，断口为何是横截面？又为何大多在根部？7、对于低碳钢材料的拉伸试验，当其断口不在标距长度中部三分之一区段内时，为什么要采用断口移中法测量断后标距？*8、由拉伸试验测定的材料机械性能在工程上有何使用价值？四、实验3金属

29、材料的压缩试验实验目的1、测定低碳钢的压缩屈服极限sc。2、测定铸铁的抗拉强度bc。3、观察并分析两种材料在压缩过程中的各种现象(主要是变形和破坏形式)。4、比较低碳钢(塑性材料)与铸铁(脆性材料)压缩机械性能的特点。使用设备万能试验机、游标卡尺等。试样本试验我们采用机加工的侧向无约束的1020的圆柱体低碳钢试样和1015的圆柱体铸铁试样（见图3-1）。实验原理将试样放在试验机的两压板之间，开动试验机缓慢进行加载，使试样受到缓慢增加的压力作用，示力指针缓慢匀速转动，并利用试验机的绘图装置自动绘出压缩图（见图3-2）。由于试样两端不可能理想的平行，试验时必须使用球形承垫（见图3-3），并且试样应

30、置于球形承垫中心，藉以球形承垫的自动调节作用实现试样的轴向受压。1、低碳钢的压缩试样开始变形时服从虎克定律，压缩曲线呈直线（见图3-2a）。在开始出现变形增长很快的非线性小段时，表示材料到达了屈服，但这时并不象拉伸那样有明显的屈服阶段，只是示力指针暂停转动或稍有返回，这暂停或返回的最小值即为压缩屈服荷载Psc。此后，图形呈曲线上升，材料产生显著的残余变形，试样长度显著缩短，而直径增大。由于试验机压板与试样两端面之间的摩擦力，使试样两端的横向变形受到阻碍，因而试样被压成鼓形。随着荷载的逐渐增加，塑性变形迅速增长，试样的横截面面积也随之增大，而增大的面积又能承受更大的荷载，因此试样愈压愈扁，甚至可以压成薄饼状而不破裂，所以无法测出其最大荷载Pbc和抗压强度bc。根据测出的压缩屈服荷载Psc，由公式sc=Psc/S0即可求出材料的压缩屈服极限。2、铸铁的压缩铸铁试样在压缩时与拉伸明显不同，其压缩曲线上虽然仍没有明显的直线阶段和屈服阶段，但曲线明显变弯（见图3-2b），表明试样在达到最大荷载Pbc前就出现了明显的塑性变形，而其最大荷载Pbc也要比拉伸时的Pb大很多倍。当荷载达到最大荷载Pbc后稍有下降，然后破裂，并能听到沉闷的破裂声。铸铁试样破裂后呈鼓形，并在与轴线大约成45角的斜面上破裂（见图3-4），此破坏主要是由剪应力引起的。