材料力学实验指导书.pdf
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1、材料的拉伸压缩实验材料的拉伸压缩实验 一、实验目的一、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
2、验原理四、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 d0 l0 l 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/ A
3、0(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 %100 0 01 l ll ,%100 0 10 A AA 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
4、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 4555的倾斜断裂面, 这是由于脆性材料 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
5、验步骤及注意事项五、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
6、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
7、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六、实验报告内容及要求 1、绘制拉伸曲线(F-l 曲线) 。 2、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
8、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 1 12 中 1 2 2 下 1 2 3、计算铸铁压缩实验的强度极限b。 材料冲击实验材料冲击实验 一、实验目的一、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
9、、实验设备二、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、实验材料三、实验材料 本实验采用 GB/T 2291994 标准规定的 10mm10mm55mm U 形缺口或 V 形缺口试件。 四、实验步骤及注意事项四、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
10、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 0.1%。 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: 16 10 1 NNe 此值应不大于此摆锤标称能量值的 0.5%。 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) 。然后顺序执行
11、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(Nm) 冲击韧度 A W k (Nm/ cm2) 低碳钢 材料的扭转实验材料的扭转实验 一、实验目的一、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
12、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 四、实验原理四、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, 1 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 1 引起拉断
13、破坏。 图 2 TT 3 3 1 1 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T曲线,T曲线也叫扭转图,如图 3 所示。 图中起始直线段 OA 表示试件在这个阶段中的与T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 s 。由于这时截面内部的剪应力小于 s ,故试件仍具有承载能力,T 曲线呈继续上升的趋势。扭矩超过 p T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T 的增长,塑性区逐 步向中心扩展,T曲线稍微上升,直至
14、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 s T ,如图 4(c)所示。 图 3 剪切屈服极限为: Wt Ts s 4 3 (1) 式中, 16 3 d Wt 是实心试件的抗扭截面模量(或称抗扭截面系数) 。 P TT 时的剪应力分布 sP TTT时的剪应力分布 s TT 时的剪应力分布 (a)(b)(c) 图 4 O T Tp Ts Tb A B C s s s 继续给试件加载,试件再继续变形,材料进一步强化。从图 3 看出,当扭矩超过 s T 后,增加很快,而T 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 b T
15、 。 剪切强度极限为: Wt Tb b 4 3 (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: Wt Ts s Wt Tb b (3) 铸铁材料的T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: Wt Tb b (4) 图 5 五、实验步骤及注意事项五、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,以便观察扭转变形。 2
16、、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 Tb T 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
17、键 或试验操作界面上的扭矩“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/m
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