工程力学实验报告剖析

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1、工程力学实验报告自动化12级实验班1-1 金属材料的拉伸实验一、试验目的1测定低碳钢（Q235 钢）的强度性能指标：上屈服强度ReH，下屈服强度ReL和抗拉强度Rm 。2测定低碳钢（Q235 钢）的塑性性能指标：断后伸长率A和断面收缩率Z。3测定铸铁的抗拉强度Rm。4观察、比较低碳钢（Q235 钢）和铸铁的拉伸过程及破坏现象，并比较其机械性能。5学习试验机的使用方法。二、设备和仪器1试验机（见附录）。2电子引伸计。3游标卡尺。三、试样l0lbh(a)(b)图1-1 试样拉伸实验是材料力学性能实验中最基本的实验。为使实验结果可以相互比较，必须对试样、试验机及实验方法做出明确具体的规定。我国国标G

2、B/T2282002 “金属材料 室温拉伸试验方法”中规定对金属拉伸试样通常采用圆形和板状两种试样，如图（1-1）所示。它们均由夹持、过渡和平行三部分组成。夹持部分应适合于试验机夹头的夹持。过渡部分的圆孤应与平行部分光滑地联接，以保证试样破坏时断口在平行部分。平行部分中测量伸长用的长度称为标距。受力前的标距称为原始标距，记作l0，通常在其两端划细线标志。国标GB/T228-2002中，对试样形状、尺寸、公差和表面粗糙度均有明确规定。四、实验原理低碳钢（Q235 钢）拉伸实验（图解方法）将试样安装在试验机的上下夹头中，引伸计装卡在试样上，启动试验机对试样加载，试验机将自动绘制出载荷位移曲线（F-

3、L曲线），如图（1-2）。观察试样的受力、变形直至破坏的全过程，可以看到低碳钢拉伸过程中的四个阶段（弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段）。屈服阶段反映在F-L曲线图上为一水平波动线。上屈服力是试样发生屈服而载荷首次下降前的最大载荷。下屈服力是试样在屈服期间去除初始瞬时效应（载荷第一次急剧下降）后波动最低点所对应的载荷。最大力Rm是试样在屈服阶段之后所能承受的最大载荷。相应的强度指标由以下公式计算：上屈服强度ReH ： （1-1）下屈服强度ReL： (1-2 )抗拉强度Rm： （1-3）在强化阶段任一时刻卸载、再加载，可以观察加载、御载规律和冷作硬化现象。在Fm以前，变形是均匀的。从Fm

4、开始，产生局部伸长和颈缩，由于颈缩，使颈缩处截面减小，致使载荷随之下降，最后断裂。断口呈杯锥形。测量断后的标距部分长度Lu和颈缩处最小直径du，按以下两式计算其主要塑性指标：断后伸长率A ：（1-4）式中L0为试样原始标距长度（名义尺寸50mm）。由于试样的塑性变形集中在缩颈处并向两边逐渐减小，因此断口位置不同，标距部分的塑性伸长也不同。若断口在试样中部，发生严重塑性变形的缩颈段全部在标距长度内，标距长度就有较大的塑性伸长量；若断口距标距端很近，则发生严重塑性变形的缩颈段只有一部分在标距长度内，另一部分在标距长度外，因此，标距长度的塑性伸长量就小。这说明断口位置对测得的伸长率有影响，为此应用所

5、谓移位法测定断后标距长度。试验前将试样标距分成十等分。若断口到邻近标距端距离大于，则可直接测量标距两端点间的距离。若断口到邻近标距端距离小于或等于，则应用所谓移位法（亦称为补偿法）测定：在长段上从断口O点起取长度基本上等于短段格数的一段得B点，再由B点起取等于长段所余格数（偶数）之半得C点（见图1-8（a）；或取所余格数（奇数）减1与加1之半得C与C1点（见图1-8（b）；移位后的L1分别为：AO+OB+2BC或者AO+OB+BC+BC1 。测量时，两段在断口处应紧密对接，尽量使两段轴线在一直线上。若断口处形成缝隙，此缝隙应计入L1内。断面收缩率Z：（1-5）式中和分别是原始横截面积和断后最小

6、横截面积。铸铁拉伸LFFm0图1-3铸铁拉伸铸铁拉伸时没有屈服阶段，拉伸曲线微微弯曲，在变形很小的情况下即断裂（见图1-3），断口为平端口。因此对铸铁只能测得其抗拉强度Rm， 即： （1-6）铸铁的抗拉强度远低于低碳钢的抗拉强度。五、实验结果处理1原始记录参考表1-2和表1-3填写。表1-2 原始尺寸材料原始标距L0（mm）原始横截面直径do(mm)原始最小横截面积S0（mm2）IIIIII12平均12平均12平均低碳钢5010.0810.0910.08510.0610.1010.0810.0410.0910.06579.564铸 铁10.1210.0810.109.999.999.999.8

7、69.939.89576.899表1-3 断后尺寸断后标距Lu(mm)断后缩颈处最小直径du（mm）断后最小横截面积Su(mm2)12平均64.315.855.945.89527.2932数据处理低碳钢据Fm值和F-L图计算力轴每毫米代表的力值m，从F-L图上找出FeH和FeL点的位置，量出它们至L轴的垂直距离heH和heL，从而计算出FeH和FeL值（即mheH和mheL），然后按公式（1-1）（1-3）计算上屈服强度ReH、下屈服强度ReL和抗拉强度Rm，按公式（1-4）和（1-5）计算断后伸长率A 和断面收缩率Z 。解：由图可知FeH=30.11kN， FeL=27.17kN， Fm=4

8、3.99kNheH=4.586mm， heL=5.261mmReH=378.4MPa， ReL=341.5MPa，Rm=553.9MPaA=28.62%，Z=65.70%铸铁据记录的最大拉力Fm，按公式（1-6）计算抗拉强度Rm。解：由图可知Fm=12.25kNRm=159.3MPa六、思考题1低碳钢试样拉伸断裂时的载荷比最大力Fm小，如按公式计算断裂时的应力，则计算得到的应力会比抗拉强度Rm小。为什么“应力减小后”试样反而断裂？4铸铁试样拉伸，断口为何是平截面?为何断口位置大多在根部?5做低碳钢拉伸实验时为什么要用引伸计，又为什么在试样拉断前要取下引伸计，为什么此时可以取下引伸计？七、实验报

9、告要求包括实验目的，设备名称、型号，实验记录（列表表示）与实验数据处理，分析讨论。画出试样断裂后形状示意图（可画在数据记录和处理栏内），试验机自动绘制的F-L图附于实验报告内。附注：实验步骤试样材质辩识：铸铁试样颜色较深，表面可见凸起的小颗粒，竖直落地时声音沉闷；而低碳钢颜色较亮，表面可见刀纹，竖直落地时声音轻脆。1测量试样尺寸直径d0 在试样标距两端和中间三个截面上测量直径，每个截面在相互垂直方向各测量一次，取其平均值。用三个平均值中最小者计算横截面面积，数据列表记录。标距长度L 0 量取计算长度L 0（取L 0=10 d0，或L 0=5 d0），在试样两端划细线标志，用刻线机将其划分成10

10、等分（或5等分）。2. 开机打开电源开关；启动计算机进入Windos操作系统；点击试验机控制软件，进入试验机操作界面；按复位按扭使控制系统上电。3. 系统参数设置点击“模式设置”选项，选择试验模式-拉伸实验。3. 试验基本参数设置点击“操作”按扭，进入“试验基本参数”界面，选择变形测量模式引伸计。4. 试验过程设置主要有：试样基本参数设定；试验力档位设定；变形调零；变形档位设定；曲线参数设定等。详细设置请参见附1-2电子拉力试验机。5装夹试样，安装引伸计上下夹头均为斜锲夹块，将试样的夹持部位放入V型槽中央。注意低碳钢拉伸实验须测定标距范围内的变形，因此试样上下夹持部位均须留出5-10mm，以便

11、安装引伸计。铸铁拉伸实验则不用安装引伸计。6测试待一切准备工作完成后，点击“上行”按扭，开始拉伸实验。测试完毕保存实验文件。注意实验过程中观察图形和数据显示窗口以及试样破坏情况。特别提请注意的是，当实验曲线出现水平线一定程度后，试样开始进入局部变形阶段时，点击“取引伸计”按扭，迅速取下引伸计，以免引伸计损伤。7打印点击“报告打印”，输出实验曲线。8卸载并取出试样卸载并取出试样，注意保护试样断口形貌。9测量断后标距L1和断后颈缩处最小直径d1（仅对低碳钢拉伸实验）测量时应注意将低碳钢试样两段的断口紧密对接，若断口到邻近标距端距离小于或等于时，则应用所谓移位法（亦称为补偿法）测定断后标距长度。测量

12、颈缩处最小直径du时，在最小处互相垂直的两个方向测量直径。注意应用卡尺测量前端较窄的部位，以免由于弧线的影响而测量不到实际的最小值。10关机注意清理实验现场，将相关仪器还原。1-2 低碳钢和铸铁的压缩试验一、试验目的1测定低碳钢的压缩屈服点和铸铁的抗压强度。2观察并分析两种材料在压缩过程中的各种现象。二、设备和仪器1电子万能试验机2游标卡尺三、试样低碳钢和铸铁等金属材料的压缩试样一般制成圆柱形，其公差、表面粗糙度、两端面的平行度和对试样轴线的垂直度在国标GB7314-87中有明确规定。目前常用的压缩试验方法是两端平压法。由于试样两端面不可能理想地平行，试验时必须使用球形承垫（见图2-1a），试

13、样应置于球形承垫中心，藉球形承垫自动调节实现轴向受载。由于试样的上下两端与试验机承垫之间会产生很大的摩擦力，它们阻碍着试样上部及下部的横向变形，导致测得的抗压强度较实际偏高。当试样的高度相对增加时，摩擦力对试样中部的影响就会相应变小，因此抗压强度与比值hodo有关，同时考虑稳定性因素，为此国家标准对试样高度ho与直径do之比规定在13的范围内。本次实验采用1015的圆柱形试样。（a） （b）图2-1FFsc0L（a） （b）图2-2FFbcL0四、试验原理试验时缓慢加载，试验机自动绘出压缩图（即F-l曲线）。低碳钢试样压缩图如图2-1b所示。试样开始变形时，服从虎克定律，呈直线上升，此后变形增

14、长很快，材料屈服。此时载荷暂时保持恒定或稍有减小，这暂时的恒定值或减小的最小值即为压缩屈服载荷FSC。有时屈服阶段出现多个波峰波谷，则取第一个波谷之后的最低载荷为压缩屈服载荷FSC。以后图形呈曲线上升，随着塑性变形的增长，试样横截面相应增大，增大了的截面又能承受更大的载荷。试样愈压愈扁，甚至可以压成薄饼形状（如图2-1a所示），而不破裂，所以测不出抗压强度。铸铁试样压缩图如图2-2a所示。载荷达最大值Fbc后稍有下降，然后破裂，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的面上破断，这主要是由切应力造成的。四、试验结果处理原始数据记录参考表2-1。 表2-1 原始数据记录表材料直径do(mm)横截面面积S0(mm2)屈服载荷FSC(KN)最大载荷Fbc(KN)12平均低碳钢9.969.979.96577.9923.156铸 铁10.1010.0910.09580.039/57.475据试验记录计算低碳钢的压缩屈服点和铸铁的抗压强度。