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1、工程力学实验指导书仲恺农业工程学院机电工程系2008.1前 言 材料力学是研究工程材料力学性能和构件强度、刚度和稳定性计算理论的科学，主要任务是按照安全、适用与经济的原则，为设计各种构件（主要是杆件）提供必要的理论和计算方法以及实验研究方法。 要合理地使用材料，就必须了解材料的力学性能，各种工程材料固有的力学性质要通过相应的试验测得，这是材料力学实验的一个主要任务。 另外，材料力学的理论是以一定的简化和假设为基础。这些假设多来自实验研究，而所建立理论的正确性也必须通过实验的检验，这是材料力学实验的第二个任务。 材料力学实验的第三个任务是通过工程结构模型或直接在现场测定实际结构中的应力和变形，进
2、行实验应力分析，为工程结构的设计和安全评估提供可靠的科学依据。 从以上所述各项任务中，不难看到材料力学实验的重要性，它与材料力学的理论部分共同构成了这门学科的两个缺一不可的环节。 学生在学习并进行材料力学实验时，应注意学习实验原理、试验方法和测试技术，逐步培养科学的工作习惯和独立分析、解决问题的能力，要善于提出问题，勤于思考，勇于创新。这样才能牢固地掌握材料力学课程的基本内容，为将来参加祖国社会主义现代化建设打下坚实的基础。 指导书中将实验内容分为“基本实验”和“选做实验”两个层次，这样既可保证实验教学的基本要求，又可根据不同的需求进行选择，以期在培养学生的综合分析能力和创新能力方面发挥重大作
3、用。 本实验指导书中难免存在缺点和错误之处，请师生们指正，以便今后进一步修改和完善。基 本 实 验 1 低碳钢和灰口铸铁的拉伸、压缩实验 一、实验目的 1试样在拉伸或压缩实验过程中，观察试样受力和变形两者间的相互关系，并注意观察材料的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象。 2测定该试样所代表材料的PS、Pb和L等值。 3对典型的塑性材料和脆性材料进行受力变形现象比较，对其强度指标和塑性指标进行比较。 4学习、掌握电子万能试验机的使用方法及其工作原理。 二、仪器设备和量具 电子万能试验机，引伸计、钢板尺，游标卡尺。 三、低碳钢的拉伸和压缩实验 1低碳钢的拉伸实验 在拉伸实验前，测定低碳钢试件的
4、直径d和标距L。试件受拉伸过程中，观察屈服（流动）、强化，卸载规律、颈缩、断裂等现象；绘制pL曲线如图21（a）所示；记录试件的屈服抗力Ps和最大抗力Pb。试件断裂后，测量断口处的最小直径d1和标距间的距离L1。依据测得的实验数据，计算低碳钢材料的强度指标和塑性指标。7图11 低碳钢拉伸图及压缩图 强度指标： 屈服极限 强度极限 塑性指标： 延伸率 断面收缩率 2低碳钢的压缩实验 实验前，测量试件的直径d和高度h。实验时，观察低碳钢试件压缩过程中的现象，绘出PL曲线，测定试件屈服时的抗力Ps，从而计算出低碳钢的屈服极限： 四、灰口铸铁的拉伸和压缩实验 1灰口铸铁的拉伸实验 实验前测定试件的直径
5、d。试件在拉伸过程中注意观察与低碳钢拉伸试验中不同的现象（如变形小、无屈服、无颈缩、断口平齐等）；绘出PL曲线如图22（a）所示；记录断裂时的最大抗力Pb，从而计算出灰口铸铁的拉伸强度极限：。图12 灰口铸铁拉伸图及压缩图 2灰口铸铁的压缩实验 实验前测定试件的直径d和高度h。实验时观察灰口铸铁试件在压缩过程中的现象，尤其是断口形状；绘出PL曲线如图22（b）所示；记录压缩破坏时的最大抗力Pb，计算灰口铸铁压缩强度极限。即 五、实验操作 1准备工作 （1）打开试验机总电源和电脑主机开关，运行试验程序。 （2）打好拉伸试样的标距，测量试样的标距长度L和直径d，测量低碳钢压缩试样的长度H和直径d，
6、作好原始数据的记录。 2安装试样 将试件夹持于材料试验机的上夹头中，为了夹持方便可用速度100mm/min或250mm/min向下或向上运行调节下夹头的位置，使下拉伸夹头能夹住试件时立即停机，将横梁速度转到2mm/min挡，然后把试件夹持于下夹头中。 3安装夹式引伸计 （1）低碳钢试件拉伸时，把夹式引伸计直接安装在试件上。 （2）做灰口铸铁拉伸、压缩实验和低碳钢压缩实验时，不需安装夹式引伸计。 4录入试样、联机并做好清零工作 5加载试验 6取下夹式引伸计 实验完后要使仪器复原，尤其是要使x-y记录仪的笔开关置于UP，Y2或Y1轴和x轴的输入开关置于ZERO以防止画笔乱画乱动。 7铸铁拉伸试验
7、操作步骤与低碳钢试验基本相同。 （2）在实验中注意读取荷载极限值。 8低碳钢压缩实验 其操作步骤与拉伸时基本相同，不同之处有： （1）试件放于下压头的中心处，移动横梁使上压头逐渐接近试样。但不能接触试样。 （2）调好荷载单元，用压力传感器，量程为80kN。 （3）用速度2mm/min加压，使上压头接触试样（荷载单元可显23kN的预压力）。然后安装位移传感器芯轴支持平台。 （4）试验速度在屈服前用2mm/min，屈服后用5mm/min。 （5）试样不会断裂，曲线画到一定程度即可结束试验；在实验中注意读取屈服时的荷载值。 9铸铁压缩实验 操作步骤与低碳钢压缩相同，不同的是试件破断后停机。 10其它
8、 （1）两根拉伸试件的PL曲线绘在一张图纸上，两根压缩试件的PL曲线绘在一张图纸上。因为它们的坐标相同好作比较。 （2）全部实验完毕后，机器和仪器的各开关按键应置于原始位置，然后关掉电源。六、附图：电子万能试验机示意图图13 电子万能试验机示意图注意事项： 为避免损伤试验机的卡板与卡头，同时防止铸铁试样脆断飞出伤及操作者，应注意： 装卡试样时，横梁移动速度要慢，使试样下端缓慢插入下夹头的V形卡板中，不要顶到卡板顶部；试样下端不要装卡过长，以免顶到卡头内部装配卡板用的平台。 七、预习思考题 1试比较低碳钢和铸铁在拉伸时的力学性能。 2压缩时为什么必须将试件对准试验机压头的中心位置，如没有对中会产
9、生什么影响？ 3说明铸铁和低碳钢断口的特点。 4低碳钢和铸铁在拉伸、压缩中，各要测得哪些数据？观察哪些现象？实 验 报 告 1实验一 低碳钢和灰口铸铁的拉伸、压缩实验报告 （一）拉伸实验原始数据记录 班级： 学号： 姓名： 日期：低 碳 钢（Q235）铸 铁（HT200）低 碳 钢（Q235）铸 铁（HT200）L= mm, d= mmd= mmPb= kNPb= kNPs= kNL1= mm, d1= mm （二）低碳钢和铸铁的拉伸实验实验报告低 碳 钢（Q235）灰 口 铸 铁（HT200） d = d =原 L =始 Ps =数 Pb = Pb =据 d1 = L1 = A = A =
10、ss =实 sb = sb = = %验 = %资料试件 试验前试件 试验前整理形状 试验后形状 试验后结果PL曲线PL曲线 （三）压缩实验原始数据记录及实验报告低 碳 钢灰口铸铁低 碳 钢灰口铸铁d= mmd= mmPs= kNPb= kNh= mmh= mm实验资料整理结果 d = d = Ps = Pb = A = A = ss = sb =试 件 形 状试 件 形 状压 缩 前压 缩 后压 缩 前压 缩 后PL曲线PL曲线基 本 实 验 2 扭转实验 一、实验目的 1当试样在扭转力偶的作用下，观察试样受力和变形的行为。观察塑性材料和脆性材料不同的破坏方式。 2了解并掌握扭转试验机和扭转
11、仪的工作原理及使用方法。 二、仪器设备 扭转试验机：用以作扭转破坏实验、百分表，游标卡尺、钢板尺。 三、扭转破坏实验 1扭转试验机的工作原理 扭转试验机如图21。在机体上有一个基本固定的夹头，用两平面和夹紧螺栓固定扭转试样的一端。基座上有一个能水平移动的电动减速装置，其左端是一个可旋转的夹头，以夹持试样的另一端。当电动减速器转动时，带动活动夹头转动，而使试样的一端相对于另一端发生了转动，故试件受扭而产生变形。图21 扭转试验机 作用于试样的扭转力矩，通过与固定夹头相连的称重机构而平衡，同时又带动荷载指针转动而指示出所受扭转力矩的大小。它还带动绘图仪的画笔左右移动，这个移动的扭转力矩坐标在记录纸
12、上与纸的长度方向相垂直。 活动夹头的转动量代表了试样一端相对于另一端的转动，即扭转角。 在实验过程中，随着试件扭转变形的增加，试样所受的扭转力矩也随之变化，绘图仪就画出扭转力矩扭转角的实验曲线。 扭转实验时的变形速度，可由改变电动机的转速来决定。由于本机采用可控硅直流电机，调速可在一个很大的范围内无级调整。 2扭转实验操作 （1）打开试验机电源预热仪器。测量试样尺寸。 （2）将试样的一端安装于活动夹头中，并夹紧。 （3）慢慢移动固定夹头，使试样的未夹持一端插入固定夹头之中，并夹紧。 （4）开始试验。钢试件在弹性范围内和铸铁试样的全过程的变形较小，应用较低的速度，钢试样在塑性范围内应用较高一点的速度。 （5）作完试验后，关闭总电源。 3实验结果的计算 由于在弹性范围内扭转剪应力沿截面半径呈线性分布，在截面的外表面处达到最大值。对于塑性材料来说，当荷载继续增加时，外表面先达到屈服应力。此时内部材料仍处于弹性范围以内，可以继续增加荷载量。随着扭转荷载的增加，屈服区向内部扩展。当横截面芯部接近屈服时，外表面可能已开始强化。所以在一般情况下看不见象拉伸实验时那样明显的屈服现象。但对某些塑性材料，其拉伸实验时出现较长的屈服阶段或出现上屈服点和下屈服点相差较大的情况时，在扭转实验时也
