材料力学实验指导书.docx

1、材料力学实验指导书C 61材料的拉伸压缩实验一、实验目的1. 观察试件受力和变形之间的相互关系；2. 观察低碳钢在拉伸过程中表现出的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象；观察铸铁在压缩时的破坏现象。3. 测定拉伸时低碳钢的强度指标（ s、 b）和塑性指标（ 、 ）；测定压缩时铸铁的强度极限 b。4. 学习、掌握电子万能试验机的使用方法及工作原理。二、实验设备1. 微机控制电子万能试验机；2. 游标卡尺。三、实验材料拉伸实验所用试件（材料：低碳钢）如图1所示，压缩实验所用试件（材料：铸铁）如图2所示：图1 拉伸试件 图2 压缩试件四、实验原理1、拉伸实验低碳钢试件拉伸过程中，通过力传感器和位移

2、传感器进行数据采集，A/D转换和处理，并输入计算机，得到F- l曲线，即低碳钢拉伸曲线，见图3。对于低碳钢材料，由图3曲线中发现OA直线，说明F正比于 l，此阶段称为弹性阶段。屈服阶段（B-C）常呈锯齿形，表示载荷基本不变，变形增加很快，材料失去抵抗变形能力，这时产生两个屈服点。其中，B 点为上屈服点，它受变形大小和试件等因素影响；B点为下屈服点。下屈服点比较稳定，所以工程上均以下屈服点对应的载荷作为屈服载荷。测定屈服载荷Fs时，必须缓慢而均匀地加载，并应用 s=Fs/ A0（A0为试件变形前的横截面积）计算屈服极限。图3 低碳钢拉伸曲线屈服阶段终了后，要使试件继续变形，就必须增加载荷，材料进

3、入强化阶段。当载荷达到强度载荷Fb后，在试件的某一局部发生显著变形，载荷逐渐减小，直至试件断裂。应用公式 b=Fb/A0计算强度极限（A0为试件变形前的横截面积）。根据拉伸前后试件的标距长度和横截面面积，计算出低碳钢的延伸率 和端面收缩率 ，即，式中，l0、l1为试件拉伸前后的标距长度，A1为颈缩处的横截面积。2、压缩实验铸铁试件压缩过程中，通过力传感器和位移传感器进行数据采集，A/D转换和处理，并输入计算机，得到F- l曲线，即铸铁压缩曲线，见图4。图4 铸铁压缩曲线对铸铁材料，当承受压缩载荷达到最大载荷Fb时，突然发生破裂。铸铁试件破坏后表明出与试件横截面大约成45 55 的倾斜断裂面，这

4、是由于脆性材料的抗剪强度低于抗压强度，使试件被剪断。材料压缩时的力学性质可以由压缩时的力与变形关系曲线表示。铸铁受压时曲线上没有屈服阶段，但曲线明显变弯，断裂时有明显的塑性变形。由于试件承受压缩时，上下两端面与压头之间有很大的摩擦力，使试件两端的横向变形受到阻碍，故压缩后试件呈鼓形。铸铁压缩实验的强度极限： b=Fb/A0（A0为试件变形前的横截面积）。五、实验步骤及注意事项1、拉伸实验步骤（1）试件准备：在试件上划出长度为l0的标距线，在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径d0。（2）试验机准备：按试验机 计算机 打印机

5、的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。按照“软件使用手册”，运行配套软件。（3）安装夹具：根据试件情况准备好夹具，并安装在夹具座上。若夹具已安装好，对夹具进行检查。（4）夹持试件：若在上空间试验，则先将试件夹持在上夹头上，力清零消除试件自重后再夹持试件的另一端；若在下空间试验，则先将试件夹持在下夹头上，力清零消除试件自重后再夹持试件的另一端。（5）开始实验：点击主机小键盘上的试样保护键，消除夹持力；位移清零；按运行命令按钮，按照软件设定的方案进行实验。（6）记录数据：试件拉断后，取下试件，将断裂试件的两端对齐、靠紧，用游标卡尺测出试件断裂后的标距长度l1及断口处的最小直径d1（一般从相互垂直

6、方向测量两次后取平均值）。2、 压缩实验步骤（1）试件准备：用游标卡尺在试件中点处两个相互垂直的方向测量直径d0，取其算术平均值，并测量试件高度h0。（2）试验机准备：按试验机 计算机 打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。按照“软件使用手册”，运行配套软件。（3）安装夹具：根据试件情况准备好夹具，并安装在夹具座上。若夹具已安装好，对夹具进行检查。（4）放置试件：试验力清零；把试件放在压盘中间，通过小键盘调节横梁位置，通过肉眼观察，到上压盘离试件上平面还有一定缝隙时停止。（注意：尽量将试件放在压盘的中心，如放偏的话对试验结果甚至是试验机都有影响。）（5）开始实验：位移清零；按运行命令按

7、钮，按照软件设定的方案进行实验。（6）记录数据：试件压断后，取下试件；记录强度载荷Fb。六、实验报告内容及要求1、绘制拉伸曲线（F- l曲线）。 低碳钢拉伸曲线铸铁拉伸曲线压缩曲线1压缩曲线22、拉伸实验数据及计算结果处理。实验材料试件规格实 验 前实 验 后屈服极限 s/ MPa强度极限 b/ MPa延伸率 /%断面收缩率 /%截面尺寸d0/mm截面面积A0/ mm2标距长度l0/ mm断口截面尺寸d0/mm截面面积A1/ mm2标距长度l1/ mm测量部位测 量数 值平均值d0测 量数 值平均值d1低碳钢上中下3、压缩实验数据第一根直径（mm）平均高（mm）第二根 3、计算铸铁压缩实验的强

8、度极限 b。材料冲击实验一、实验目的1、观察分析低碳钢材料在常温冲击下的破坏情况和断口形貌。2、测定低碳钢材料的冲击韧度 k值。3、了解冲击试验方法。二、实验设备1、液晶全自动金属摆锤冲击试验机。2、游标卡尺。三、实验材料本实验采用GB/T 229 1994标准规定的10mm 10mm 55mm U形缺口或V形缺口试件。四、实验步骤及注意事项1、测量试件缺口处尺寸，测三次，取平均值，计算出横截面面积。2、检查回零误差和能量损失：正式试验开始前在支座上不放试件的情况下“空打”一次：（1）取摆：按“取摆”键，摆锤逆时针转动；（2）退销：按“退销”键，保险销退销；（3）冲击：按“冲击”键，挂/脱摆机

9、构动作，摆锤靠自重绕轴开始进行冲击；（4）放摆：按“放摆”键，保险销自动退销，当摆锤转至接近垂直位置时便自动停摆；（5）清零：按“清零”键，使摆锤角度值复位为零。注意：必须在摆锤处于垂直静止状态时方可执行此动作。第一次“空打”后显示屏上显示的空打冲击吸收功N1即为回零误差，此值经校正后应不大于此摆锤标称能量值的%。继续“空打”五次，记下第六次空打冲击吸收功N6，则摆锤在摆动中由于空气和摩擦阻力造成的能量损失为： 此值应不大于此摆锤标称能量值的%。3、正式试验：按“取摆”键，摆锤逆时针转动上扬，触动限位开关后由挂摆机构挂住，保险销弹出，此时可在支座上放置试件（注意试件缺口对中并位于受拉边）。然后

10、顺序执行以上 “取摆”、“退销”、“冲击”、“放摆”动作。显示屏上将显示该试件的冲击吸收功和相应的冲击韧度。4、摆锤抬起后，严禁在摆锤摆动范围内站立、行走和放置障碍物。五、实验数据记录及结果处理 材 料试件缺口处横截面积A(cm2)冲击功W(N m)冲击韧度 (N m/ cm2)低碳钢铸铁 低碳钢 低碳钢材料的扭转实验一、实验目的1、 观察低碳钢和铸铁的变形现象及破坏形式。2、 测定低碳钢的剪切屈服极限和强度极限。3、 测定铸铁的剪切强度极限。二、实验设备1、微机控制电子扭转试验机。2、游标卡尺。三、实验试件实验所用试件与拉伸试件标准相同，如下图1所示。为防止打滑，试件的夹持段宜为类矩形：图1

11、四、实验原理 圆柱形试件在扭转时，横截面边缘上任一点处于纯剪切应力状态（图2）。由于纯剪切应力状态是属于二向应力状态，两个主应力的绝对值相等，大小等于横截面上该点处的剪应力，与轴线成45角。圆杆扭转时横截面上有最大剪应力，而45斜截面上有最大拉应力，由此可以分析低碳钢和铸铁扭转时的破坏原因。由于低碳钢的抗剪强度低于抗拉强度，试件横截面上的最大剪应力引起沿横截面剪断破坏；而铸铁抗拉强度低于抗剪强度，试件由与杆轴线成45的斜截面上的引起拉断破坏。图2在低碳钢试件受扭过程中，通过扭矩传感器和扭角传感器进行数据采集，A/D转换和处理，并输入计算机，得到曲线，曲线也叫扭转图，如图3所示。图中起始直线段O

12、A表示试件在这个阶段中的成比例，截面上的剪应力是线性分布，如图4(a)所示。此时截面周边上的剪应力达到了材料的剪切屈服极限。由于这时截面内部的剪应力小于，故试件仍具有承载能力，曲线呈继续上升的趋势。扭矩超过后，截面上的剪应力分布不再是线性的，如图4(b)所示。在截面上出现了一个环状塑性区，并随着的增长，塑性区逐步向中心扩展，曲线稍微上升，直至B点趋于平坦，截面上各点材料完全达到屈服，这时的扭矩即为屈服扭矩，如图4(c)所示。图3剪切屈服极限为： （1）式中，是实心试件的抗扭截面模量（或称抗扭截面系数）。时的剪应力分布 时的剪应力分布 时的剪应力分布（a） （b） （c）图4继续给试件加载，试件

13、再继续变形，材料进一步强化。从图3看出，当扭矩超过后，增加很快，而增加很小，BC近似一根不通过坐标原点的直线。在C点时，试件被剪断，此时的扭矩为最大扭矩。剪切强度极限为： (2)但是，为了试验结果相互之间的可比性，根据国标GB/T 101281988规定，低碳钢扭转屈服点和抗扭强度采用下式计算： (3)铸铁材料的曲线如图5所示，从开始受扭直到破坏，近似为一直线，故近似地按弹性应力公式计算： （4）Tb图5五、实验步骤及注意事项1、试件准备：在标距的两端及中部三个位置上，沿两个相互垂直方向各测量一次直径取平均值，再从三个平均值中取最小值作为试件的直径d。在低碳钢试件表面画上一条纵向线和两条圆周线

14、，以便观察扭转变形。2、试验机准备：按试验机计算机打印机的顺序开机，开机后须预热十分钟才可使用。根据计算机的提示，设定试验方案，试验参数。3、装夹试件：（1）先将一个定位环夹套在试件的一端，装上卡盘，将螺钉拧紧。再将另一个定位环夹套在试件的另一端，装上另一卡盘；根据不同的试件标距要求，将试件搁放在相应的V形块上，使两卡盘与V形块的两端贴紧，保证卡盘与试件垂直，以确保标距准确。将卡盘上的螺钉拧紧。（2）先按“对正”按键，使两夹头对正。如发现夹头有明显的偏差，请按下“正转”或“反转”按键进行微调。将已安装卡盘的试件的一端放入从动夹头的钳口间，扳动夹头的手柄将试件夹紧。按“扭矩清零”按键或试验操作界

15、面上的扭矩“清零”按钮。推动移动支座移动，使试件的头部进入主动夹头的钳口间。先按下“试件保护”按键，然后慢速扳动夹头的手柄，直至将试件夹紧。（3）将扭角测量装置的转动臂的距离调好，转动转动臂，使测量辊压在卡盘上。4、开始试验：按“扭转角清零”按键，使电脑显示屏上的扭转角显示值为零。按“运行”键，开始试验。5、记录数据：试件断裂后，取下试件，观察分析断口形貌和塑性变形能力，填写实验数据和计算结果。6、试验结束：试验结束后，清理好机器，以及夹头中的铁屑，关断电源。六、实验报告内容及要求1、实验数据记录及结果处理:材料最小直径d/mm抗扭截面模量Wp/mm3屈服扭矩Ts/Nm破坏扭矩Tb/Nm剪切屈

16、服极限MPa剪切强度极限MPa断口形状破坏的力学原因低碳钢平剪断铸 铁不平拉断 2、绘制材料的扭转曲线（曲线）。铸铁的扭转曲线3、绘制材料的断口草图，说明其特征并分析破坏原因。低碳钢的断口是平的，破坏原因是被剪断的；铸铁的断口是不平的，断痕与轴线大约成45，破坏原因是被拉断的。应变测量实验一、 实验目的1、 学习应变片粘贴、使用的基本方法2、 学习电桥的联线方法及电桥的测量原理和特点3、 学习使用WS-3811应变仪测量应变的基本方法二、 实验原理 利用惠斯登电桥原理进行测量三、 实验仪器 微型计算机、WS-3811数字式应变仪、桥盒、应变片及其附件四、 实验内容1、 选片：在确定采用那种类型

17、的应变计后，用肉眼或放大镜检查丝栅是否平行，有否霉点、锈点、用数字式万用表测量各应变片电阻值。所选应变片的电阻阻值要与其桥盒匹配，如桥盒内置电阻为120，那么，使用的应变片也要是120。2、 测点表面的清洁处理：为使应变计能与被测试件贴牢，对测点表面要进行清洁处理。首先把测点表面用砂纸打磨；使测点表面平整、光洁。然后用棉花球蘸丙酮擦洗表面的油污，到棉花球不黑为止。打磨好的表面，如暂时不贴片，可涂以凡士林等防止氧化。3、 贴片：在测点位置和应变片的底基面上，涂上薄薄一层胶水，一手捏住应变片引出线，在应变片上面盖一层聚乙烯塑料膜作为隔层，用手指在应变片的长度方向滚压，挤出片下气泡和多余的胶水，直到

18、应变片与被测物紧密粘合为止。手指保持不动按压抑段时间后再放开，注意按压时不要使应变片移动，轻轻掀开薄膜检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，否则需重贴。注意粘结剂不要用得过多或过少，过多则胶层太厚影响应变片性能，过少则粘结不牢不能准确传递应变。4、 干燥处理：应变计粘贴好后应有足够的粘结强度以保证与试件共同变形。此外，应变计和试件间应有一定的绝缘度，以保证应变读数的稳定。为此，在贴好片后就需要进行干燥处理，气温在20以上，相对湿度在55左右时用502胶水粘贴，采用自然干燥即可。5、 接线：由于应变片的两条连线很细，所以要应使用“转接片”连接导线（如图所示），避免测量时拉短应变片的连线。6、 防潮处理

19、：为避免胶层吸收空气中的水分而降低绝缘电阻值，应在应变片接好线并且绝缘电阻达到要求后，立即对应变计进行防潮处理。防潮处理应根据实验的要求和环境采用不同的防潮材料。一般选用703、704硅胶即可。7、 应变桥盒的接线方法：（1） 应变仪面板7针信号输入插头接线方应变桥（桥压：1V）接线方法： 桥压-1V 桥压-1V 桥压+1V 信号+ 桥压+1V 信号- 屏蔽地说明：7针插头接线方法：针1：信号-针2：信号+针3：桥压-1V针4：桥压-1V针5：桥压+1V针6：桥压+1V针7：屏蔽地应变仪面板（7针插头）电压信号（对于输出为电压的传感器）输入接线方法： 信号+ 信号- 信号地接线说明： 应变仪(

20、针插头) 测量端（电压信号） 信号 信号 信号 信号 信号地（2） 应变桥盒使用方法桥盒内部电路见后附电路图。一个应变片桥盒（1/4桥）使用方法2线制(1/4桥)1个测量应变片单应变片桥路逻辑图应变片贴法1/4桥桥盒接线图示按“1/4桥盒接法图示”把一个应变片接到两条线的另一端，注意桥盒上要有3个短接插片。二个应变片桥盒（半桥）使用方法1个测量应变片1个补偿应变片(静止)2个测量应变片R1和R2 (半桥)同面垂直粘贴逻辑图应变片贴法半桥桥盒接线图示按“半桥盒接法图示”把两个应变片分辨接到“红-黑”线和“蓝-黑”线的另一端，其中黑线为两个应变片的共用线，注意桥盒上要去掉1个短接插片，保留2个短接

21、插片。8、 测试量程和滤波设置打开Vib SYS信号采集、处理和分析软件，从菜单“信号采集”选择“动、静应变采集”进入应变测量界面，如下图所示。对于应变或其它传感器信号的测量，应选择比较适合的测量量程，选择测量量程时应尽量选择比较小的量程，仪器的量程越小精度越高；（该仪器已将测试值标称为微应变（），标定系数为1，即测试值1代表1个）。（1）应变量程设置当测量应变时，对于应变片灵敏度系数K=2和桥压为1伏的情况下，每个微应变（）对应于1个微伏（V），这时应变测量有两挡选择，应变量程设置：量程1：4000量程2：40000设置方法：进入量程及滤波设定界面，选择量程和要设置的通道，点击“设置”。相应

22、通道量程即被设定，也可直接点击界面中的“”，单独设置各通道量程，对应通道变为“”；（2）滤波频率设置 仪器中设计了低通滤波器，当测量应变时，由于存在各种干扰，所以在进行测试时，先要设置滤波频率，滤波频率范围（2Hz50KHz）；（通常设置为20Hz即可）。 设置方法：进入量程及滤波设定界面，点击“滤波设置”，输入相应通道滤波频率，点击“确定”，退出滤波设置； 量程和滤波频率设置就绪后，点击“设置到仪器”，将所需量程和滤波频率设置到仪器。9、 仪器校准首次测试或经过长时间不用时，需对仪器进行校准，该仪器具有自动校准功能；校准的目的是使测试值更加精确。校准方法：断开各通道，即拔下桥合接头；设置各校

23、准通道的量程和滤波频率；一切就绪后，进“仪器校准”栏点击“自动校准”，仪器开始进行校准，该过程需要持续若干秒时间，当然也可中途退出校准；校准完成，校准结果（一般都在左右）显示于对应通道栏中；校准结果可保存，点击“存校准值”，输入文件名，校准结果保存于文件中，下次测试时可直接读入，点击“读校准值”，选择校准文件，读入校准值；点击“不校准”，不对仪器进行校准。10、 动态应变数据采集对于随时间变化比较快的应变信号，要用动态应变数据采集。当进行动态应变数据采集时，动态采集的应变数据直接记录到计算机硬盘中，采集的数据量由计算机硬盘容量定，采集结束以后，把采集得到应变数据调出进行分析处理。（1）非定时动

24、态应变采集该数字式应变仪采集总采样频率为100KHz，在进行动态应变采集时可根据实际测试情况选择，但通道采样频率总和不能超过100 KHz，（通常应变测试采样频率不宜设得过高，一般每通道1000Hz即可）。点击“设置采集参数”在采样频率栏中输入采样频率；在采集时间栏中输入所需时间值单位（秒），选择采集开始通道和结束通道，选择显示通道，一切就绪后；点击“开始示波”，此时可以观测各通道采集数据波形，采集数据不保存，当你认为采集数据需要保存时，点击“开始记录”，选择保存数据文件“*.YB”开始记录，采集数据开始记录于硬盘中，直到采集时间结束，也可中途退出采集；采集结束数据文件自动转换为“*.TIM”

25、格式，便于后续处理绘图等；如果中途发生断电等意外情况，数据也能自动保存，但只有“*.YB”文件，后续处理时，需将该文件转换为“*.TIM”格式文件，具体操作是：点击“打开应变数据文件”，选择需要转换的“*.YB”文件，再点击“转换为VibSYS格式”，选择要转换为的“*.TIM”文件即可转换完成。（2）定时动态应变采集定时动态采集是指：每间隔一段时间采集一段时间数据，一旦点击开始采集，该过程将一直持续下去，直到点击停止采集；数据文件名自动加上每次开始采集时刻分别保存；具体操作是：选中“定时采集”，输入定时采集时间间隔，注意不能小于每次采集时间，其余参数设置同非定时动态应变采集，一切就绪后，点击

26、“开始记录”，开始定时采集，直到点击“停止记录”，结束定时采集。（3）采集清零对于应变的测量，桥路一般有一定的不平衡，那么在没有加载之前，仪器测量的电压不是零，有一定的偏移量，所以在采集之前要进行清零操作，然后开始采集和对被测试件进行加载，点击“修改零值”可以指定各通道零值。11、 静态数据采集当被测信号随时间变化比较缓慢时，可用静态数据采集。当进行静态数据采集时，采集的数据直接记录到计算机硬盘中。（1）静态采集进入定时静态采集界面：输入采集采样频率（一般为1000Hz）和采集时间间隔，选择开始通道和结束通道，一切就绪后，点击“开始采集”，提示是否保存数据，如保存需选择保存文件“*.TXT”（

27、该文件以文本格式保存，便于直接查看）后开始采集，数据实时显示于界面中，同时各通道曲线显示于波形显示界面中，直到点击“停止采集”结束本次操作。（2）采集清零对于应变的测量，桥路一般有一定的不平衡，那么在没有加载之前，仪器测量的电压不是零，有一定的偏移量，所以在采集之前要进行清零操作，然后开始采集和对被测试件进行加载，点击“修改零值”可以指定各通道零值。 12、 记录实验数据五、 思考题1、 应变桥接法中的半桥盒接法和1/4桥盒接法在应用上有什么差别？答：半桥盒接法是用来测量同面垂直粘贴的2个测量应变片R1和R2的；而1/4桥盒接法是用来测量单个应变片的。2、 使用应变仪进行应变采集之前为什么要进

28、行清零操作？清零操作和之前的仪器校准操作的作用有何不同？答；对于应变的测量，桥路一般有一定的不平衡，那么在没有加在之前，仪器测量的电压不是零，有一定的偏移量，所以在采集之前要进行清零操作。而校准的作用是使测试值更加准确。 三、实验数据及处理梁试件的弹性模量Pa梁试件的横截面尺寸 41 ， 21 支座到集中力作用点的距离 97 各测点到中性层的位置： 0 载 荷(N)静态电子应变仪读数1点2点3点4点5点6点读数增量读数增量读数增量读数增量读数增量读数增量06040-230-10000130-1104604-23-10013-114640-23-11113-691244-46-21126-1813744-28-14114-8131988-74-35240-2626应变片位置1点2点3点4点5点6点实验应力值/MPa0理论应力值/MPa0相对误差/% 0 886565泊松比值 注：表中读数、为两次实验所得读数的平均值。为荷载增量的平均值。、为各点应变增量的平均值四、应力分布图(理论和实验的应力分布图画在同一图上)五、思考题1.为什么要把温度补偿片贴在与构件相同的材料上?2.影响实验结